基于坐姿傳感及自主避障的輪椅控制系統設計

付宏圖 單超穎 趙日升 季 旭 張 旭

（沈陽城市建設學院信息與控制工程學院，遼寧 沈陽 110167）

隨著社會發展，全球老齡化人口逐漸增多，尤其是進入21 世紀以來，中國人口老齡化進程明顯加深，根據2022 國家統計局1 月17 日發布的數據，從年齡構成看，2021 年60 歲以上（含60 歲）人口數量為2.6736 億人，占總人口的18.9%，其中65 歲及以上人口2.0056 億人，占全國總人口數量的14.2%。11.9%家庭對老人及殘障人士的看護成本加重，對輪椅尤其是智能輪椅的需求與日俱增。據國家輔具研究中心數據顯示，實際輪椅適配比例僅為10%左右，而普通電動輪椅僅解決了動力問題。

為了提高輪椅的安全性和智能性，滿足殘障人員及行動不便的老人的需求，廣大研究人員在已有的電動輪椅中進行了智能化的研究，產生了智能輪椅這一產品。智能輪椅的開發，需要根據其應用的大環境，滿足使用者的生理與心理需要，以達到環境安全、舒適、操作方便、緩解操作疲勞的目標。本系統采用單點式傳感器將坐姿辨識與輪椅控制系統相結合，系統整體的設計方案是：坐姿類型、地圖環境信息、障礙物距離等，使機體的速度和角度輸出達到自主、躲避開障礙，并自動選取最佳線路。

1 總體方案設計

該智能輪椅運行系統由坐姿辨識、數據采集、障礙物距離測量三部分組成，總體系統框架如圖1 所示。

圖1 中：單片機3 負責采集環境信息部分和障礙物距離測算。單片機2 是壓力傳感器的電壓收集，并將電壓傳感器的電壓數據傳遞到樹莓派，并以此為樹莓派構建分類器的模型。單片機1 是整個系統的中央控制器，收集單片機3 傳輸的座姿類型和單片機2 傳送的環境信息，并由模糊控制智能傳感器根據接收的信息實現輪椅自主識別前方障礙物從而設定避開障礙物的行進路線并執行。

圖1 總體系統框架圖

2 坐姿辨識

由于人體的坐姿和身體尺寸的區別，使其壓力不均勻。我們將單點式壓力傳感器成散點式排列分布并進行多輪壓力測試及數據采集，具體分布如圖2 所示。選擇特定的傳感器為FSR 毫米薄膜壓力傳感器，數量為20，按陣列式進行合理布置。所采用的壓力傳感器為電阻式傳感器，此傳感器可以根據所受壓力的變化使電阻值發生變化，它與分壓電阻串聯，并供以3.30V 參考電壓，因此A/D(仿真/數字變換)所獲取的分壓電阻電壓變化數據可以反映出壓力數據的變化值。最終記錄數據為20 次記錄的壓力變化平均值，由此降低其他因素影響如光線、噪聲等。

圖2 座椅部分傳感器陣列分布

2.1 壓力傳感器

FSR402 型薄膜壓力傳感器工作原理是通過將作用在FSR 傳感器薄膜區域內的壓力轉換為電阻值的變化，以獲取壓力信息。獲得的壓力越大，電阻的值就越低。其應用場合的壓力在0g～10kg 的范圍。在輸出管腳間的電阻及壓力關系方面，有兩種不同的表現。在初始階段，當壓力突破某一壓力門限后，導通電阻會出現突破，在該門限前，FSR 就像是一個切換。在超出了該閾值時，FSR的電阻與壓力之間存在著持續的變化（圖3-4）。

圖3 FSR402 壓力與電阻之間的關系

根據所測量的數據進行分析，在各種位置下，各壓力傳感器的電壓資料會發生變化，篩除變化不大的分布點，在此基礎上，將各傳感器再移動到其它點上進行測試，并進行了多次試驗測量的最優布置。

圖4 傳感器與不同的壓力范圍內的電導和壓力的關系

2.2 分類器的采用-支持向量機

SVM 的關鍵在于核函數。低維空間矢量集一般難以進行分類，而解決這個問題的方法是將低維空間矢量集信息映射到高維空間中，這種方法在一定程度上解決了問題；但這種方法的難度在于運算量的增多，而SVM 的核函數可以很好的解決這種問題。即只需要選擇適合系統的核函數，SVM 就會通過核方法進行非線性分類，就可以獲得在高維空間中的分類函數。在SVM 理論中，選擇不同的核函數，會對SVM 算法的產生不同的影響，其處理流程見圖5。

圖5 SVM 處理算法流程

3 數據采集

3.1 激光雷達信息的獲取

激光雷達由激光發射器、光接收器、轉臺裝置、信息處理裝置等構成，發射器將電脈沖信號轉為光脈沖信號發射出去，再由光接收器將目標反射的光脈沖信號轉為電脈沖信號，將顯示器這一系統設置的激光雷達工作區域為輪椅前方150°扇形區域內，對道路情況、障礙物情況、交通情況等目標進行探測和識別。對移動機器人障礙物的檢測方法有激光雷達、視覺傳感器、紅外或超聲傳感器等。

