CN113288608B - 一种电动轮椅室内自动驾驶方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动轮椅室内自动驾驶方法，驾驶人操控电动轮椅在室内移动，数据处理器根据电动轮椅的运动模型建立室内地图；在所建立的室内地图上标记出预计电动轮椅经常停留位置，并存储电动轮椅位姿；根据室内地图上的电动轮椅当前位置，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上经常停靠位置间的室内导航；根据所建立的室内导航，控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置，并根据停靠位置所建立的轮椅位姿完成停靠。数据处理器通过室内地图及在地图上标记的预停留位置，实时计算当前位置与预停靠位置间行程信息，并转化为控制器对电动轮椅各个轮的速度和方位的控制，自动达到预停靠位置，完成预定位姿的停靠，便于驾驶者快速到达室内预停留区域。

Description

一种电动轮椅室内自动驾驶方法
技术领域
本发明涉及代步车技术领域，具体涉及一种电动轮椅室内自动驾驶方法，适合于室内，可根据驾驶者生活习惯所形成的轨迹地图实现驾驶者意向驾驶，使驾驶者快速到达室内经常到达的位置。
背景技术
电动轮椅与传统的电动代步车、电瓶车，自行车等代步工具的根本性的区别在于，其拥有智能化的操纵控制器，通过摇杆式控制器来控制轮椅的行进方向，非常方便在室内和室外进行远距离行驶。电动轮椅已成为行动不便的老年人、残疾人不可缺少的代步工具，适用对象十分广泛，只要使用者意识清晰，认知能力正常，使用电动轮椅是很好的选择。由于人们在室内活动的范围有限，餐桌、卧室、书桌前和客厅区域成为人们在室内经常光顾的地方，每次驾驶者都需要操作摇杆式控制器驱动电动轮椅前往，对于操作摇杆式控制器不便的老年人、残疾人，需要借助家人才能到达要去的地方，操作起来非常不方便。
发明内容
为了解决上述所存在的技术问题，实现不便操作摇杆式控制器的驾驶者快速到达想到达的室内区域，本发明提供了一种电动轮椅室内自动驾驶方法。
所述具体方案如下：
一种电动轮椅室内自动驾驶方法，驾驶人操控电动轮椅在室内移动，数据处理器根据电动轮椅的运动模型建立室内地图；在所建立的室内地图上标记出预计电动轮椅经常停留位置，并存储电动轮椅位姿；根据室内地图上的电动轮椅当前位置，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上经常停靠位置间的室内导航；根据所建立的室内导航，控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置，并根据停靠位置所建立的轮椅位姿完成停靠。
优选地，数据处理器采用Google开源的cartographer算法建立电动轮椅在室内活动的室内地图。
在所建立的室内地图上标记出预计经常停靠位置的方法是：在建图模式下构建地图的同时，使用人工手动标记的方法，通过控制器在各个预计经常停靠位置设置电动轮椅的位姿，并存储。
或优选地，采用使用自主学习的方法，在所建立的室内地图上标记出预计经常停靠位置的方法是：将构建的室内地图栅格化，以电动轮椅停靠位置为中心的栅格使用高斯函数累加；当测定电动轮椅停靠时间大于所设定的时间时，被认定停留位置为经常停靠位置，数据处理器自动在所构建的室内地图上标记出停靠位置，并存储电动轮椅的停靠位姿。
通过控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置的方法是：通过设置在轮椅操控台前方的摄像头和激光雷达定位电动轮椅的当前位置信息，并传输给数据处理器；结合在所构建的室内地图上所建立的室内导航信息，经数据处理器对预停靠位置与电动轮椅当前位置之间的行程进行实时数据计算，生成对电动轮椅速度和方位的控制信息，并传输给控制器，由控制器自动控制电动轮椅行驶至停靠位置。
进一步地，在预停靠位置自动控制电动轮椅位姿的方法是：通过惯性测量单元IMU实时定位电动轮椅在快速运动时的位姿，并将电动轮椅当前位姿信息传输给数据处理器；数据处理器根据在室内地图上所存储的停靠位置电动轮椅的位姿信息，结合电动轮椅当前的位姿信息及摄像头、激光雷达的定位信息，在停靠位置使电动轮椅快速行驶至所设定的位姿。
所建立的室内导航采用ROS(Robot Operating System)中的move_base，生成当前轮椅坐标系下的运动方向和速度，通过电动轮椅的运动模型转换成电动轮椅每个轮需要的速度，发送给电动轮椅上的控制器，控制电动轮椅行驶与定位。
驾驶人选择室内停靠位置的具体方法是：根据驾驶人通过操控把手所给出的行驶方向，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上的最远处停靠位置间的室内导航；若驾驶人途径某一常停靠位置时，驾驶人在靠近需要停靠的位置时通过操控把手给出控制器停靠信号，控制器就近选择已标记的停靠位置，并根据停靠位置所建立的轮椅位姿完成停靠。
