基本信息
- 项目名称：
- 基于全景视觉和语音识别的嵌入式智能轮椅控制系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用嵌入式系统对传统电动轮椅进行了智能化升级，设计了具有语音控制、语音人机交互、全景视觉监测、全景视觉导航和超声波自主避障功能的智能轮椅控制系统，用户不仅可以通过语音指令控制轮椅的运行，还可以通过全景视觉导航模块来完成到指定地点的自动导航运行，同时，全景视觉监控模块实现了智能轮椅用户的家属和医生对用户的全方位实时监控，超声波自主避障模态实现了特定需要场合下的随机“散步”运行。
- 详细介绍：
- 随着社会中老年人和残疾人人口的日益增加，智能轮椅作为比普通电动轮椅运行更安全、使用更方便、性能更优越的代步工具，可以帮助残疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。 针对智能轮椅的经济性、安全性、交互流畅性等市场推广瓶颈，本作品采用嵌入式系统对传统电动轮椅进行了智能化升级，使之能够在多种场合适用于不同人群。通过采用单片机和DSP作为处理核心以降低成本，设计了具有语音控制、语音人机交互、全景视觉监测、全景视觉导航和超声波自主避障功能的智能轮椅控制系统，用户不仅可以通过语音指令控制轮椅的运行，还可以通过全景视觉导航模块来完成到指定地点的自动导航运行，同时，全景视觉监控模块基于全新的全景环形透镜来获得轮椅周围360°范围内的全部视场，实现了智能轮椅用户的家属和医生对用户的全方位实时监控，超声波自主避障模态实现了特定需要场合下的随机“散步”运行。另外，通过将超声波避障技术和语音人机技术融合到其它功能模块当中，进一步确保了轮椅运行的安全性。另外分模块设计思想，使得智能轮椅可根据不同对象需求分模块定制。 作品整体设计实现了结构轻便、成本低、交互流畅、满足不同对象需求、安全性好的设计目标，以达到易于产业化和产品推广的目的
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的：为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，希望设计出一款操作方便、安全可靠、性价比高的智能轮椅控制系统。 基本思路：语音控制和语音人机交互：用户可以通过“对话”进行各功能模块的选择和控制轮椅的运动，轮椅亦可将运行状态与环境状况通过“对话”报告给用户； 全景视觉监控：通过全新的全景环形透镜来获得轮椅周围360°范围内的全部视场，可以实现智能轮椅用户的家属和医生对用户的全方位实时监控； 全景视觉导航：在室内环境中，轮椅通过提取和识别全景图像中地上、墙上和门上的导航路标来完成指定路线的导航运行； 超声波自主避障：在特定场合可以实现轮椅的自主避障运行； 基于多传感器信息融合的安全保护：轮椅通过实时检测周围环境来避开障碍物及低洼地段。 创新点：1、采用全景环形透镜，可获得360°的大视场，新透镜不含扫描器件，有效控制成本；2、在单片机有限的速度和资源下，通过采用高效核心算法，提高了语音识别准确率；3、通过融入避障安全保护和语音人机交互功能来确保各功能模态下智能轮椅使用的安全性和交互的流畅性。 技术关键：基于单片机和DSP系统智能轮椅控制系统的技术难点在于系统的资源和运行速度有限，必须采用高效算法来解决数据量大、算法复杂和系统实时性高之间的矛盾。 主要技术指标：1、40-65分贝环境下，特定人语音识别准确率达90%以上；2、全景环形透镜镜头的口径只有32mm，有效校正了像差和色差，无调焦即可看清远近视场内的物体并且成像清晰。
科学性、先进性
- 科学性和先进性：在嵌入式系统的基础上，设计并完成具有语音控制、语音人机交互、全景视觉监测、基于路标的全景视觉导航和超声波自主避障功能的智能轮椅控制系统，并在各个功能模块中实现了避障安全保护和语音人机交互功能。 虽然国外已研制出智能化程度较高的轮椅，但这些智能轮椅基本上采用通用计算机作为控制器，其体积大、结构复杂、成本高。我国目前共有四项智能轮椅发明专利。与之相比，本作品最突出的优势在于控制器的成本和轮椅的功能两个方面。 1）成本低 现有的智能轮椅基本上采用PC机作为主控制器，而本作品在实现上述诸多功能的前提下，采用单片机和DSP处理器作为主控制器，在降低系统对控制器功能要求的同时，也降低了控制器的成本。 