CN116270047A - 实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅控制系统及方法。本发明提供了一种应对重点解决看护人员在医院医疗、家庭养老等需求下的自动跟随电动轮椅设计方案，可基于UWB测距实现高灵敏度的自动跟随，基于九轴IMU和GPS&北斗双模实现高精度定位，基于毫米波雷达实现低延时智能避障功能，基于RFID的定制化生命体征监测系统能够为使用者提供高准确度、非侵入式的实时健康监测。因此本发明可极大的满足了医疗、家庭养老等场景下对使用者实现智能跟随、安全监护的需求，同时数据均可以经由通信模块发送到手机APP供监护者实现远程观测和控制。

Description

实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅及控制系统
技术领域
本发明属于医疗辅助设备领域，具体涉及一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅及控制系统。
背景技术
随着医疗技术的改善和人口老龄化的加剧，电动轮椅不仅成为医院的重要医疗护理辅助设备，也成为很多家庭养老看护的重要工具。现有的具有自主运动功能的电动轮椅通常是基于单一的模块和实现导航定位功能，往往具有精度不高、运动状态预测不准、反应迟钝等缺陷，不能满足医院、养老院等对重要场景的使用需要。有的具有自主运动功能的电动轮椅不具有跟随功能，不适合在一些复杂的需要引导的场景中使用。
此外，现有的电动轮椅大多从出行需要或者一些特殊场景下进行功能设计，涉及到健康监测的系统基本是附加现有医疗设备或者摄像头实现监测，有的是设计复杂导致轮椅本身结构和质量过大，不便携带且续航能力弱；还有的健康监测设备需要专业的操作和不太用户友好的使用方法(比如指夹板、束缚带、探针等)。因此考虑医院和家庭疗护等使用场景，亟需提出一种新的电动轮椅控制系统设计方案，以实现智能运动和远程健康监测。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中电动轮椅难以同时实现自动跟随、远程操控和远程健康监测等功能，并提供一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅及控制系统。
为实现上述发明目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅控制系统，其包括远程控制模块、模式选择模块、手动按键操纵模块、智能运动模块和健康监测模块；
所述远程控制模块用于接收外部控制端对电动轮椅的远程控制指令，并经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述远程控制指令对应的动作；
所述模式选择模块用于供用户择一选择手动控制模式、智能运动模式和跟随标签模式；
所述手动按键操纵模块在用户选择手动控制模式时启用，用于获取电动轮椅上按键发出的轮椅运动速度和方向控制命令，并将其经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述控制命令对应的动作；
所述智能运动模块包括避障模块、跟随模块和定位模块；
所述避障模块在用户选择智能运动模式或跟随标签模式时启用，用于在电动轮椅行进过程中，通过安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达进行障碍物探测，并在探测到与电动轮椅的距离小于设定阈值的障碍物时，对外发出报警信息并执行避障路径规划，得到避障路径后通过电机驱动模块控制左右电机转动使电动轮椅按照避障路径绕过障碍物；
所述跟随模块在用户选择跟随标签模式时启用，用于通过安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站对被跟随者手持的配对UWB跟随标签进行实施测距，并根据不同UWB跟随基站各自测得的距离定位UWB跟随标签的位置，然后进行转向控制和跟随路径规划，使电动轮椅始终跟着UWB跟随标签行进；
