CN104382710A - 一种智能轮椅床系统的床椅自动对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，用于控制智能轮椅与辅助床体的自动对接。该方法包括：固定在辅助床体的人工路标单元以及安装于智能轮椅后方的视觉感知系统单元。通过视觉感知系统单元获得人工路标信息，并传输给嵌入式上位机。由嵌入式上位机完成基于人工路标的智能轮椅定位和运动规划，实现智能轮椅与辅助床体的自主对接。本方法通过人工路标的自动识别，智能轮椅的自主定位和运动规划，完成了智能轮椅与辅助床体的自主对接，具有较高的对接精确度，降低了床椅一体化系统的使用难度，方便了使用者的使用。

Description

一种智能轮椅床系统的床椅自动对接方法

技术领域

本发明涉及视觉伺服及运动控制领域，特别涉及智能轮椅床控制系统的床椅自动对接方法。

背景技术

随着社会老龄化问题的日益严峻，各类残疾人和长期卧床病人大量存在并持续增长，使医疗和护理工作面临前所未有的压力，助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。基于床椅一体化设计的智能轮椅床系统，能够为老年人和残疾人提供更强的独立生活能力，降低护理人员的工作强度，对于提高老年人和残疾人的生活质量，确保社会持续稳定发展具有重要的现实意义。

智能轮椅床系统中的一个关键性问题是智能轮椅与辅助床体的对接问题。根据采用方法的不同，可以分为机械式和自动对接式。机械式对接方法主要是依靠特定的机械导向机构，完成智能轮椅与床体的对接。小飞哥电动车公司开发的一种智能轮椅床系统，其床体采用U形开口设计，在床体下端安装对接导轨。智能轮椅后部下端安装了导向轮，在对接时用户操作轮椅缓慢倒向床体，在导向轮进入导轨之后，即可顺利完成床椅对接。这种对接方式实现起来比较简单，但是用户在倒向床体的过程中，无法看到后方的具体情况，很难顺利控制导向轮进入导轨，因此实用度不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于具有人工路标和视觉感知系统的智能轮椅床系统，提出了一种面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，该方法通过智能轮椅的自主定位和运动规划实现床椅对接，具有较高的自主性和鲁棒性。

本发明技术方案基于以下智能轮椅床系统而提出的：在辅助床体上安装人工路标，在智能轮椅后方安装视觉感知系统；由视觉感知系统识别固定在辅助床体上的人工路标，并将信息传输给嵌入式上位机。嵌入式上位机根据人工路标信息完成智能轮椅自主定位和运动规划，并控制智能轮椅电机驱动单元完成与辅助床体的自主对接。其中人工路标由红外发光二极管组成，安装于辅助床体床头正下方，固定在床体上。视觉感知系统包括一个摄像机、一块智能图像采集处理卡，所述摄像机设置有滤光片用于滤除红外光以外的有色光，安装于轮椅后部下方。摄像机用于感知轮椅后方的环境图像；智能图像采集处理卡通过视频线与摄像机连接，用以接收摄像机发送来的图像信号，并根据图像信号识别出辅助床体上的人工路标信息，发送至嵌入式上位机。

本发明面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，包括以下步骤：

步骤1：在辅助床体上安装人工路标，在智能轮椅后方安装用于识别人工路标的视觉感知系统；

步骤2：通过视觉感知系统采集轮椅后部图像，并进行阈值分割和连通域分析，得到图像中人工路标的图像坐标；

步骤3:依据人工路标的图像坐标，通过智能轮椅的嵌入式上位机计算出智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角；

步骤4：智能轮椅的嵌入式上位机依据智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角，进行自动对接路径规划；

步骤5：根据自动对接路径规划，通过智能轮椅的嵌入式上位机设计出智能轮椅自动对接运动的运动学模型，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