3.2 超聲波傳感器信息的獲取

超聲波傳感器是根據超聲波的一些特性制造出來的，用于完成對超聲波的發射和接收；超聲波的頻率高、波長短、方向性好、具有不錯的穿透效果。超聲波傳感器主要由發送、接收、控制和電源部分組成；發送部分由發送器和換能器組成，接收部分由換能器和放大電路組成，超聲波測距原理是超聲波的發送部分發射超聲波，發射同時并開始計時，當遇到障礙物時，由于聲波具有反射性，聲波就會反射回來，當超聲波接收部分接收到反射回來的超聲波時，計時停止。傳播介質為空氣，傳播速度為340m/s，利用公式，可以計算出障礙物的距離。智能輪椅工作環境中大部分為細小的障礙物，正常反饋聲波太小，無法將足夠多的聲波反射回要檢測的傳感器，由于測量波束角大，方向性不強，測距不精確，不能提供障礙物的邊界信息。輪椅在室內外部運動環境變化較大，綜合考慮性能、經濟、技術等因素，將激光雷達和超聲波傳感器結合起來，對周邊環境進行檢測。超聲波傳感器安裝在車輪的中間70cm 上，在轉彎時能觸碰到更低的障礙物。同時，為了匹配超聲波傳感器的檢測距離，采用匹配超聲波傳感器的檢測距離，即檢測半徑設置2.5 米。

4 實驗結果與分析

4.1 坐姿識別測試與分析

通過單點壓傳感器的布置，獲取不同身高體重用戶坐姿壓力資料，結合使用者的坐姿測量并運用SVM 技術。測量無使用者狀態時各傳感器的電壓值，選用3.30V的電源為傳感器提供工作電壓，在無測試者的狀態下傳感器輸出的電壓在3.26V 至3.30V 之間，當測試者在輪椅上的坐姿發生改變時，各傳感器電壓也將隨之變化。分別測量輪椅在空載和有測試者使用時的電壓情況，測得結果如表1 所示。從表1 可以看出，將測得的電壓值與傳感器理想電壓值進行比較，發現測得的傳感器電壓值與理想電壓3.30V 存在0～0.4V 的偏差。這主要是因為實際的電路中需要接入電阻導致，而且實際的測量儀器也會對結果造成一定的干擾，屬于正常現象，在實驗誤差的范圍內，不影響實際的測試。

表1 空載與使用者正常坐姿的傳感器電壓（單位V）

4.2 自主避障測試與分析

利用超聲波傳感器和激光雷達對渦輪和障礙物的間距進行檢測，并利用模糊控制來完成。6個超聲波傳感器對輪椅左、右兩邊的超聲波傳感器具有其重要意義。通過分析，提出將輪椅的行進方向設定在兩個障礙物連線的中點與輪椅的連線上，以兩個障礙物連線的中點為坐標原點，輪椅的行進路線、障礙物的連線為坐標軸，并建立幾何關系，見圖6。

圖6 障礙物方位

將兩個障礙物的連線的中點到輪椅間的距離記為L0；輪椅與障礙物1、障礙物2 之間的距離記為L1、L2；用超聲波傳感器測得的兩個數據分別記為L′1和L′2；將此作為輪椅測試時行進路線的起點，輪椅向順時針方向旋轉表示角度正增長，向逆時針方向旋轉表示角度負增長，將障礙物1 與輪椅行進路線之間的夾角記為φ1，障礙物2 與輪椅行進路線之間的夾角記為φ2；用激光雷達測得障礙物1、2 的夾角分別為φ′1和φ′2。輪椅從遠處開始運行工作，不斷接近兩個障礙物，輪椅每通過0.1m，激光雷達與兩個超聲波傳感器都會發出信號并接收，不斷地采集周圍環境信息。

用記錄的數據來求出L0，記為L′0，計算二者之間的偏移，為ΔL，并得到了目前的環境類型，利用激光雷達和超聲波傳感器對障礙物方位信息進行準確性測試，而且該系統識別了其他環境類型，滿足了預期的結果，因此，采用設計的輪椅系統可以進行障礙物方位的識別。

5 結論

本系統主要以坐姿傳感及超聲波傳感器測距系統為核心,運用不同的驅動模塊實現輪椅的自動感知、可靠控制等多樣功能。利用獲取用戶坐姿壓力，將其歸類為坐姿控制。研究發現，此輪椅控制系統是具有坐姿傳感識別及坐姿控制的智能輪椅系統，是一種可以自動探測并躲避障礙物的坐姿控制系統。這種系統可以根據用戶的坐姿控制其輪椅方向，增強輪椅的駕駛安全。