所述定位模块在用户选择智能运动模式时启用，用于通过安装于电动轮椅上的惯性测量单元获取传感数据，同时通过安装于电动轮椅上的卫星导航定位模块获取电动轮椅的定位数据，然后基于误差卡尔曼滤波算法对传感数据和定位数据进行融合，获得电动轮椅的精确定位，进而结合预设的目标位置和电动轮椅的实时精确定位进行导航路径规划，使电动轮椅行进至目标位置；
所述健康监测模块用于接收安装于电动轮椅上的RFID模块所发送的生命体征信号，所述生命体征信号包括用户胸腹处的心跳信号和腹部处的呼吸信号；并对信号进行去噪平滑，提取出平滑的生命体征信号后上传至外部控制端，在外部控制端进行数据展示或分析，实现远程监护。
作为上述第一方面的优选，所述外部控制端为安装电动轮椅配套控制软件的移动设备，移动设备按照远程操作人员通过软件输入的车速和行驶方向，向所述远程控制模块发送轮椅运动速度和方向控制命令。
作为上述第一方面的优选，所述模式选择模块中的模式选择指令通过手动按键操纵模块或者外部控制端进行输入。
作为上述第一方面的优选，所述避障模块配对的毫米波雷达有三个，分别安装于电动轮椅的后向、左前向、右前向三个方向上。
作为上述第一方面的优选，所述跟随模块配对的UWB跟随基站有三个，分别安装于电动轮椅的左、右、后三个方向上。
作为上述第一方面的优选，所述定位模块配对的惯性测量单元采用IMU九轴传感器传感数据，卫星导航定位模块采用GPS/北斗双模定位模块。
作为上述第一方面的优选，所述定位模块中，目标位置由所述外部控制端指定并下发至电动轮椅控制系统。
作为上述第一方面的优选，所述健康监测模块配对的RFID模块有两个，分别安装于电动轮椅的靠背位置，且其中一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的胸部位置，用于获取用户的心跳信号，另一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的腹部位置，用于获取用户的呼吸信号。
作为上述第一方面的优选，所述电动轮椅实时的运动速度、方向信息以及所述健康监测模块的生命体征信号均通过物联网技术实时发送至远程服务器，供所述外部控制端进行读取和访问。
第二方面，本发明提供了一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅，其包括轮椅主体、安装于轮椅上的传感器系统以及如权利要求1～9任一所述的电动轮椅控制系统；
所述传感器系统包括安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达、安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站、与所述UWB跟随基站配套且可拆卸式安装于电动轮椅上的UWB跟随标签、安装于电动轮椅上的惯性测量单元和卫星导航定位模块、安装于电动轮椅上的RFID模块。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明提供了一种应对重点解决看护人员在医院医疗、家庭养老等需求下的自动跟随电动轮椅设计方案，其能够以轻量级、小型化、低功耗的设备实现高精度的定位、跟随、避障功和健康监测功能，同时可以经由移动设备进行远程通信与控制，解决轮椅行进无跟随以及位置易丢失问题。
本发明的电动轮椅及配套的控制系统，可基于UWB测距实现高灵敏度的自动跟随能，基于九轴IMU和GPS&北斗双模实现高精度定位，基于毫米波雷达实现低延时智能避障功能，基于RFID的定制化生命体征监测系统能够为使用者提供高准确度、非侵入式的实时健康监测。因此本发明可极大的满足了医疗、家庭养老等场景下对使用者实现智能跟随、安全监护的需求，同时数据均可以经由通信模块发送到手机APP供监护者实现远程观测和控制。
附图说明
图1为UWB跟随原理示意图；
图2为电动轮椅的运动控制模式示意流程图；
图3为电动轮椅的整体设计框架图；
图4为电动轮椅主体及传感器系统的集成示意图。