优选的，智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角的计算，包括以下步骤：

步骤31：在人工路标上建立世界坐标系，通过测量获得人工路标在世界坐标系下的坐标，标定摄像机内参；

步骤32：利用点透视问题的解法计算出摄像机外参；

步骤32：标定摄像机坐标系与智能轮椅坐标系之间的单应性矩阵，依据摄像机外参计算出智能轮椅在世界坐标系下的位置和姿态角。

优选的，对接运动步骤包括：

步骤A1：通过对人工路标的识别计算智能轮椅初始位置坐标，设定辅助床体边缘中心点位置坐标后，进行路径规划，通过闭环控制算法运动至辅助床体纵向边缘中心点位置坐标处；

步骤A2：构建一个处于对接状态下的虚拟智能轮椅，建立其延辅助床体纵中轴线匀速移出的运动模型，计算出移出过程中各时刻采集点下智能轮椅的位姿信息；

步骤A3：利用上述的位姿信息计算智能轮椅当前位置和姿态角的反馈误差，控制智能轮椅平滑运动到虚拟智能轮椅移出后的位置坐标；

步骤A4：再次通过对人工路标进行识别计算智能轮椅当前位置坐标，消除之前航迹推演导航阶段的累积误差；

步骤A5：进行自动对接路径规划，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

优选的，人工路标设置于辅助床体床头正下方。

优选的，人工路标由红外发光二极管组成。

优选的，红外发光二极管有三个，分别设置于一个边长为10cm的等腰直角三角形的顶点。

本发明通过人工路标的自动识别，智能轮椅的自主定位和运动规划，完成了智能轮椅与辅助床体的自主对接，具有较高的对接精确度，降低了床椅一体化系统的使用难度，方便了使用者的使用；通过路径规划和虚拟智能轮椅运动状态的建模，使智能轮椅的对接运动更加流畅平顺，而且增加了对接精确度。

附图说明

图1为本发明的总体流程图；

图2为本发明基于视觉引导的自主对接方法流程图；

图3为本发明基于人工路标的智能轮椅姿态计算流程图；

图4为本发明智能轮椅运动控制流程图；

图5为本发明智能轮椅运动控制轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明进行详细描述。

本发明用于智能轮椅床系统的床椅自动对接模式，可以实现一键式泊位，降低使用者操作难度，方便使用者的使用。本发明首先在辅助床体床头正下方安装人工路标，在智能轮椅后部下方安装摄像机。当智能轮椅进入泊位区后，由使用者通过人机交互方式下达床椅对接指令。智能轮椅通过原地旋转的自主运动在摄像机视野内搜索人工路标，在搜索到人工路标之后，由视觉感知系统计算人工路标的图像坐标，并将人工路标信息传递给嵌入式上位机。嵌入式上位机完成智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角，进而完成智能轮椅的运动规划，并控制智能轮椅实现与辅助床体的自主对接。

上述人工路标为由3个红外发光二极管组成，3个红外发光二极管分别位于直角边边长为10cm的等腰直角三角形的3个顶点，红外发光二极管的波长为850nm；

上述视觉感知系统包括一个摄像机、一块智能图像采集处理卡。其中摄像机安装有滤光片以滤除红外光以外的有色光。智能图像采集处理卡可以采用基于DSP+FPGA的图像处理模式，由FPGA完成基本的图像处理，包括滤波和边缘提取，由DSP完成阈值分割和连通域分析。

如图1和图2所示本实施例面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法步骤如下：

步骤S41：利用视觉感知系统的智能图像采集处理卡对摄像机所发送来的轮椅后部图像进行阈值分割和连通域分析，得到图像中所蕴含的红外发光二极管的图像坐标；

步骤S42：将3个红外发光二极管光源在图像中的坐标信息发送至嵌入式上位机，上位机完成基于点透视问题(P3P)方法的摄像机外参计算并进而计算智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角；

步骤S43：嵌入式上位机根据计算出的智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角，完成自动对接路径规划；

步骤S44：根据自动对接路径规划，智能轮椅通过智能轮椅的嵌入式上位机设计出智能轮椅设自动对接运动的运动学模型，根据轮椅的运动学模型计算出轮椅两轮的速度，采用闭环控制算法实现轮椅本体与辅助床体的对接控制。

