CN211433749U - 一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统 - Google Patents

Abstract

一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，包括在轮椅本体的椅背顶部安装的摄像头模块，摄像头模块用于获取目标的图像信息，然后将图像传输给主控制器，主控制器安装在轮椅本体上，主控制器的输出端分别与通信模块、避障模块和电机驱动模块相连，电机驱动模块用于驱动设置在左右轮子上的左轮驱动电机和右轮驱动电机。本实用新型解决现有智能轮椅不便于紧急救助且用户与救助人员缺乏及时交流的问题。能够更好地帮助老人出行，保证老人的安全；可以不需要携带多余的传感器，使出行更方便。

Description

一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统

技术领域

本实用新型涉及轮椅技术领域，特别涉及一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统。

背景技术

随着人口老龄化问题越来越严重，行动不便的老龄人口越来越多，而且由于各种疾病、事故造成的行动能力的缺失人数也逐年增加。为老年人和残障人士提供安全可靠、性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融入社会越来越引起社会的关注。

目前市场上的轮椅产品主要分为手动和电动两大类。其中，手动轮椅价格低廉，得到市场的青睐，然而手动轮椅使用主要集中在上肢健全的青壮年范围内，从而限制了老年人和一部分残疾人的使用。而我国电动轮椅一般只是在手动轮椅的基础上增加动力源和控制单元，功能单一，安全性、可靠性和功能性上均不能完全满足老年人、残疾人的实际需求。并且，老年人和残障人士的行动能力和反应能力都低于普通人，因此为他们设计的辅助工具不仅要具备良好的移动能力，更要具备自主思考能力以及能够与使用者方便进行交流的能力。智能轮椅作为一种智能型电动轮椅，不但能够通过电机进行驱动，更具备了高端智能轮椅的智能性，拥有良好的人机接口且能实现自主控制，是做为老年人和残障人士辅助工具的最佳选择，在智能轮椅领域已经掀起了智能轮椅的研究热潮。同时，如果老年人或残疾人，在轮椅前方行走时发生了摔倒，智能轮椅可以及时检测并报警，能够避免发生更加危险的事故。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，解决现有智能轮椅不便于紧急救助且用户与救助人员缺乏及时交流的问题，能够更好地帮助老人出行，保证老人的安全；可以不需要携带多余的传感器，使出行更方便。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，包括在轮椅本体的椅背顶部安装的摄像头模块1，所述的摄像头模块1用于获取目标的图像信息，然后将图像传输给主控制器2，主控制器2安装在轮椅本体上，主控制器2的输出端分别与通信模块3、避障模块4和电机驱动模块7相连，电机驱动模块7用于驱动设置在左右轮子上的左轮驱动电机6和右轮驱动电机8，主控制器2连接电源模块5，电源模块5为整个装置提供电源。

所述的通信模块3为无线通信模块，无线通信模块3包括3G/4G通信模块或WIFI通信模块和3G/4G通信模块，WIFI通信模块和3G/4G通信模块均与控制器连接，3G/4G通信模块为SIM卡，轮椅主体上开设有SIM卡槽，所述3G/4G通信模块位于SIM卡槽内。

所述的避障模块4为超声波测距模块。

所述的摄像头模块1为RGB摄像头，型号为OV5640，用于采集视频，并发送给主控制器2；

所述的主控制器2为树莓派，主要用于处理摄像头模块1传输过来的视频信息，以及对左轮驱动电机6、右轮驱动电机8的控制；

所述的主控制器2上连接有报警模块，报警模块用蜂鸣器进行报警警示。

所述的主控制器2上设置有语音模块。

所述的轮椅本体上设置有USB接口，所述USB接口为具有充电功能和数据传输功能的USB接口，所述电源模块5包括可充电的蓄电池，USB接口分别与可充电蓄电池和主控制器2连接。