图中附图标记为：1—后侧UWB基站，2—胸部RFID模块，3—腹部RFID模块，4—左电机，5—后向雷达避障模块，6—右电机，7—右侧主动轮，8—锂电池，9—右侧从动轮，10—右前向雷达避障模块，11—右侧UWB基站，12—左前向雷达避障模块，13—集成控制电路，14—按键交互模块，15—左侧UWB基站(方向朝外)，16—UWB跟随标签充电仓。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅控制系统，该控制系统用于安装在电动轮椅上，实现对电动轮椅的定位、跟随、避障功和健康监测等功能。该控制系统按照功能划分可以分为远程控制模块、模式选择模块、手动按键操纵模块、智能运动模块和健康监测模块几个组成模块，下面分别对各模块的具体原理以及配合工作方式进行详细描述。
远程控制模块用于接收外部控制端对电动轮椅的远程控制指令，并经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述远程控制指令对应的动作。
在本发明的实施例中，上述外部控制端为安装电动轮椅配套控制软件的移动设备，移动设备按照远程操作人员通过软件输入的车速和行驶方向，向所述远程控制模块发送轮椅运动速度和方向控制命令。移动设备可以是手机、平板电脑及其他手持终端等相关设备，具体形式可以根据实际需要进行设置。
模式选择模块用于供用户择一选择手动控制模式、智能运动模式和跟随标签模式。
在本发明的实施例中，上述模式选择模块中的模式选择指令通过手动按键操纵模块或者外部控制端进行输入。
手动按键操纵模块在用户选择手动控制模式时启用，用于获取电动轮椅上按键发出的轮椅运动速度和方向控制命令，并将其经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述控制命令对应的动作。
手动按键操纵模块的形式与常规的电动轮椅类似，可将摇杆、按键、蜂鸣器等模块安装于轮椅扶手上，在手动控制模式下用户可通过摇杆、按键等向轮椅的控制器发送轮椅运动速度、方向的控制命令，经过控制器解码之后通过电驱动模块控制左右电机按要求转动，从而实现速度调整、转向控制、启停控制、模式切换等功能。
智能运动模块包括避障模块、跟随模块和定位模块，三个模块协同工作，共同按照用户的操控需求实现电动轮椅的移动。但是三个模块的启用状态，需要根据模式选择模块中用户选择的模式进行调整，下面对其进行详细说明。
避障模块在用户选择智能运动模式或跟随标签模式时启用，用于在电动轮椅行进过程中，通过安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达进行障碍物探测，并在探测到与电动轮椅的距离小于设定阈值的障碍物时，对外发出报警信息并执行避障路径规划，得到避障路径后通过电机驱动模块控制左右电机转动使电动轮椅按照避障路径绕过障碍物。
上述避障模块配对的毫米波雷达数量以及安装位置可以根据实际需要进行合理设置，以能够实现电动轮椅过程中对障碍物的准确探测为准。在本发明的实施例中，上述避障模块配对的毫米波雷达有三个，分别安装于电动轮椅的后向、左前向、右前向三个方向上。由此，在该实施例中，避障模块是基于部署在轮椅后向、左前向、右前向三个位置的毫米波雷达进行测距，然后控制电路进行障碍物方位计算和是否需要进行避障判定，最后得到避障路径，并驱动电机做出相应的动作。但避障模块使用的距离不是对于某一点的距离，而是对于周围环境中的障碍物进行测距，并获取障碍物方位角。当障碍物位于所设置的障碍阈值范围内，控制器将驱动蜂鸣器发出警报。同时，三个毫米波雷达避障模块的数据统一汇合后导入避障判断逻辑中，最后确定避障路径和电机控制参数，实现避障。
跟随模块在用户选择跟随标签模式时启用，用于通过安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站对被跟随者手持的配对UWB跟随标签进行实施测距，并根据不同UWB跟随基站各自测得的距离定位UWB跟随标签的位置，然后进行转向控制和跟随路径规划，使电动轮椅始终跟着UWB跟随标签行进。
上述跟随模块配对的UWB跟随基站数量以及安装位置可以根据实际需要进行合理设置，以能够实现电动轮椅过程中对UWB跟随标签的准确定位为准。在本发明的实施例中，上述跟随模块配对的UWB跟随基站有三个，分别安装于电动轮椅的左、右、后三个方向上。