如图3所示，智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角计算方法步骤如下：

步骤S51：在人工路标上建立世界坐标系，3个红外发光二极管在世界坐标系下的坐标可以通过测量得到，摄像机固定于轮椅上，其内参通过标定获得；

步骤S52：利用通用的P3P问题解法计算出摄像机外参；

步骤S53：摄像机坐标系与智能轮椅坐标系之间的单应性矩阵通过标定获得，由摄像机外参计算出智能轮椅在世界坐标系下的位置和姿态角。

如图4和图5所示，智能轮椅与辅助床体的对接运动控制方法，具体实施步骤如下：

步骤S61：假设轮椅长宽分别为l₁和l₂，根据图5中A点初始坐标以及图5中的几何关系，可以计算得到C点的坐标：

$x_C=\frac{-y_A-\frac{l_1}{2}}{\tan {\mathrm{\θ}}_A}$

$y_C=-\frac{l_1}{2}$

则假设t时刻，轮椅的坐标为(x_t y_t θ_t)^T，可以计算得到反馈误差为：

e_x＝x_t一x_C

e_y＝y_t一y_C

$e_t={\mathrm{\θ}}_t-\arctan \frac{y_C-y_t}{x_C-x_t}$

根据反馈误差e＝(e_x e_y e_t)^T，闭环控制轮椅由A运动到C，在这个过程中，轮椅逐渐接近床体。

步骤S62：轮椅到达C点之后，进行原地旋转，直到轮椅的位姿为(x_C y_C θ_C)^T，其中：

${\mathrm{\θ}}_c=\mathrm{\π}+\arctan \frac{y_C-y_D}{x_C-x_D}$

虚拟一个初始位置在B点的智能轮椅，沿直线BD向D点匀速运动，计算出每一时刻虚拟智能轮椅的位姿。轮椅以虚拟智能轮椅为参考，计算每一时刻的反馈误差，控制轮椅平滑运动到D点，缩小X_W方向的误差。

步骤S63：轮椅运动到D点之后，再次对人工路标进行识别，进行自主定位，消除之前航迹推演导航阶段的累积误差。

虚拟一个初始位置在D点的智能轮椅，沿直线DB向B点匀速运动，轮椅以虚拟智能轮椅为参考，控制轮椅平滑运动到B点，到达自动对接目标位置。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在辅助床体上安装人工路标，在智能轮椅后方安装用于识别人工路标的视觉感知系统；

步骤2：通过视觉感知系统采集轮椅后部图像，并进行阈值分割和连通域分析，得到图像中人工路标的图像坐标；

步骤3:依据人工路标的图像坐标，通过智能轮椅的嵌入式上位机计算出智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角；

步骤4：智能轮椅的嵌入式上位机依据智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角，进行自动对接路径规划；

步骤5：根据自动对接路径规划，通过智能轮椅的嵌入式上位机设计出智能轮椅自动对接运动的运动学模型，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角的计算，包括以下步骤：

步骤31：在人工路标上建立世界坐标系，通过测量获得人工路标在世界坐标系下的坐标，标定摄像机内参；

步骤32：利用点透视问题的解法计算出摄像机外参；

步骤32：标定摄像机坐标系与智能轮椅坐标系之间的单应性矩阵，依据摄像机外参计算出智能轮椅在世界坐标系下的位置和姿态角。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对接运动步骤包括：

步骤A1：通过对人工路标的识别计算智能轮椅初始位置坐标，设定辅助床体边缘中心点位置坐标后，进行路径规划，通过闭环控制算法运动至辅助床体纵向边缘中心点位置坐标处；

步骤A2：构建一个处于对接状态下的虚拟智能轮椅，建立其延辅助床体纵中轴线匀速移出的运动模型，计算出移出过程中各时刻采集点下智能轮椅的位姿信息；

步骤A3：利用上述的位姿信息计算智能轮椅当前位置和姿态角的反馈误差，控制智能轮椅平滑运动到虚拟智能轮椅移出后的位置坐标；

步骤A4：再次通过对人工路标进行识别计算智能轮椅当前位置坐标，消除之前航迹推演导航阶段的累积误差；

步骤A5：进行自动对接路径规划，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，人工路标设置于辅助床体床头正下方。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，人工路标由红外发光二极管组成。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，红外发光二极管有三个，分别设置于一个边长为10cm的等腰直角三角形的顶点。