CN104020446B - 一种智能护理床中自主导航定位系统及定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能护理床的自主导航定位系统，该自主导航定位系统定位出作为移动物体的移动轮椅相对于作为目标的机器人护理床的位姿和运动方向，该自主导航定位系统包括有两组超声波模块、机器人护理床发射与接收控制模块和移动轮椅发射与接收控制模块，两个发射与接收控制模块上均设有用于相互通讯的无线部件；定位导航方法基于双耳定位原理，分别获取两组超声波模块中超声波发射端和超声波接收端的超声波传输时间，以使超声波发射端和超声波接收端形成等腰三角形布局，保持移动轮椅在机器人护理床的中轴线上移动，且移动轮椅的侧面与机器人护理床侧面处于平行状态。本发明智能护理床实现了超声波跟踪、精确定位和导航的目的。

Description

一种智能护理床中自主导航定位系统及定位导航方法

技术领域

本发明涉及超声波定位领域，具体涉及到超声波定位技术在智能护理床中的应用。

背景技术

康复护理服务的手段可分为医疗康复护理和护理辅具康复两大类。其中，护理辅具康复是指利用康复护理辅助器具为残疾人、老年人、伤病人等残障者提供补偿、替代、治疗的手段和方法。残障者要最大限度的实现生活自理，参与社会活动，安全放心、舒适的移动辅具是必不可少的。但要从卧床状态转移至移动器具上，必需护理人员的帮助，而且转移时还有跌落的危险。机器人护理床是一种新型康复护理移动辅助器具，具有操作手柄、语音、触摸自主导航等多模态人机交互功能，在保持安全舒适的姿态下，机器人护理床可变形成床或移动物体轮椅，不仅可减轻护理人员转移患者时的负担，而且还减少了对患者跌落的担心。

机器人护理床在实时避障和路径规划过程中要实现移动机器人的自主导航，所面临的一个关键技术问题就是：如何获取的外部环境信息、感知障碍物和目标、测量障碍物，并精确定位目标。目前，常见的定位方式有电磁定位、光反射定位、视觉定位、惯导定位、超声波定位等。电磁定位的原理是在路径上连续埋设多条引导电缆，分别流过不同频率的电流，通过感应线圈对电流的检测来感知路径信息。该技术简单实用，但是其成本高，改造和维护困难。光反射定位的原理是在路径上连续铺设光反射条，是一种方式简单，价格便宜的导航系统，但是光反射定位不适合在动态、变结构环境下的移动机器人场合定位。视觉定位的原理是通过图像采集、处理和识别，获得目标的位姿信息。视觉具有精度高的特点，但是实时性差，对环境光有较高的要求，特别是当目标不在视野之内或光线很暗时，视觉定位不适合。惯导定位是通过内部的惯性器件，如陀螺、加速度计等，获取当前位置信息。惯导定位导航系统能保障导航信息在一定时间内的精准。其缺点是随着导航持续，惯性导航会发生偏差，特别是由温度变化、震动引起的，需要算法进行偏差补偿，算法实现较复杂，成本高。超声波定位原理是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制的装置可称为超声换能器、探测器或传感器，当发出脉冲时，超声换能器受到刺激以脉冲形式发出超声波，发射出来的超声波脉冲作用到一个声反射物体上，经过一段时间后，被反射回来的声波被换能器接受，记录与处理反射回声，利用其回声的特征预测目标的距离、形态及其动态改变，进而确定目标的具体位置。超声波传感器不依赖于环境光，而且具有结构简单，体积小，性价比高、非接触式测量等特点。

通常，超声波定位可以通过超声波发射和接收的时间差进行测距，计算出移动物的位姿信息。超声波测距有两种实现方法：1）反射式测距法。反射式测距法就是发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离。2）单向测距法。单向测距法由应答器和主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。超声波测距在世界上已得到广泛应用，而超声波定位系统的研究还不成熟，没有得到广泛推广。但是超声波定位系统价格低廉，精度较高，在市场上具有很大的应用市场。

发明内容

本发明专利针对于现有技术中超声波在空气中的衰减较大，定位精度不高，定位距离短等问题，提供一种新的超声波定位系统和定位方法来适用于智能护理床。本发明智能护理床利用超声波传输特性，使移动目标自动靠近固定目标指定位置，实现超声波跟踪、精确定位和导航的目的。