跟随模块中的跟随功能是针对部分特殊场景(比如需要医护引导时)设计的。当需要执行跟随功能时，被跟随者手持UWB跟随标签，部署在轮椅左、右、后三个方位的UWB跟随基站会对跟随标签进行实时测距，然后基于卡尔曼滤波得到标签的位置信息。图1展示了利用三个UWB跟随基站B1(轮椅后方)、B2(轮椅左前方)、B3(轮椅右前方)和UWB跟随标签T之间的距离d1、d2、d3进行跟随的原理示意图。初始跟随时UWB跟随标签在点RP3方向，为了实现360°的全向跟随，上述实施例中部署了三个UWB跟随基站。当跟随标签发生移动时，基站会将测得的三个距离统一回传到控制器。控制器根据三个距离的不同变化，通过几何关系推理跟随标签的四个大致范围RP1-RP2、RP2-RP3、RP3-RP4、RP4-RP1，然后确定是否需要转弯或者转向以保证跟随标签始终位于轮椅前方。当完成转弯/转向之后，再次根据标签和前面两个基站的距离对运动角度进行细调和跟随路径规划，最后通过电机驱动模块进行控制。UWB跟随的定位原理属于现有技术，对此不再展开描述。
定位模块在用户选择智能运动模式时启用，用于通过安装于电动轮椅上的惯性测量单元获取传感数据，同时通过安装于电动轮椅上的卫星导航定位模块获取电动轮椅的定位数据，然后基于误差卡尔曼滤波算法对传感数据和定位数据进行融合，获得电动轮椅的精确定位，进而结合预设的目标位置和电动轮椅的实时精确定位进行导航路径规划，使电动轮椅行进至目标位置。
在本发明的实施例中，上述定位模块中，目标位置一般可由前述的外部控制端指定并下发至电动轮椅控制系统，用于可通过外部控制端上的软件输入需要前往的位置，电动轮椅收到该目标位置后可根据实时的定位进行路径规划。路径规划后，即可自动前往该位置，而前进过程中避障模块需要探测障碍物并执行避障功能。
上述定位模块配对的惯性测量单元和卫星导航定位模块可以根据实际需要进行选择。在本发明的实施例中，上述定位模块配对的惯性测量单元采用IMU九轴传感器传感数据，卫星导航定位模块采用GPS/北斗双模定位模块。在该实施例中，定位模块可融合IMU九轴传感器传感数据和GPS&北斗双模的位置数据实现信息互补，然后基于ESKF(误差卡尔曼滤波)实现高精度的定位和轨迹跟踪。全局坐标系可采用东北天(ENU)坐标系,即X指向东,Y轴指向北,Z轴指向天空，坐标原点为初始时刻位置。考虑到组合导航中的杆臂效应补偿，该实施例通过GPS到IMU坐标系下的位置转换成一个外参，同时结合imu九轴传感器中的方向、加速度、陀螺以及控制器所设定的速度构建15维的状态参量。整个ESKF过程中的所有状态变量定义如下：
名义状态：X＝[p v q abωb g]T
误差状态：δX＝[δpδvδqδabδωbδg]T
测量值：um＝[amωm]T
误差值：i＝[viθi aiωi]T
对应的状态预测方程为：
δx←f(X,δx,um,i)＝Fx(X,um)·δx+Fi·i
P←FxPFx T+FiQiFi T
上述各状态变量的具体定义可参见ESKF算法，属于现有技术，对此不再展开描述。这一算法的优势在于：误差状态系统始终在接近原点的位置运行，因此远离可能的参数奇异性，万向节锁定问题等，从而保证了线性化的有效性。此外误差状态始终很小，这意味着所有二阶乘积都可以忽略不计，从而使得Jacobian的计算非常容易和快速。一些雅可比行列甚至可能是恒定的，或者等于可用状态的大小。由于误差状态变化缓慢，并且所有的大的信号变化已经被积分在名义状态里，所以在卡尔曼滤波过程中，相较于估计过程，可以更低的频率来执行更新过程，从而实现精确的定位和低时延的轨迹跟踪。
以上定位、跟随、避障共同构成了智能运动系统。考虑到实际使用中用户自主控制轮椅的需求，将智能运动和按键手动控制进行结合，图2展示了按键控制和智能运动模块的完整控制流程图。初始时用户可以自行通过按键或者手机APP发送初始化命令。程序刚开始会判断是否有远程控制命令，有的话直接按照远程命令执行；没有的话通过蜂鸣器发送提示音提醒使用者通过按键选择使用手动控制模式、智能运动模式或者标签跟随模式。之后根据如图2中所示逻辑进行运动逻辑判断、运动路径规划和电机控制。
