CN106680802A - 基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，通过无线电与位于看护人员身上的信号发射装置建立连接进行匹配；解析无线电信号的强度，根据信号强度与距离间的关系，得到看护人员与轮椅间的相对定位；通过无线电接收信号发射装置的角速度，以及得到的看护人员与轮椅间的相对定位，计算出轮椅应当具有的线速度和转向速度，控制轮椅控制模块。本发明基于无线电信号连接，适用于近距离的跟随，利用无线电信号的强度对距离进行判断准确性高，不易受环境因素干扰，响应速度快，实现轮椅对看护人员的自动跟随，省去了人为控制，让使用者更加便捷舒适，只需要将信号发射装置设置在同一位看护人员即可同时照看多位轮椅使用者，提高看护效率。

Description

基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法及系统

技术领域

本发明属于智能轮椅领域，具体涉及一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法及系统。

背景技术

随着信息和通信技术的不断进步，科技正在融入到我们的日常生活，并带来了无限的便利与舒适。随着人口老龄化的加剧，人们对弱势群体的关心达到了一个新的高度，因此科学有效的为老年人、残疾人这样的弱势群体提供便捷的移动服务具有十分重要的意义。现有的电动轮椅能够让使用者通过操纵杆等传感设备来控制轮椅运行状态。但是当有看护人员伴行时仍需使用者自己控制，人与轮椅间的交互方式太过单一，不具备智能性。

当今轮椅的发展趋势是人性化、智能化、多功能化。目前虽然已经有一些自动跟随系统，但是多为理论研究，极少应用在实际生活，特别是智能轮椅这一场景中。且这些跟随系统一般利用超声波测距或者视觉识别来实现跟随，但是在超声波跟随系统中由于环境干扰、人体衣服对超声波的吸收等因素，使得超声波测距的准确性较低，因此难以实现快速准确的跟随。而当前视觉算法在具体应用中实时性较差，物体检测算法的鲁棒性不足，且算法只适用于特定的场景模型，需要特定的光照条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法及系统，基于无线电信号连接，适用于近距离的跟随，且利用无线电信号的强度来对距离进行判断准确性高，不易受环境因素干扰。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、通过无线电与位于看护人员身上的信号发射装置建立连接进行匹配；

S2、解析无线电信号的强度，根据信号强度与距离间的关系，得到看护人员与轮椅间的相对定位；

S3、通过无线电接收信号发射装置的角速度ω_T，以及S2得到的看护人员与轮椅间的相对定位，计算出轮椅应当具有的线速度和转向速度，控制轮椅控制模块。

按上述方法，所述的S1具体为：通过均设在轮椅四周的4个无线电接收模块接收无线电信号；以轮椅前进方向为前方，4个无线电接收模块的具体位置为：左前方的F2、左后方的B2、右前方的F1、右后方的B1，且F1、F2、B2、B1构成正方形；

所述的S2具体为：

2.1、根据左右两侧的信号强度大小判断出看护人员在轮椅的哪一侧：

若且则判断目标在轮椅右侧；

若且则判断目标在轮椅左侧；

所述和分别为F1、F2、B1、B2与信号发射装置之间的信号强度，ΔP₁为方向判断阈值；

2.2、根据四个信号强度综合判断看护人员相对轮椅的位置：

右侧信号强度之差左侧信号强度之差则总的信号强度之差ΔP为

ΔP＝w_rΔP_r+w_lΔP_l

其中，w_l和w_r为左右两侧的权重，若看护人员在轮椅左侧则取w_l>w_r，若看护人员在轮椅右侧则取w_l<w_r；

根据ΔP的大小判断出看护人员相对于轮椅的位置，若ΔP>0，则看护人员处于左前方或右前方；若ΔP<0，则看护人员处于左后方或右后方，结合2.1的结果进行进一步的确认。

按上述方法，所述的S3具体为：

轮椅转向速度ω取ω_T的N次平均值；N为预设值；

取跟随阈值ΔP₂，当-ΔP₂<ΔP<ΔP₂时，设轮椅线速度v(k)为0；否则采用PID控制算法对轮椅线速度进行控制。

按上述方法，所述的采用PID控制算法对轮椅线速度进行控制，具体为以下公式：

式中，k_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，T为采样周期，k为采样序号，ΔP(k)为第k次采样得到的总的信号强度之差。

一种用于实现所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法的轮椅系统，包括操纵杆和轮椅控制模块，其特征在于：它还包括用于设置在看护人员身上的信号发射装置，和位于轮椅上的信号处理模块；其中，