为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：

一种智能护理床的自主导航定位系统，该自主导航定位系统定位出作为移动物体的移动轮椅相对于作为目标的机器人护理床的位姿和运动方向，其特征在于，该自主导航定位系统包括有两组超声波模块，分别为第一超声波模块和第二超声波模块，第一超声波模块包括有一个第一超声波发射端和两个第一超声波接收端，第二超声波模块包括有一个第二超声波发射端和两个第二超声波接收端，在机器人护理床的侧面中心轴线处安装有所述的第一超声波发射端，在第一超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第二超声波接收端，在移动轮椅的侧面中心轴线处安装有所述的第二超声波发射端，在第二超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第一超声波接收端；在机器人护理床和移动轮椅上各设有一个发射与接收控制模块，分别为机器人护理床发射与接收控制模块和移动轮椅发射与接收控制模块，每个发射与接收控制模块均设有超声波程序单元，其中，机器人护理床发射与接收控制模块分别连接第一超声波发射端和第二超声波接收端，移动轮椅发射与接收控制模块分别连接第二超声波发射端和第一超声波接收端，两个发射与接收控制模块上均设有用于相互通讯的无线部件，两个无线部件完成机器人护理床和移动轮椅之间的数据交换。

在本发明的一种机器人护理床中移动轮椅的自主导航定位系统中，所述的无线部件为ISM频段FSK收发模块RFM12B。

一种利用上述的自主导航定位系统进行定位导航的方法，该定位导航方法基于双耳定位原理，分别获取两组超声波模块中超声波发射端和超声波接收端的超声波传输时间，以使每组超声波模块中相应的超声波发射端和超声波接收端形成等腰三角形布局，最终保持移动轮椅在机器人护理床的中轴线上移动，且移动轮椅的侧面与机器人护理床侧面处于平行状态。

在本发明的定位导航方法中，所述机器人护理床控制模块分别连接并控制第一超声波发射端和第二超声波接收端，移动轮椅控制模块分别连接并控制第二超声波发射端和第一超声波接收端，所述发射与接收控制模块对超声波发射端的控制方法是：无线部件发送同步码，同步码发送结束时由超声波发射端发送超声波信号，延时几毫秒后，再由无线部件发送出反馈数据的命令，并由该无线部件接收到反馈数据后，由超声波程序单元计算两个超声波接收端所反馈数据的时间差，并根据时间差向移动轮椅发出调整姿势的指令；所述发射与接收控制模块对超声波接收端的控制方法是：当无线部件接收到同步码后，启动定时器，进行两路中断定时，等待超声波信号，当收到超声波信号后，两路的信号定时中断，存储数据并等待无线反馈数据指令，收到无线反馈数据指令后，反馈数据给超声波程序单元，该超声波程序单元设置于发射与接收控制模块中。

在本发明的定位导航方法中，所述超声波程序单元的判断过程如下：当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于绕机器人护理床中轴线转动的状态；当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间逐渐变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于靠近机器人护理床中轴线方向移动的状态；当超声波直射接收第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间逐渐变大时，超声波程序单元判定移动轮椅处于远离机器人护理床中轴线方向移动的状态；

当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行于机器人护理床中轴线移动的状态；当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间逐渐变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行靠近机器人护理床中轴线的状态；当超声波直射接收第二超声波接收端E与第二超声波接收端F时间逐渐变大时，超声波定位块判定单元移动轮椅处于平行远离机器人护理床中轴线的状态。

在本发明专利的自动导航系统及自主导航方法与现有技术相比具有如下技术优点：

1. 本发明的定位导航系统中的发射与接收的控制模块采用一拖二方式，即每组一个超声波发射传感器，两个超声波接收传感器，发射端由单片机组成控制系统产生40KHz的超声波信号，驱动超声波发射传感器发射超声波信号，接收端由单片机组成控制系统采集两个超声波接收传感器收到的超声波信号，本发明通过无线通讯解决了机器人护理床系统中，移动物体轮椅移动机器人与目标护理床上的超声波传感器收射器、接收器分离的问题，结构简单、安装方便、价格便宜。

2. 本发明的超声波传感器的定位模块基于双耳定位原理，获取两组超声波发射和接收传感器的超声波传输时间。床体超声波传感器的作用是保持移动物体轮椅处于目标护理床的中轴线处运动，超声接收时间长的那侧往床体移动，直到两组超声波接收时间差最小为止，此时超声波发射传感器和两个超声波接收传感器趋于等腰三角形。移动物体轮椅超声波传感器，是使移动物体轮椅在中轴线上向目标护理床移动过程中，移动轮椅车侧面与护理床侧面处于平行状态。

附图说明

图1 为本发明一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统及定位方法中超声波传感器的安装布置示意图。

图2为本发明一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统及定位方法中超声波传感器控制示意图。

图3为本发明一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统及定位方法中定位系统的框图。

图4为本发明一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统及定位方法中程序单元对超声波发送端的控制流程图。