所述的主控制器2上安装有手动控制器。

本实用新型的有益效果：

1、该轮椅同时具备跟踪与摔倒检测的功能，能够更好地帮助老人出行，保证老人的安全；

2、利用摄像头完成对人体目标的识别与追踪，可以不需要携带多余的传感器，使出行更方便；

3、可以单纯地通过摄像头拍摄的视频信息判断出老人是否摔倒，不用再在老人的身上携带过多的传感器，同时也能提高判断的准确率；

4、当检测到摔倒行为时，能及时地通过无线通信模块将求助信息发送出去，能够避免更大的事故；

5、具有手动控制模式，可以在轮椅电池没电或其他紧急情况，手动对轮椅进行操作；

6、USB接口既实现了为电池组件及时充电，也实现了该智能轮椅与电脑等终端的离线式数据传输。

附图说明

图1系统硬件结构图。

图2轮椅的结构示意图。

图3轮椅的左视图。

图4为本实用新型控制系统运行的流程图。

图中：1-摄像头模块:OV5640、2-主控制器模块:Raspberry Pi 3B+、3-通信模块:SIM-900A、4-避障模块:HC-SR04、5-电源模块:24V12A电源、6-左轮驱动电机: MY-1025、7-电机驱动模块:LB-27、8-右轮驱动电机: MY-1025。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图2图3所示：轮椅主要包括摄像头模块1（使用的是OV5640）、通信模块3（使用的是SIM-900A）、主控制器2（使用的是Raspberry Pi 3B+）、电源模块5(使用的是24V12A电源)、避障模块4（使用的是HC-SR04）、电机驱动模块7（使用的是LB-27）和直流电机（使用的是MY-1025），

其中，智能轮椅通过摄像头模块1来获取目标的图像信息，然后将图像传输给控制器2，利用控制器2对图像进行分析和处理，来完成之后对人体目标的跟踪，与此同时，也会提取到人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio、人体质心变化的速度v这三个特征参数，用来区分日常活动行为和摔倒行为，最终完成对摔倒行为的判断，通过无线通信模块，可以及时将老人摔倒的文字和图片信息发送到家属或医院的接收端上。通过超声波测距模块来判断轮椅周围是否有障碍物或低洼地段实现安全保护运行，通过电机驱动装置7将控制信号进行放大转换为驱动左轮驱动电机6、右轮驱动电机8的驱动信号，最终通过左轮驱动电机6、右轮驱动电机8运行控制智能轮椅进行相应的运动。为了更加详细地对控制系统进行说明，下面从具体的硬件体系结构上进行阐述。

摄像头模块1为RGB摄像头，用于采集视频，并发送给主控制器2；主控制器2为树莓派，主要用于处理摄像头模块1传输过来的视频信息，以及对左轮驱动电机6、右轮驱动电机8的控制；报警模块可以用蜂鸣器进行报警警示；通信模块3一般为GSM模块，可以装入SIM卡，能够与外界完成通信；手动控制模块，可以实现紧急或其他情况下手柄干预保护运行；超声波模块，主要利用这个模块完成避障的功能。

进一步，利用所述的RGB摄像头对老人进行识别与跟踪。具体包括：利用RGB摄像头拍摄图像，利用步态特征确定身份，再利用颜色特征，纹理和特征方向梯度直方图完成对老人的定位，最后通过对摄像头图像坐标系与世界坐标系的转换确定智能轮椅在世界坐标系下的坐标，利用智能轮椅前后时刻位置的变化确定智能轮椅下一时刻的行进方向。

进一步，当对人体目标完成识别与追踪后，如果目标发生摔倒时，可以判断目标是否摔倒，具体通过利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio、人体质心变化的速度v这三个特征参数来区分日常活动行为和摔倒行为，如果这三个特征参数都发生变化时，则确定了发生摔倒的行为。

进一步，在确定了摔倒之后，判断摔倒的严重程度，利用语音问询的方式，询问老人是否摔倒，是否需要帮助，如果是或没有接收到回答，就以文字及摔倒图片的方式发送报警信息。

进一步，通过通信模块3可以向接收端发送信息。无线通信模块3包括3G/4G通信模块或WIFI通信模块和3G/4G通信模块，WIFI通信模块和3G/4G通信模块均与控制器连接。

进一步，3G/4G通信模块为SIM卡，轮椅主体上开设有SIM卡槽，所述3G/4G通信模块位于SIM卡槽内。

进一步，轮椅主体上还装配有USB接口，所述USB接口为具有充电功能和数据传输功能的USB接口，所述电池组件包括可充电的蓄电池，USB接口分别与可充电蓄电池和控制器2连接。

如图1所示，系统包括摄像头模块1、通信模块3、主控制器模块2、报警模块、手动控制器、电机驱动模块7和直流电机以及电源模块5。其中，通过摄像头采集老年人在前方行走的图像信息，然后将图像传送到主控制器，主控制器对摄像头采集到的图像信息进行处理和分析，提取出所需的特征信息，通过这些特征来确定所要跟踪的目标，并将该信息及时地传送给主控制器模块2，主控制器模块2再根据该信息来判断老人所处的方位，进而发出控制指令，驱动轮椅前进，同时当摄像头拍摄到老人摔倒时，也能及时地将信息传输给主控制器模块2，进而触发报警模块发出警报，并通过通信模块3将信息发送给家属或医院。手动控制器用来接收使用者的手动控制指令，智能轮椅在视觉导航运行过程中，一旦主控制器2检测到使用者有手动控制指令发出，主控制器2将立即执行手动控制指令，并最终通过电机驱动模块7将控制信号进行放大转换为驱动直流电机的驱动信号。