所标注的电动轮椅位姿包括电动轮椅的停靠方位及朝向。
本发明技术方案具有如下优点：
A.本发明通过在数据处理器将所构建的室内地图存储在电动轮椅中，同时在室内地图上标注出经常停留的位置，当驾驶人要到达预停留的某一停靠位置时，只需建立当前位置与预停靠位置间的室内导航，通过数据处理器实时计算当前位置与预停靠位置间行程信息，并转化为控制器对电动轮椅各个轮的速度和方位的控制，自动达到预停靠位置，并完成电动轮椅位姿的停靠。
B.本发明优选通过操控把手给出行驶方向，并结合行驶方向上所设定的预停靠位置，根据操控把手所给出的停靠信号，就近选取经常停靠位置，整个操作过程只需驾驶人朝着一个方向拨动操控把手即可，不需要时刻掌控操控把手的方向，非常适合不便于操作摇杆式控制器的驾驶者，给驾驶人带来了方便和很好的驾驶体验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的室内自动驾驶方法原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电动轮椅室内自动驾驶方法，驾驶人操控电动轮椅在室内移动，数据处理器优选采用Google开源的cartographer算法建立室内地图；在所建立的室内地图上标记出预计经常停留位置，并存储电动轮椅位姿；根据室内地图上的电动轮椅当前位置，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上经常停靠位置间的室内导航；根据所建立的室内导航，控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置，并根据停靠位置所建立的轮椅位姿完成停靠。
本发明优选采用Google开源的cartographer算法建立室内地图，其中的Cartographer是Google的开源SLAM地图代码库，是一个实时同步定位与地图系统(SLAM)，提供ROS系统支持2D和3D SLAM库。
本发明在所建立的室内地图上标记出有关经常停靠位置的信息时，开源通过如下两种方法进行电动轮椅方位的标记。其中一种方法是：在建图模式下构建地图的同时，使用人工手动标记的方法，通过控制器在各个预计经常停靠位置设置电动轮椅的位姿，并存储。上述的轮椅位姿包括电动轮椅的停靠位置及朝向。
另一种方法是采用使用自主学习的方法：将构建的室内地图栅格化，以电动轮椅停靠位置为中心的栅格使用高斯函数累加；当测定电动轮椅停靠时间大于所设定的时间时，被认定停留位置为经常停靠位置，数据处理器自动在所构建的室内地图上标记出停靠位置，并存储电动轮椅的停靠位姿。
所采用的标记程序如下：
Figure BDA0003088339710000051
电动轮椅在室内进行自动驾驶，通过控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置。驾驶人可以通过声控或通过眼动、头动等身体语言给出明确的驾驶方向，本发明中优选驾驶人通过触控操控把手，使电动轮椅向着驾驶人给出的操控把手方向行驶。当在行驶方向上存在多个停靠位置时，首先根据驾驶人通过操控把手所给出的行驶方向，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上的最远处停靠位置间的室内导航；若驾驶人途径某一常停靠位置时，驾驶人在靠近需要停靠的位置时，再通过向同一方向触控操控把手，进一步给出控制器的停靠信号，控制器就近选择已标记的停靠位置，并根据停靠位置所建立的轮椅位姿完成停靠。
具体地，通过设置在轮椅操控台前方的摄像头和激光雷达定位电动轮椅的当前位置信息，并传输给数据处理器；结合在所构建的室内地图上所建立的室内导航信息，经数据处理器对预停靠位置与电动轮椅当前位置之间的行程进行实时数据计算，生成对电动轮椅速度和方位的控制信息，并传输给控制器，由控制器自动控制电动轮椅行驶至停靠位置。
当电动轮椅到达需要停靠的位置时，本发明通过惯性测量单元IMU实时定位电动轮椅在快速运动时的位姿，惯性测量单元IMU设置在电动轮椅的重心位置，其将采集到的电动轮椅当前位姿信息传输给数据处理器；数据处理器根据在室内地图上所存储的停靠位置电动轮椅的位姿信息，结合电动轮椅当前的位姿信息及摄像头、激光雷达的定位信息，在停靠位置使电动轮椅快速行驶至所设定的位姿。本发明采用的惯性测量单元IMU可以短时间的测量电动轮椅位姿，在通过摄像头视觉传感器与惯性测量单元IMU融合之后将会进一步弥补各自的劣势，可利用摄像头视觉定位信息来估计惯性测量单元IMU的零偏，减少惯性测量单元IMU由零偏导致的发散和累积误差，惯性测量单元IMU可以为视觉提供快速运动时的定位。
本发明所建立的室内导航采用ROS(Robot Operating System)系统中的move_base，生成当前轮椅坐标系下的运动方向和速度，通过电动轮椅的运动模型转换成电动轮椅每个轮需要的速度，发送给电动轮椅上的控制器，控制电动轮椅行驶与定位。