图5为本发明一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统及定位方法中程序单元对超声波接收端的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施步骤对本发明的智能护理床自主导航中的超声波定位方法作进一步的详细阐述，以求更清楚明了地理解本发明的组成结构和工作原理，但不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1，本发明主要是一种智能护理床的自主导航定位系统，该自主导航定位系统定位出作为移动物体的移动轮椅相对于作为目标的机器人护理床的位姿和运动方向。该自主导航定位系统包括有两组超声波模块，分别为第一超声波模块和第二超声波模块，第一超声波模块包括有一个第一超声波发射端和两个第一超声波接收端，第二超声波模块包括有一个第二超声波发射端和两个第二超声波接收端，在机器人护理床的侧面中心轴线处安装有所述的第一超声波发射端，在第一超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第二超声波接收端，在移动轮椅的侧面中心轴线处安装有所述的第二超声波发射端，在第二超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第一超声波接收端。

在机器人护理床和移动轮椅上各设有一个发射与接收控制模块，分别为机器人护理床发射与接收控制模块和移动轮椅发射与接收控制模块，每个发射与接收控制模块均设有超声波程序单元。其中，机器人护理床发射与接收控制模块分别连接第一超声波发射端和第二超声波接收端，移动轮椅发射与接收控制模块分别连接第二超声波发射端和第一超声波接收端。

两个发射与接收控制模块上均设有用于相互通讯的无线部件，两个无线部件完成机器人护理床和移动轮椅之间的数据交换。在本发明专利申请中，所述的无线部件为ISM频段FSK收发模块RFM12B。

在本发明的一种机器人护理床中移动轮椅的自主导航定位系统中，超声波发射端和超声波接收端均为超声波传感器，以及发射与接收控制模块中包括有控制板和控制软件，即在每个发射与接收控制模块均设有超声波程序单元，作为超声波程序单元的控制软件分为发射端软件和接收端软件两部分。

图1是本发明的一种机器人护理床自主导航中的超声波定位方法的超声波传感器安装布置示意图。基于超声波直射方式，在移动轮椅和机器人护理床上安装布置多个超声波传感器。其中，A、D 点为超声波发射头，即第一超声波发射端A和第二超声波发射端D，B、C、E、F点为超声波接收头，即第一超声波接收端B、第一超声波接收端C、第二超声波接收端E和第二超声波接收端F。其中A、B、C为一组机器人护理床上的床体超声波传感器，作用是保持移动轮椅在作为移动目标的机器人护理床的中轴线上来回运动。D、E、F为一组移动轮椅超声波传感器，作用是使移动物体轮椅在中轴线上向作为固定目标的机器人护理床移动。

再请看图2，本发明的一种机器人护理床自主导航中的超声波定位系统中设有超声波传感器发射和接收控制模块，由机器人护理床发射与接收控制模块和移动轮椅发射与接收控制模块组成。其中，机器人护理床发射与接收控制模块分别连接第一超声波发射端A、第二超声波接收端E与第二超声波接收端F，并含有一块作为无线通讯硬件模块的无线部件，通常为ISM频段FSK收发模块RFM12B。移动轮椅发射与接收控制模块分别连接第二超声波发射端D和第一超声波接收端B与第一超声波接收端C，并含有一块作为无线通讯硬件模块的无线部件，通常为ISM频段FSK收发模块RFM12B。通过上述无线部件来完成机器人护理床和移动轮椅之间的数据交换。

无论是机器人护理床发射与接收控制模块，还是移动轮椅发射与接收控制模块，发射与接收控制模块对超声波发射端控制方式为：发射与接收控制模块先控制无线部件发送同步码，在同步码发送结束时，由超声波发射端发送超声波信号，在延时几毫秒后，再通过无线部件发送指令至接收端，该指令是要求接收端向发射端反馈数据的命令，当无线部件接收到反馈回来的反馈数据后，由超声波程序单元来计算时间差，然后根据计算结果来给移动轮椅发送调整姿势指令。

无论是机器人护理床发射与接收控制模块，还是移动轮椅发射与接收控制模块，发射与接收控制模块对超声波接收端的控制方式为：在控制模块的无线部件收到同步码后，启动定时器，实现两个接收端的两路中断定时，等待超声波信号；当收到超声波信号后，两个接收端的两路中断定时，存储时间差数据，并等待无线部件接收反馈数据的指令，接收到反馈数据的指令后，通过无线部件将反馈数据给超声波程序单元。

参考图3，本发明的一种机器人护理床自主导航中的超声波定位方法的定位模块，根据双耳定位原理，可以精确定位出移动物体轮椅与目标护理床的位姿和运动方向，双耳定位原理不仅能够判定移动物体的方位，同时也能够判定移动物体的远近。

当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于绕机器人护理床中轴线转动的状态；当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于靠近机器人护理床中轴线方向移动的状态；当超声波直射接收第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间变大时，超声波程序单元判定移动轮椅处于远离机器人护理床中轴线方向移动的状态；当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行于机器人护理床中轴线移动的状态；当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行靠近机器人护理床中轴线的状态；当超声波直射接收第二超声波接收端E与第二超声波接收端F时间变大时，超声波定位块判定单元移动轮椅处于平行远离机器人护理床中轴线的状态。