2）功能强 本作品通过采用全新的全景环形透镜来实现360°全景成像，并通过对全景图像进行二维平面展开来实现对智能轮椅的全方位监控，此外，通过对全景图像中的导航路标的提取、识别和匹配来完成智能轮椅到指定地点的视觉自动导航。并通过采用多传感器信息融合技术来确保轮椅运行的安全性。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011-4-6在浙江大学第十二届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛科技制作发明A类复赛中获得一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 洽谈
作品可展示的形式
- ■实物、产品 ■现场演示 ■图片 ■录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：用户打开控制器电源后，即可通过“对话”进行各功能模块的选择和控制轮椅的运动。 技术特点和优势：采用语音识别、基于全景环形透镜的全方位监测和全景视觉导航、超声波避障、多传感器信息融合四种技术，实现了智能轮椅的多功能性及安全可靠性。 作品优势：成本低、易于产业化——基于单片机和DSP的控制器解决了基于PC机控制器所存在的成本高、功耗大等问题，这就向智能轮椅的产业化迈进了一大步。 适应范围：本作品可以方便地应用于普通家庭、医院、康复中心、机场、疗养院、商场、博物馆等场所。 市场分析：2005年，我国有腿脚不便情况的老年人约为2，800万人，下肢残疾人约为200万人，许多人需要使用方便的代步工具。 经济效益预测：本作品自动控制器和所有传感器的单件研制成本仅为二千元，而在市场上，功能上相近的智能轮椅，售价均在几万到几十万不等。
同类课题研究水平概述
- 国外智能轮椅研究现状：自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，许多国家投入较多资金研究智能轮椅，下面重点介绍几款典型的智能轮椅，希腊Foundation for Research & Technology Hellas开发了已经商业化的智能轮椅MWYRA，其由笔记本电脑控制，用户可以通过操纵杆直接控制或通过与轮椅串接的电脑间接控制，该轮椅实现了自主避障和视觉导航功能。西班牙Malaga大学开发的智能轮椅SENA ，基于PC机实现了除MWYRA所具有的功能外，还拥有语音控制功能。韩国高级科技研究所KAIST开发的智能轮椅，将PC机作为上位机，实现了轮椅的自主运动功能，另外为了方便不能使用操纵杆的用户，该轮椅还增设了液晶触摸屏。德国不莱梅大学开发的智能轮椅Rolland ，其可以通过手柄控制，也能把用户语言（英语和德语）转化成XML形式进行分析，但其语音识别方面还存在一些问题，而同样由其开发的另外一款智能轮椅FRIEND则基于PC机实现了语音识别功能。日本国家康复中心开发了针对物理残疾者使用的智能轮椅，该轮椅通过安装视觉传感器实现了避障功能，同时使用者还可以通过手势来控制轮椅运动方向，但结构较复杂，成本较高。 国内智能轮椅研究现状：中国开展智能轮椅的研究较晚，但也根据自己的技术优势和特点，开发出了有特色的智能轮椅平台。包括中国科学院自动化研究所的一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法（专利号：200510054510.8），该轮椅采用DSP微处理器作为主控制器，在手动控制中融入避障功能；上海交通大学的智能轮椅（专利号：200610118866.8）采用计算机、DSP微处理器和声纳控制器作为主控制器，实现了目标跟踪、避障和防跌功能。 综上所述，目前国内外的智能轮椅有个共同的特点，即它们基本上都是采用通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)作为上位机，产品体积大、成本高、功耗大、续航能力差。 [1]鲁涛，原魁，朱海兵．智能轮椅研究现状及发展趋势[J]．机器人技术与应用，2008（2）：1-3． [2] 廖晓辉，沈大中，王东署. 智能轮椅的研究现状与关键技术分析[J]. 制造业自动化，2008(04):1-6.