如图1所示，所采用的电动轮椅包括电动轮驱动器、左电动轮和右电动轮，电动轮驱动器可以分别差动控制左右电动轮的转动速度，从而控制电动轮椅的行进方位及速度。控制器设置在操控平台上，其与电动驱动器连接；摄像头和激光雷达设置在电动轮椅的操控平台前方，激光雷达用于探测、跟踪和识别目标参数，有助于对室内障碍物实时避障；惯性测量单元IMU设置于电动轮椅的重心位置，用于短时测量位姿，其与激光雷达和摄像头处理得到的位姿融合；数据处理器设置于电动轮椅操控平台下方，便于进行测试调试，其与摄像头、激光雷达、IMU及控制器连接，用于对所采集到的各种数据进行综合处理，并将所生成的速度及方位等控制信息传输给控制器，再通过电动轮驱动器控制左右电动轮的行进方位及速度。通过融合摄像头、激光雷达和IMU，很好地控制并定位电动轮椅在室内的行进路线，快速控制电动轮椅实现在预停留位置的方位调整，给操作操控把手不便者带来了极大的便利。
上述所采用的摄像头、激光雷达、数据处理器和IMU等硬件均为市售产品，通过融合各部分硬件，实现对电动轮椅，尤其是具有摇杆式控制器的电动轮椅的自动驾驶，给残疾人士和手不便操作的驾驶者在室内活动带来极大的便利性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，
驾驶人操控电动轮椅在室内移动，数据处理器根据电动轮椅的运动模型建立室内地图；
在所建立的室内地图上标记出预计电动轮椅经常停靠位置，并存储电动轮椅位姿；其中，所述电动轮椅位姿包括电动轮椅的停靠方位及朝向；
根据室内地图上的电动轮椅当前位置，根据驾驶人通过操控把手所给出的行驶方向，建立电动轮椅当前位置与行驶方向上的最远处电动轮椅经常停靠位置间的室内导航；
根据所建立的室内导航，若驾驶人途径某一电动轮椅经常停靠位置时，驾驶人在靠近预停靠位置时通过操控把手给出控制器停靠信号，控制器就近选择已标记的电动轮椅经常停靠位置，控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置，并根据电动轮椅经常停靠位置所建立的电动轮椅位姿完成停靠。
2.根据权利要求1所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，数据处理器采用Google开源的cartographer算法建立电动轮椅在室内活动的室内地图。
3.根据权利要求1所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，在所建立的室内地图上标记出预计电动轮椅经常停靠位置的方法是：在建图模式下构建地图的同时，使用人工手动标记的方法，通过控制器在各个预计的电动轮椅经常停靠位置设置电动轮椅的位姿，并存储。
4.根据权利要求1所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，在所建立的室内地图上标记出预计电动轮椅经常停靠位置的方法是：采用使用自主学习的方法，将构建的室内地图栅格化，以电动轮椅经常停靠位置为中心的栅格使用高斯函数累加；当测定电动轮椅停靠时间大于所设定的时间时，被认定停靠位置为经常停靠位置，数据处理器自动在所构建的室内地图上标记出预计的电动轮椅经常停靠位置，并存储电动轮椅的停靠位姿。
5.根据权利要求1所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，所述的控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置的方法是：通过设置在电动轮椅操控台前方的摄像头和激光雷达定位电动轮椅的当前位置信息，并传输给数据处理器；结合在所构建的室内地图上所建立的室内导航信息，经数据处理器对预停靠位置与电动轮椅当前位置之间的行程进行实时数据计算，生成对电动轮椅速度和方位的控制信息，并传输给控制器，由控制器自动控制电动轮椅行驶至预停靠位置。
6.根据权利要求5所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，所述的根据电动轮椅经常停靠位置所建立的电动轮椅位姿完成停靠的具体步骤是：通过惯性测量单元IMU实时定位电动轮椅在快速运动时的位姿，并将电动轮椅当前位姿信息传输给数据处理器；数据处理器根据在室内地图上所存储的经常停靠位置电动轮椅的位姿信息，结合电动轮椅当前的位姿信息及摄像头、激光雷达的定位信息，在预停靠位置使电动轮椅快速行驶至所设定的位姿。
7.根据权利要求6所述的电动轮椅室内自动驾驶方法，其特征在于，所建立的室内导航采用ROS(Robot Operating System)中的move_base，生成当前电动轮椅坐标系下的运动方向和速度，通过电动轮椅的运动模型转换成电动轮椅每个轮需要的速度，发送给电动轮椅上的控制器，控制电动轮椅行驶与定位。
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