本发明运用两耳定位原理，不需要通过计算，就能精确判定移动物体轮椅的位姿和远近，提高了机器人护理床系统的定位精度和响应速度。直到两组超声波接收时间差最小为止，此时超声波发射传感器和两个超声波接收传感器趋于等腰三角形。本发明采用超声波直射方式，只需比较超声波传输时间，不用计算，避免了超声波在空气中的衰减较大、定位精度不高，定位距离短等问题，提高了超声波传感器的灵敏度和使用范围。

Claims (5)

1.一种智能护理床的自主导航定位系统，该自主导航定位系统定位出作为移动物体的移动轮椅相对于作为目标的机器人护理床的位姿和运动方向，其特征在于，该自主导航定位系统包括有两组超声波模块，分别为第一超声波模块和第二超声波模块，第一超声波模块包括有一个第一超声波发射端和两个第一超声波接收端，第二超声波模块包括有一个第二超声波发射端和两个第二超声波接收端，在机器人护理床的侧面中心轴线处安装有所述的第一超声波发射端，在第一超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第二超声波接收端，在移动轮椅的侧面中心轴线处安装有所述的第二超声波发射端，在第二超声波发射端的两侧等距离位置处各设有一个所述的第一超声波接收端；在机器人护理床和移动轮椅上各设有一个发射与接收控制模块，分别为机器人护理床发射与接收控制模块和移动轮椅发射与接收控制模块，每个发射与接收控制模块均设有超声波程序单元，其中，机器人护理床发射与接收控制模块分别连接第一超声波发射端和第二超声波接收端，移动轮椅发射与接收控制模块分别连接第二超声波发射端和第一超声波接收端，两个发射与接收控制模块上均设有用于相互通讯的无线部件，两个无线部件完成机器人护理床和移动轮椅之间的数据交换。

2.根据权利要求1所述的一种智能护理床的自主导航定位系统，其特征在于，所述的无线部件为ISM频段FSK收发模块RFM12B。

3.一种利用权利要求1所述的自主导航定位系统进行定位导航的方法，其特征在于，该定位导航方法基于双耳定位原理，分别获取两组超声波模块中超声波发射端和超声波接收端的超声波传输时间，以使每组超声波模块中相应的超声波发射端和超声波接收端形成等腰三角形布局，最终保持移动轮椅在机器人护理床的中轴线上移动，且移动轮椅的侧面与机器人护理床侧面处于平行状态。

4.根据权利要求3所述的定位导航方法，其特征在于，所述的双耳定位是指两个第一超声波接收端同时接收一个第一超声波发射端的超声波信号，以及两个第二超声波接收端同时接收一个第二超声波发射端的超声波信号，所述机器人护理床发射与接收控制模块分别连接并控制第一超声波发射端和第二超声波接收端，移动轮椅发射与接收控制模块分别连接并控制第二超声波发射端和第一超声波接收端；

所述发射与接收控制模块对超声波发射端的控制方法是：无线部件发送同步码，同步码发送结束时由超声波发射端发送超声波信号，延时几毫秒后，再由无线部件发送出要求反馈数据的命令，并由该无线部件接收到反馈数据后，由超声波程序单元计算两个超声波接收端所反馈数据的时间差，并根据时间差向移动轮椅发出调整姿势的指令；

所述发射与接收控制模块对超声波接收端的控制方法是：当无线部件接收到同步码后，启动定时器，进行两路中断定时，等待超声波信号，当收到超声波信号后，两路的信号定时中断，存储数据并等待无线反馈数据指令，收到无线反馈数据指令后，反馈数据给超声波程序单元，该超声波程序单元设置于发射与接收控制模块中。

5.根据权利要求3所述的定位导航方法，其特征在于，所述超声波程序单元的判断过程如下：当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于绕机器人护理床中轴线转动的状态；当超声波直射到第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间逐渐变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于靠近机器人护理床中轴线方向移动的状态；当超声波直射接收第一超声波接收端B与第一超声波接收端C的时间逐渐变大时，超声波程序单元判定移动轮椅处于远离机器人护理床中轴线方向移动的状态；

当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间相等时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行于机器人护理床中轴线移动的状态；当超声波直射第二超声波接收端E与第二超声波接收端F的时间逐渐变小时，超声波程序单元判定移动轮椅处于平行靠近机器人护理床中轴线的状态；当超声波直射接收第二超声波接收端E与第二超声波接收端F时间逐渐变大时，超声波定位块判定单元移动轮椅处于平行远离机器人护理床中轴线的状态。