本实用新型的工作原理：

本实用新型所述的控制系统运行的流程图如图4所示，在完成初始化之后控制器首先对摄像头采集到的图像进行预处理，然后再对目标进行识别，之后就能完成对目标的跟踪，如果目标发生摔倒，则对摔倒的严重程度进行判断，并发出报警信息。具体实施步骤如下：

1.初始化

在轮椅电源开启之后，对主控制器模块2进行一系列的初始化工作，主要包括各个寄存器中状态变量和数值的初始化。

2.利用主控制器模块2打开摄像头，系统开始工作。

3.图像预处理

由于环境中的光线强度等干扰信息的影响，会对后续的图像处理造成麻烦，因此需要提前对原始图像数据进行预处理。

4.对需要跟踪的目标进行识别

采用改进的步态光流图方法对目标进行识别，当目标丢失时, 查询数据库中相应视角下的步态光流图并判断其是否为目标。

5.对已经识别的目标进行跟踪

采用多特征融合技术，通过对目标模板的颜色特征、纹理特征和方向梯度直方图特征进行提取，作为目标跟踪特征点，在目标跟踪阶段通过对提取到的目标特征点进行匹配从而获得目标的位置信息。

6.找到空间的目标点与成像点之间的对应关系

利用摄像机的成像模型，通过软件工具实现对摄像机参数的标定，从而根据摄像机成像模型确定出目标点在实际空间内的位置坐标，作为后续跟踪路径的基础。

7.在确定了位置坐标后，将位置传输给主控制器模块2，控制器发出控制信后，通过电机驱动模块7将控制信号进行放大转换为驱动直流电机的驱动信号，从而驱动轮椅对目标进行跟踪。具体做法是用目标的中心位置作为测量环节的输出量和控制系统的反馈量。通过比较环节得到轮椅中心位置和目标中心位置的偏差，再通过放大及运算环节对偏差量进行转换和功率放大，执行环节接收放大环节输出的控制信号，驱动被控对象轮椅按照预期的目标运动。最终实现轮椅的转向和速度控制。

8.摔倒检测

利用人体质心到水平面的距离h、人体宽高比ratio、人体质心变化的速度v这三个特征参数来区分日常活动行为和摔倒行为。

9.报警装置启动

当摄像头通过摔倒检测的三个特征参数判断出目标已经摔倒的时候，但可能不是很严重，这时就可以通过语音问询的方式来询问老人是否需要报警寻求帮助，一旦回答是或者多次询问没有回答时，此时就会报警，同时会通过无线通信模块向家属或医院发出求助信息。

10. 在启动时，可以选择是否使用手动模式。

Claims (8)

1.一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，包括在轮椅本体的椅背顶部安装的摄像头模块（1），所述的摄像头模块（1）用于获取目标的图像信息，然后将图像传输给主控制器（2），主控制器（2）安装在轮椅本体上，主控制器（2）的输出端分别与通信模块（3）、避障模块（4）和电机驱动模块（7）相连，电机驱动模块（7）用于驱动设置在左右轮子上的左轮驱动电机（6）和右轮驱动电机（8），电源模块（5）为整个装置提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的通信模块（3）为无线通信模块，无线通信模块（3）包括3G/4G通信模块或WIFI通信模块和3G/4G通信模块，WIFI通信模块和3G/4G通信模块均与控制器连接，3G/4G通信模块为SIM卡，轮椅主体上开设有SIM卡槽，所述3G/4G通信模块位于SIM卡槽内。

3.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的避障模块（4）为超声波测距模块。

4.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的摄像头模块（1）为RGB摄像头，型号为OV5640，用于采集视频，并发送给主控制器（2）。

5.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的主控制器（2）为树莓派，主要用于处理摄像头模块（1）传输过来的视频信息，以及对左轮驱动电机（6）、右轮驱动电机（8）的控制。

6.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的主控制器（2）上连接有报警模块，报警模块用蜂鸣器进行报警警示；

所述的主控制器（2）上设置有语音模块。

7.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的轮椅本体上设置有USB接口，所述USB接口为具有充电功能和数据传输功能的USB接口，所述电源模块（5）包括可充电的蓄电池，USB接口分别与可充电蓄电池和主控制器（2）连接。

8.根据权利要求1所述的一种具有目标跟踪和摔倒检测功能的智能轮椅控制系统，其特征在于，所述的主控制器（2）上安装有手动控制器。

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