具有動態(tài)感知防撞功能的嬰兒學(xué)步車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

馮伯翰，陳旭東，郭達(dá)鋆，歐益權(quán)

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512126）

0 引言

隨著新生兒數(shù)量逐年增加，人們一直在思考如何更輕松地照看嬰兒。伴隨著智能家居的推廣普及，傳感器技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，嬰兒學(xué)步車也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)智能化。但目前市面上的嬰兒學(xué)步車智能化水平尚存在不足，且小部分存在設(shè)計(jì)缺陷，學(xué)步車容易發(fā)生與周圍物體發(fā)生碰撞、滑落到坑洞、臺階、斜坡等情況，造成學(xué)步車翻滾，使嬰兒受傷[1]，相關(guān)統(tǒng)計(jì)指出以頭部和頸部受傷最為常見。

近年來，科研學(xué)者也對嬰兒車的智能化作出了貢獻(xiàn),對嬰兒車搖籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，避免嬰兒隨著搖籃進(jìn)行左右搖晃，降低嬰兒側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)[2]。通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動搖車、音樂播放、體溫檢測、避障、遙控等功能，提高了嬰兒車的智能化程度。在嬰兒學(xué)步車上搭建了嵌入式系統(tǒng)，通過將壓縮感知理論應(yīng)用到TLD 跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)嬰兒學(xué)步車能夠自主跟蹤前方家長前進(jìn)；但仍需要家長時(shí)刻保持在嬰兒車的前方，為嬰兒學(xué)步車提供路線引導(dǎo)[4]。為了降低家長照看嬰兒的負(fù)擔(dān)，保障嬰兒在學(xué)步過程中的安全，本文設(shè)計(jì)一款具有動態(tài)感知功能的閉環(huán)防碰撞控制系統(tǒng)的嬰兒學(xué)步車，配備避障模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、控制器模塊、制動模塊和攝像頭模塊，建立障礙物鏈表，判斷障礙物運(yùn)動情況，在危險(xiǎn)情況下自動進(jìn)行制動并報(bào)警，實(shí)現(xiàn)動態(tài)感知防撞功能，保護(hù)嬰兒學(xué)步安全，減輕家長照看嬰兒的負(fù)擔(dān)。

本文結(jié)合嬰兒學(xué)步車使用環(huán)境，提出嬰兒學(xué)步車防撞實(shí)驗(yàn)的工況，并進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該嬰兒學(xué)步車能夠有效防止學(xué)步車發(fā)生碰撞、翻滾等情況的發(fā)生，保障嬰兒的人身安全，具有一定的推廣價(jià)值。

1 嬰兒學(xué)步車的抗傾覆特性

嬰兒在使用學(xué)步車時(shí)，易發(fā)生以車輪為支點(diǎn)，嬰兒施加在學(xué)步車上的推力為杠桿力，學(xué)步車側(cè)滾、前滾的情況。為了有效防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，本文根據(jù)船舶浮心理論[5]，引入嬰兒學(xué)步車的抗傾覆穩(wěn)定性這一概念。嬰兒學(xué)步車車體偏離平衡位置后，能夠自主恢復(fù)到平衡位置的特性稱為嬰兒學(xué)步車具有抗傾覆特性。若嬰兒學(xué)步車車體偏離平衡位置后無法自主恢復(fù)，甚至車體繼續(xù)傾斜，車體將會喪失抗傾覆穩(wěn)定性，這是嬰兒學(xué)步車使用過程中不允許的。

根據(jù)浮心理論，若嬰兒學(xué)步車的車體浮心高度高于車體的重心高度，嬰兒學(xué)步車車體具有抗傾覆穩(wěn)定性；反之，嬰兒學(xué)步車喪失抗傾覆穩(wěn)定性；當(dāng)嬰兒學(xué)步車的浮心高度與重心高度相等時(shí)，嬰兒學(xué)步車處于隨遇平衡的狀態(tài)，稱之為穩(wěn)定和失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。

為了確保嬰兒學(xué)步車具有足夠的抗傾覆特性，在設(shè)計(jì)時(shí)可以采用在嬰兒學(xué)步車車體下部配重，上部采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料等方法，應(yīng)盡可能留有足夠大的設(shè)計(jì)余量，提高嬰兒學(xué)步車的抗傾覆穩(wěn)定性，保證嬰兒學(xué)步過程中的安全。

2 防撞嬰兒學(xué)步車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的防撞嬰兒學(xué)步車系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括電源模塊、控制器模塊、制動模塊、報(bào)警模塊、避障模塊、攝像頭模塊。其中控制器模塊是系統(tǒng)的核心部件，接受各個(gè)模塊發(fā)出的信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析后對相應(yīng)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保護(hù)嬰兒的安全[6]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)硬件選型