所述的信号发射装置包括依次连接的角速度传感器、微处理器和无线电发射模块；

信号处理模块包括依次连接的用于无线电发射模块无线电连接的无线电接收模块、微处理器和DA转换模块，其中所述的操纵杆与微处理器连接，DA转换模块的输出端与所述的轮椅控制模块连接；

所述的轮椅控制模块包括依次连接的轮椅控制信号接口、驱动模块和电机，其中电机包括左电机和右电机。

按上述系统，以轮椅前进方向为前方，所述的无线电接收模块包括4个，分别设置在轮椅的左前方、左后方、右前方和右后方，4个无线电接收模块构成正方形。

本发明的有益效果为：

1、基于无线电信号连接，适用于近距离的跟随，且利用无线电信号的强度来对距离进行判断准确性高，不易受环境因素干扰，响应速度快，实现轮椅对伴行看护人员的自动跟随，省去了人为控制，让使用者更加便捷舒适，只需要将信号发射装置设置在同一位看护人员即可同时照看多位轮椅使用者，提高看护效率。

2、通过采用4个无线电接收模块组合来确定看护人员与轮椅之间的位置关系，更为精确。

3、通过对不同的距离来采取不同的速度控制措施，准确的保持了轮椅与看护人员的合理距离，即便于跟随，又不易发生追尾事故。

附图说明

图1为本发明一实施例的控制流程图。

图2为本发明一实施例的定位跟随原理图。

图3为本发明一实施例的信号发射装置结构示意图。

图4为本发明一实施例的轮椅跟随系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，如图1所示，它包括以下步骤：

S1、通过无线电与位于看护人员身上的信号发射装置建立连接进行匹配；具体为：通过均设在轮椅四周的4个无线电接收模块接收无线电信号；如图2所示，以轮椅前进方向为前方，4个无线电接收模块的具体位置为：左前方的F2、左后方的B2、右前方的F1、右后方的B1，且F1、F2、B2、B1构成正方形，以该正方形的中心点为原点，水平向右为x轴正方向，向前为y轴正方向，图2中T为看护人员相对于轮椅的实际位置，T′为看护人员相对于轮椅的期望位置。

S2、解析无线电信号的强度，根据信号强度与距离间的关系，得到看护人员与轮椅间的相对定位；具体为：

2.1、根据左右两侧的信号强度大小判断出看护人员在轮椅的哪一侧：

若且则判断目标在轮椅右侧(即图2中的A或B区域)；

若且则判断目标在轮椅左侧(即图2中的C或D区域)；

所述和分别为F1、F2、B1、B2与信号发射装置之间的信号强度，ΔP₁为方向判断阈值；

2.2、根据四个信号强度综合判断看护人员相对轮椅的位置：

右侧信号强度之差左侧信号强度之差则总的信号强度之差ΔP为

ΔP＝w_rΔP_r+w_lΔP_l

其中，w_l和w_r为左右两侧的权重，若看护人员在轮椅左侧则取w_l>w_r，若看护人员在轮椅右侧则取w_l<w_r；

根据ΔP的大小判断出看护人员相对于轮椅的位置，若ΔP>0，则看护人员处于左前方或右前方(即A或C区域)；若ΔP<0，则看护人员处于左后方或右后方(即B或D区域)，结合2.1的结果进行进一步的确认。

S3、通过无线电接收信号发射装置的角速度ω_T，以及S2得到的看护人员与轮椅间的相对定位，计算出轮椅应当具有的线速度和转向速度，控制轮椅控制模块。具体为：

轮椅转向速度ω取ω_T的N次平均值；N为预设值，根据信号处理中的滤波方法设定，一般取4来剔除异常数据。

取跟随阈值ΔP₂，当-ΔP₂<ΔP<ΔP₂时，认为看护人相对于轮椅在合适范围内，轮椅线速度不需要进行控制，设轮椅线速度v(k)为0；否则当ΔP超出跟随阈值时，认为看护人相对于有较大距离，需要控制轮椅速度实现跟随。当ΔP>ΔP₂时轮椅应前进，当ΔP<-ΔP₂时轮椅应后退。采用PID控制算法对轮椅线速度进行控制，具体为以下公式：

式中，k_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，T为采样周期，k为采样序号，ΔP(k)为第k次采样得到的总的信号强度之差。

一种用于实现所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法的轮椅系统，包括操纵杆和轮椅控制模块，它还包括用于设置在看护人员身上的信号发射装置，和位于轮椅上的信号处理模块；其中，