健康监测模块用于接收安装于电动轮椅上的RFID模块所发送的生命体征信号，所述生命体征信号包括用户胸腹处的心跳信号和腹部处的呼吸信号；并对信号进行去噪平滑，提取出平滑的生命体征信号后上传至外部控制端，在外部控制端进行数据展示或分析，实现远程监护。
上述健康监测模块配对的RFID模块数量和安装位置需要根据所要检测的生命体征信号进行合理设置。在本发明的实施例中，上述健康监测模块配对的RFID模块有两个，分别安装于电动轮椅的靠背位置，且其中一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的胸部位置，用于获取用户的心跳信号，另一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的腹部位置，用于获取用户的呼吸信号。
另外，为了满足对于电动轮椅运行状态以及用户生命健康状态的实时监控需求，电动轮椅实时的运动速度、方向信息以及所述健康监测模块的生命体征信号均可通过蓝牙、wifi等物联网技术实时发送至远程服务器，供外部控制端进行读取和访问。
在该实施例中，上述健康监测模块主要基于RFID技术实现，RFID阅读器发送下行载波信号，使用者胸腹内部的器官活动会影响标签对下行载波信号的调制，当阅读器接收到标签反向散射的上行链路信号之后将对其进行解码，从而得到用户的呼吸、心跳数据。由此，整个过程中所有位置、运动信息以及健康监测数据都可以经过蓝牙连接到WiFi，通过连接服务器实现和APP的远程通信与控制。除了观测来自轮椅上传的信息之外，对于具有远程监护需求的用户来说，可以通过手机APP对轮椅实现远程运动控制。
此外，在其他实施例中，健康监测模块中得到的呼吸、心跳数据也可以用于结合轮椅使用者初始的身体健康状况数据模型进行数据匹配，由此判断轮椅当前运动状态对使用者身体状况的影响，从而实现运动参数的自动优化、调整。
上述远程控制模块、模式选择模块、手动按键操纵模块、智能运动模块和健康监测模块组成的电动轮椅控制系统，可以以控制软件形式集成于电动轮椅的硬件设备中，进而发挥各模块的功能。因此，本发明的实施例中，就可以提供一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅，其包括轮椅主体、安装于轮椅上的传感器系统以及前述的电动轮椅控制系统。为了与电动轮椅控制系统配合，上述传感器系统包括安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达、安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站、与UWB跟随基站配套且可拆卸式安装于电动轮椅上的UWB跟随标签、安装于电动轮椅上的惯性测量单元和卫星导航定位模块、安装于电动轮椅上的RFID模块。如图3所示，展示了电动轮椅主体、远程的控制端与电动轮椅控制系统之间的整体控制逻辑框架。
如图4所示，为了进一步展示该实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅的具体实现形式，其展示了电动轮椅的主体设计图及各部件具体分布位置。其中的组成结构包括后侧UWB基站1、胸部RFID模块2、腹部RFID模块3、左电机4、后向雷达避障模块5、右电机6、主动轮、锂电池8、从动轮、右前向雷达避障模块10、右侧UWB基站11、左前向雷达避障模块12、集成控制电路13、按键交互模块14、左侧UWB基站15(图中仅仅为了便于显示，其实际安装位置方向朝外)和UWB跟随标签充电仓16。
集成控制电路13部署于电动轮椅右侧扶手上，其中包含整个系统的控制器模块、电机驱动模块、电源管理模块、定位硬件模块、蓝牙模块等。
1.1控制器模块
控制器模块主要是微控制器STM32F103R8T6和部分整流、稳压电路。前述的电动轮椅控制系统可以软件形式集成于控制器模块中。
1.2电机驱动模块
控制器通过电机驱动模块驱动左电机4、右电机6，电机可选用直流无刷电机ZW9012L3。左、右电机连接的后两个轮子为主动轮，控制器基于pwm调节电机转速以改变轮椅行驶速度，同时基于差速法实现轮椅的转向和转弯。前两个轮子为从动轮，保证行驶过程的平稳。图中示出了右电机6驱动的右侧主动轮7和右侧从动轮9