（1）控制器模塊

本文控制器模塊芯片選擇的是STC89C52 處理器，它是基于MCS-51內(nèi)核的8位微控制器，程序存儲容量為8 kB，工作電壓為3.8～5.5 V，擁有定時(shí)計(jì)數(shù)器、I∕O 口、看門狗等內(nèi)部資源。該芯片具有運(yùn)行速度快、低功耗、成本低廉、外部資源豐富等特點(diǎn)。

（2）超聲波避障模塊

阿多尼弗林堿對照品 （批號：111877-201201；濃度：0.092 μg·mL-1）， 野百合堿對照品 （批號：111878-201102；純度：99.8%），均購自中國食品藥品檢定研究院；感冒消炎片（昆明中藥廠有限公司，規(guī) 格 ：0.3 g/片 ， 批 號 ：480003、480095、480097、480098、480099）；乙腈為色譜純，其余試劑為分析純；去離子水自制。

本文系統(tǒng)的超聲波避障采用HC-SR04模塊，該模塊包含控制電路、超聲波接收器和發(fā)生器[7]。工作電壓為直流5 V，探測距離范圍為2～450 cm，最高探測精度可達(dá)0.2 cm。通過測量發(fā)出信號至信號返回的時(shí)間差，計(jì)算得到與障礙物之間的距離。

（3）高清攝像頭模塊

本文系統(tǒng)的攝像頭模塊選用TSL1401CL 線性CCD 模塊，工作電壓為3～5 V 直流，其廣角攝像頭能夠采集前方120°范圍內(nèi)的物體，并將圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至主控制器，具有抗干擾性、高精度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

（4）制動模塊

本文系統(tǒng)制動模塊采用微小馬蹄鎖，布置在嬰兒學(xué)步車的每個(gè)車輪上方。一旦遇到危急情況，控制器發(fā)出信號，為輪邊電機(jī)提供高電平，控制馬蹄鎖迅速動作，實(shí)現(xiàn)制動，保護(hù)嬰兒；當(dāng)嬰兒車前方不再有障礙物、臺階等危險(xiǎn)路況時(shí)，控制器控制制動模塊自動開鎖。該制動模塊具有動作速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，動作速度小于1 s。

（5）報(bào)警模塊

本文系統(tǒng)的報(bào)警模塊主要由有源蜂鳴器及其關(guān)聯(lián)電路構(gòu)成，蜂鳴器額定電壓為3 V，聲壓為80 dB。當(dāng)嬰兒學(xué)步車遇到危險(xiǎn)情況，控制器給報(bào)警模塊提供高電平，使得蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲；當(dāng)大人手動調(diào)整嬰兒學(xué)步車方向后，控制器將報(bào)警模塊的電壓輸出更改為低電平，警報(bào)聲消失。

（6）電源模塊

電源模塊由NMC 三元鋰離子電池和KM2596 電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。電池采用可充電鋰電池，輸出電壓為3.7 V，具有安全環(huán)保、高容量等優(yōu)點(diǎn)。電壓轉(zhuǎn)換模塊將電池電壓根據(jù)其他模塊的額定電壓進(jìn)行調(diào)壓處理，保證所有模塊正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在完成硬件選型和系統(tǒng)搭建后，需要進(jìn)行程序的編寫與燒錄。本文嬰兒學(xué)步車系統(tǒng)的整體語言編寫是C 語言，編譯軟件是Keil4。嬰兒學(xué)步車在完成代碼燒錄后，啟動電源進(jìn)行模塊初始化，包括攝像頭模塊、時(shí)鐘設(shè)置、延時(shí)函數(shù)、報(bào)警模塊等。在模塊初始化順利結(jié)束后系統(tǒng)開始采集周圍環(huán)境信息，嬰兒車進(jìn)入探測狀態(tài)，當(dāng)檢測到有臺階、突出障礙物時(shí)，啟動報(bào)警模塊和制動模塊，一直持續(xù)到嬰兒車在外力作用下改變方向，前方不再有危險(xiǎn)障礙物[8-9]。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

在整個(gè)系統(tǒng)工作流程中，最為重要的是動靜態(tài)障礙物的檢測，即采用何種算法保障處于運(yùn)動狀態(tài)下的嬰兒學(xué)步車能夠識別動態(tài)環(huán)境下的障礙物，建立障礙物鏈表。由超聲波模塊和攝像頭模塊的特點(diǎn)可以看出，二者的識別范圍為特定角度內(nèi)的發(fā)散區(qū)域，障礙物被識別后以識別點(diǎn)的形式發(fā)送到處理器，并且距離越遠(yuǎn)的障礙物，在空間內(nèi)占據(jù)的識別點(diǎn)個(gè)數(shù)越少[10-12]。將空間中連續(xù)的識別點(diǎn)進(jìn)行連通處理，就能探測到障礙物的空間大小及其位置。