所述的信号发射装置如图3所示，包括依次连接的角速度传感器、微处理器和无线电发射模块；具体应用时，可以佩戴在看护人员的腰间，还可以设置开关按钮，电源模块为必备的，为其它模块提供电能，本实施例中角速度传感器为陀螺仪，无线电发射模块可以选用蓝牙、WiFi或者ZigBee等成熟的模块。

如图4所示，信号处理模块包括依次连接的用于无线电发射模块无线电连接的无线电接收模块、微处理器和DA转换模块，其中所述的操纵杆与微处理器连接，DA转换模块的输出端与所述的轮椅控制模块连接；所述的轮椅控制模块包括依次连接的轮椅控制信号接口、驱动模块和电机，其中电机包括左电机和右电机。

优选的，以轮椅前进方向为前方，所述的无线电接收模块包括4个，分别设置在轮椅的左前方、左后方、右前方和右后方，4个无线电接收模块构成正方形。

本实施例中，操纵杆作为主动介入按钮，只要操纵杆有信号输入，则优先操纵杆的信号；当没有操纵杆信号时，才启动自动跟随。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、通过无线电与位于看护人员身上的信号发射装置建立连接进行匹配；

S2、解析无线电信号的强度，根据信号强度与距离间的关系，得到看护人员与轮椅间的相对定位；

S3、通过无线电接收信号发射装置的角速度ω_T，以及S2得到的看护人员与轮椅间的相对定位，计算出轮椅应当具有的线速度和转向速度，控制轮椅控制模块。

2.根据权利要求1所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，其特征在于：所述的S1具体为：通过均设在轮椅四周的4个无线电接收模块接收无线电信号；以轮椅前进方向为前方，4个无线电接收模块的具体位置为：左前方的F2、左后方的B2、右前方的F1、右后方的B1，且F1、F2、B2、B1构成正方形；

所述的S2具体为：

2.1、根据左右两侧的信号强度大小判断出看护人员在轮椅的哪一侧：

若且，则判断目标在轮椅右侧；

若且，则判断目标在轮椅左侧；

所述和分别为F1、F2、B1、B2与信号发射装置之间的信号强度，ΔP₁为方向判断阈值；

2.2、根据四个信号强度综合判断看护人员相对轮椅的位置：

右侧信号强度之差，左侧信号强度之差，则总的信号强度之差ΔP为

ΔP＝w_rΔP_r+w_lΔP_l

其中，w_l和w_r为左右两侧的权重，若看护人员在轮椅左侧则取w_l>w_r，若看护人员在轮椅右侧则取w_l<w_r；

根据ΔP的大小判断出看护人员相对于轮椅的位置，若ΔP>0，则看护人员处于左前方或右前方；若ΔP<0，则看护人员处于左后方或右后方，结合2.1的结果进行进一步的确认。

3.根据权利要求1所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，其特征在于：所述的S3具体为：

轮椅转向速度ω取ω_T的N次平均值；N为预设值；

取跟随阈值ΔP₂，当-ΔP₂<ΔP<ΔP₂时，设轮椅线速度v(k)为0；否则采用PID控制算法对轮椅线速度进行控制。

4.根据权利要求3所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法，其特征在于：所述的采用PID控制算法对轮椅线速度进行控制，具体为以下公式：

$v\left(k\right)=k_P\{\mathrm{\&Delta;}P\left(k\right)+\frac{1}{T_I}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}T\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}P\left(j\right)+T_D\frac{\mathrm{\&Delta;}P\left(k\right)-\mathrm{\&Delta;}P(k-1)}{T}\}$

式中，k_P为比例系数，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，T为采样周期，k为采样序号，ΔP(k)为第k次采样得到的总的信号强度之差。

5.一种用于实现权利要求1所述的基于无线电信号强度的轮椅自动跟随方法的轮椅系统，包括操纵杆和轮椅控制模块，其特征在于：它还包括用于设置在看护人员身上的信号发射装置，和位于轮椅上的信号处理模块；其中，

所述的信号发射装置包括依次连接的角速度传感器、微处理器和无线电发射模块；

信号处理模块包括依次连接的用于无线电发射模块无线电连接的无线电接收模块、微处理器和DA转换模块，其中所述的操纵杆与微处理器连接，DA转换模块的输出端与所述的轮椅控制模块连接；

所述的轮椅控制模块包括依次连接的轮椅控制信号接口、驱动模块和电机，其中电机包括左电机和右电机。

6.根据权利要求5所述的轮椅系统，其特征在于：以轮椅前进方向为前方，所述的无线电接收模块包括4个，分别设置在轮椅的左前方、左后方、右前方和右后方，4个无线电接收模块构成正方形。