1.3电源管理模块
电源管理模块由稳压电路和充电管理电路组成，前者为主控制板提供电源，后者直接连接轮椅座位下方放置的锂电池模块8以实现充电管理。锂电池模块同时为集成控制电路13和左、右电机供电。
1.4定位硬件模块
定位硬件模块用于与电动轮椅控制系统中软件形式的定位模块配合，其集成了九轴IMU模块和GPS&北斗模块，微控制器通过IIC和定位模块进行通信。九轴IMU模块为GY-85-SCH，其中三轴加速度计为超低功耗ADXL34，三轴磁阻传感器为HMC5883L，三轴陀螺仪型号为ITG3205。GPS&北斗模块型号为ATK1218-BD，外接有源天线，提供室外等大范围场景下的定位信息。
1.5蓝牙模块
蓝牙模块通过usart串口连接控制器，在主机模式下将轮椅运动信息发送到手机APP上实现远程控制。
集成控制电路外接部署在右侧扶手表面的手动按键交互模块14，使用者可通过按键选择手动控制模式或自动智能运动模式。
2.1手动按键交互模块
按键交互模块14可采用现有的电动轮椅控制模块。手动运动模式下，使用者在行驶过程中可直接通过右侧扶手上的按键交互模块调节避障报警音量的大小、轮椅行驶速度和运动方向。
2.2跟随硬件模块
自动智能运动模式主要通过部署在电动轮椅周围的UWB基站和毫米波雷达实现跟随和避障。其中跟随硬件模块用于与电动轮椅控制系统中软件形式的跟随模块配合，其实现跟随功能的三个UWB基站分别为部署在距轮椅椅背上边缘5厘米处的后侧UWB基站1右侧扶手下方挡板中部的右侧UWB基站11、左侧扶手下面挡板中间的左侧UWB基站15。电动轮椅左侧扶手部署了一个UWB跟随标签充电仓16，需要使用跟随功能时将UWB跟随标签从UWB跟随标签充电仓16上取下，轮椅会UWB跟随标签运动，不需要时可以插回充电仓进行充电(电量不足时)或保存(电量充足时)。三个UWB基站型号为UWB-X2-AOA-N，通过串口连接微控制器。放置在轮椅左侧扶手的UWB跟随标签型号为UWB-X2-AOA-T，充电仓由TP4056充电源模块和干电池集合而成。
2.3避障硬件模块
避障硬件模块用于与电动轮椅控制系统中软件形式的避障模块配合，其实现避障功能的三个毫米波雷达避障模块分别为部署在距轮椅椅背下边缘5厘米左右的后向雷达避障模块5、轮椅右侧脚踏板支撑杆上的右前向雷达避障模块10、轮椅左侧脚踏板支撑杆上的左前向雷达避障模块12。雷达避障模块型号为HLR12模块，通过串口和微控制器进行通信。
3健康检测硬件模块
椅背从上到下三分之一处和三分之二处分别内嵌了一个胸部RFID模块2和一个腹部RFID模块3，分别用于检测轮椅使用者胸部和腹部附近的生命体征信号。RFID模块将信息回传到集成控制电路13，集成控制电路完成对数据的去噪和信息提取处理，最后得到平滑的生命体征信号。
但需要说明的是，上述图4所示的电动轮椅的主体设计图及各部件具体分布位置仅仅为一个较佳实施例中的优选方式，但并非对本发明的限定。实际应用时，可根据电动轮椅的具体设计进行合理调整。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅控制系统，其特征在于，包括远程控制模块、模式选择模块、手动按键操纵模块、智能运动模块和健康监测模块；
所述远程控制模块用于接收外部控制端对电动轮椅的远程控制指令，并经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述远程控制指令对应的动作；
所述模式选择模块用于供用户择一选择手动控制模式、智能运动模式和跟随标签模式；
所述手动按键操纵模块在用户选择手动控制模式时启用，用于获取电动轮椅上按键发出的轮椅运动速度和方向控制命令，并将其经过控制器解码之后发送至电机驱动模块，用于控制轮椅上的左右电机转动进而做出所述控制命令对应的动作；
所述智能运动模块包括避障模块、跟随模块和定位模块；