由于超聲波和攝像頭每個(gè)周期都只能采集到當(dāng)前周期的環(huán)境信息，因此為了檢測動態(tài)環(huán)境內(nèi)的障礙物，必須對多個(gè)周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到障礙物的位置、體積大小、運(yùn)動速度和方向等，并建立障礙物鏈表。基本算法思路如下。

（1）采集實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，建立并保存環(huán)境地圖數(shù)據(jù)庫。對采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，得到障礙物坐標(biāo)和體積大小，并以此為根據(jù)建立當(dāng)前T周期內(nèi)的障礙物鏈表。

（2）采集并讀取下一周期內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，建立T+1周期內(nèi)的障礙物鏈表。

（3）對于T+1 周期障礙物鏈表，依次搜索數(shù)據(jù)與T周期內(nèi)的鏈表數(shù)據(jù)進(jìn)行配對，當(dāng)兩個(gè)障礙物間的估計(jì)坐標(biāo)距離小于設(shè)定閾值X時(shí)，可以認(rèn)為這兩個(gè)障礙物為同一個(gè)障礙物。

（4）對于已經(jīng)實(shí)現(xiàn)配對的障礙物，在環(huán)境地圖中進(jìn)行地圖匹配，可以得到在兩個(gè)采樣周期內(nèi)該障礙物在空間xyz坐標(biāo)系上的位移，并通過計(jì)算可以得到障礙物的速度和方向。

（5）將每個(gè)障礙物的速度值與設(shè)置的速度閾值V進(jìn)行比較，若速度值大于閾值V，則判斷該障礙物為動態(tài)障礙物；反之則為靜態(tài)障礙物。判斷后將運(yùn)動狀態(tài)記錄至該障礙物的障礙物鏈表中。

（6）返回步驟（2）中，采集下一周期的環(huán)境數(shù)據(jù)。

其中，考慮到系統(tǒng)采樣周期較小，為了減少計(jì)算量，將采樣間隔取為0.2 s。并且在試驗(yàn)中將位移閾值X設(shè)置為20 cm，速度閾值V設(shè)置為25 cm∕s。但是該算法對于障礙物的形態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)具有一定的限制，障礙物移動速度過快或體積過大時(shí)，會出現(xiàn)無法識別到障礙物的現(xiàn)象，降低識別精度。

5 具有動態(tài)感知防撞功能實(shí)現(xiàn)

為了測試防撞嬰兒學(xué)步車的性能，本文設(shè)計(jì)了4 種實(shí)驗(yàn)工況，分別對應(yīng)日常生活中常見的4 種會對嬰兒人身安全造成傷害的情境：上下樓梯、以桌椅為代表的靜態(tài)障礙物和以掃地機(jī)器人為代表的動態(tài)障礙物。實(shí)驗(yàn)時(shí)為了模擬嬰兒正常使用學(xué)步車，采用小型電動機(jī)推動學(xué)步車前進(jìn)，速度為10 m∕min。嬰兒學(xué)步車在控制系統(tǒng)作用下實(shí)現(xiàn)制動至完全靜止，取嬰兒學(xué)步車最前端與障礙物間的距離作為安全距離，并設(shè)定可接受的最小安全距離為1 m，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的嬰兒學(xué)步車可以識別日常生活中的多種障礙物，均滿足安全距離小于設(shè)定值1 m，其中對于地面突出的靜態(tài)障礙物識別效果最優(yōu)，而對于動態(tài)障礙物的識別效果不夠理想，原因?qū)τ谝苿诱系K物，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)采集系統(tǒng)的識別分辨率，這在一定程度上削弱了識別速度。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的具有動態(tài)感知防撞功能的嬰兒學(xué)步車以STC89C52單片機(jī)作為控制器，搭建具有動態(tài)感知的閉環(huán)防碰撞控制系統(tǒng)，接受來自攝像頭模塊和超聲波模塊對周圍環(huán)境感知的數(shù)據(jù)，建立障礙物鏈表，判斷障礙物運(yùn)動情況，并計(jì)算動態(tài)障礙物的移動速度，并對報(bào)警模塊和制動模塊進(jìn)行控制，經(jīng)過多次調(diào)試和測試試驗(yàn)后，順利實(shí)現(xiàn)動態(tài)防撞、保護(hù)嬰兒等功能。本文設(shè)計(jì)的嬰兒學(xué)步車經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)可以投入市場應(yīng)用，能夠有效保護(hù)嬰兒學(xué)步安全，應(yīng)用面廣、實(shí)用性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用前景。