所述避障模块在用户选择智能运动模式或跟随标签模式时启用，用于在电动轮椅行进过程中，通过安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达进行障碍物探测，并在探测到与电动轮椅的距离小于设定阈值的障碍物时，对外发出报警信息并执行避障路径规划，得到避障路径后通过电机驱动模块控制左右电机转动使电动轮椅按照避障路径绕过障碍物；
所述跟随模块在用户选择跟随标签模式时启用，用于通过安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站对被跟随者手持的配对UWB跟随标签进行实施测距，并根据不同UWB跟随基站各自测得的距离定位UWB跟随标签的位置，然后进行转向控制和跟随路径规划，使电动轮椅始终跟着UWB跟随标签行进；
所述定位模块在用户选择智能运动模式时启用，用于通过安装于电动轮椅上的惯性测量单元获取传感数据，同时通过安装于电动轮椅上的卫星导航定位模块获取电动轮椅的定位数据，然后基于误差卡尔曼滤波算法对传感数据和定位数据进行融合，获得电动轮椅的精确定位，进而结合预设的目标位置和电动轮椅的实时精确定位进行导航路径规划，使电动轮椅行进至目标位置；
所述健康监测模块用于接收安装于电动轮椅上的RFID模块所发送的生命体征信号，所述生命体征信号包括用户胸腹处的心跳信号和腹部处的呼吸信号；并对信号进行去噪平滑，提取出平滑的生命体征信号后上传至外部控制端，在外部控制端进行数据展示或分析，实现远程监护。
2.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述外部控制端为安装电动轮椅配套控制软件的移动设备，移动设备按照远程操作人员通过软件输入的车速和行驶方向，向所述远程控制模块发送轮椅运动速度和方向控制命令。
3.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述模式选择模块中的模式选择指令通过手动按键操纵模块或者外部控制端进行输入。
4.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述避障模块配对的毫米波雷达有三个，分别安装于电动轮椅的后向、左前向、右前向三个方向上。
5.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述跟随模块配对的UWB跟随基站有三个，分别安装于电动轮椅的左、右、后三个方向上。
6.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述定位模块配对的惯性测量单元采用IMU九轴传感器传感数据，卫星导航定位模块采用GPS/北斗双模定位模块。
7.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述定位模块中，目标位置由所述外部控制端指定并下发至电动轮椅控制系统。
8.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述健康监测模块配对的RFID模块有两个，分别安装于电动轮椅的靠背位置，且其中一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的胸部位置，用于获取用户的心跳信号，另一个RFID模块位于用户坐在电动轮椅上时的腹部位置，用于获取用户的呼吸信号。
9.如权利要求1所述的电动轮椅控制系统，其特征在于，所述电动轮椅实时的运动速度、方向信息以及所述健康监测模块的生命体征信号均通过物联网技术实时发送至远程服务器，供所述外部控制端进行读取和访问。
10.一种实现智能运动和远程健康监测的电动轮椅，其特征在于，包括轮椅主体、安装于轮椅上的传感器系统以及如权利要求1～9任一所述的电动轮椅控制系统；
所述传感器系统包括安装于电动轮椅不同方位的毫米波雷达、安装于电动轮椅不同方位的UWB跟随基站、与所述UWB跟随基站配套且可拆卸式安装于电动轮椅上的UWB跟随标签、安装于电动轮椅上的惯性测量单元和卫星导航定位模块、安装于电动轮椅上的RFID模块。
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