基于激光SLAM自主導航技術的多功能共享輪椅

劉凱，李鵬，林群煦，林梓健，張立煒

（五邑大學 軌道交通學院，廣東 江門 529000）

0 引言

21世紀以來，許多國家的人口老齡化現象加劇[1]，根據世界衛生組織報告，65歲及以上的老年人總量在2020年首次突破7億，而我國老年人口總量更是位居全球各國之首，據國家局2021年統計，我國65歲及以上的老年人數量達到了2億，是當時世界唯一一個老年人口數量超過2億的國家。同時殘疾人數量也正在不斷攀升，自2020年報告以來，全世界超過10億人帶有某些方面的殘疾，而我國殘疾人總數超8500萬，約占世界人口的10%?！笆奈濉睍r期，我國積極應對人口老齡化，并上升為國家戰略。當前我國的老齡化承載能力較弱，老年服務和產品市場具有極大發展潛力，而對于失能、行動不便的人群來說，輪椅是他們在日常生活當中必不可少的輔助工具。目前國內市場的在售輪椅，在使用方面都具有不少的局限性，特別是在人性化功能設計方面有很多待提高的空間。因此，本文對多功能智能共享輪椅設計實驗進行了創新探索，并提出在公共場所為群眾科學共享使用，給使用者提供更加智能便捷的服務，讓使用者獲得更好的操作體驗。

1 智能輪椅的概述

1.1 輪椅市場發展現狀

在輪椅的使用早期，輪椅的定義是裝置配備有輪子的椅子，而輪椅的驅動則需要陪護人員的手動推行，隨著使用者體驗需求的改善，在輪椅輪子上增加了手圈結構，可讓使用者實現對輪椅的自驅動，但對老年人或是殘疾人的身體機能的要求較高。隨著科技的不斷發展，市場上逐漸出現了以電動機驅動的電動輪椅，可以減少人們使用過程當中的局限性。老年人市場的逐步擴大，輪椅智能化的研究成為了必然的趨勢，目前市場上智能輪椅仍有很大的研發空間。

1.2 系統原理概述

為了提升輪椅對于老年人、行動不便等人群使用的普適性，本文提出一款可用于公共場所的共享智能輪椅，以STM32F107VC單片機模塊作為核心的運動控制系統，輪椅配備有英偉達Jetson nano智能運算平臺，該平臺可融合激光雷達傳感器、IMU慣性傳感器、心率健康檢測裝置及平板電腦手機APP等的數據信號，通過CP2102模塊轉換為電平信號下發至STM32控制輪椅驅動，系統原理如圖1所示。本文還對輪椅提出更加人性化的機構設計，為使用者帶來更加便捷的使用體驗。

圖1 智能輪椅系統原理圖

1.3 科學性和先進性分析

據調研發現，早在2018年，江蘇、北京等地就已經在部分社區和醫院投放使用了共享輪椅，大多共享輪椅是折疊式的帆布輪椅，具有便攜輕量、方便使用的特點，但輪椅的自驅動性嚴重不足，甚至是沒有，需要陪護人員推動行駛，對于使用者的自驅動使用仍有很大的改善空間。

共享輪椅的智能化行駛可以通過使用者自我控制，也可以通過平板輸入、語音輸入兩種方式給輪椅下達行駛目的指令，在過程中無需人為操控，實現自主導航至目的地，其技術路線如圖2所示。自主導航功能可以減少老年人在使用過程中的自身決策，可以有效保障一些特殊使用者在行駛途中的安全性及更為智能的使用。其中，語音交互功能可以在使用輪椅過程中與人實時交流，加強人機之間的互動性，一些人性化機構設計、健康檢測系統可以提高用戶的使用體驗。

圖2 智能輪椅的使用流程圖

2 輪椅智能裝置結構總體設計

2.1 整體外觀設計

在整體外觀設計上，本設計實驗的智能共享輪椅與普通電動輪椅的結構區別較大，其總體結構設計如圖3所示。共享輪椅采用由4個電動機驅動的小直徑萬向輪，座椅可以相對圓臺底座自由上下升降，而圓臺底座也具備可控制的旋轉功能，并且在圓臺處配備一個可隨使用者旋轉的置物槽，以便使用者在乘坐過程中有更開闊的參觀視野。考慮到老人自身行動的不便性，座椅的設計上安裝了一種半升降輔助入座機構（如圖4），當有人靠近輪椅時，座椅前半部分由4根電推桿支撐差速上升，自動啟動輔助入座，以減少老人膝蓋的發力。

圖3 智能輪椅整體結構圖

圖4 半升降座椅結構圖

智能輪椅的頂端配備有一個激光雷達，通過掃描周邊環境的2D點云數據，確定自身所在位置，并構建環境地圖，在使用輪椅過程中，激光雷達也可對周邊環境進行實時回環檢測，實時更新地圖以適應環境的不斷變化，無需人工重新建立地圖。

在輪椅的投入使用前期，可通過遠程操控，對將要應用的活動區域空間進行掃描，構建完整的二維平面柵格地圖后，對該區域所有應用的輪椅群進行地圖共享上傳。輪椅行駛過程中，該功能為共享輪椅提供準確的位置信息，也提高了共享輪椅自主運動系統的環境適應性。

2.2 主控制單元模塊

輪椅主控模塊設計的要求為：1）具有自主運動能力?？梢愿鶕俗藛T的意愿對輪椅輸入目標指令，自主運動到不同的目的位置，在行駛過程中能優化路線并自動避障。2）能人工操控。由乘坐人員自主選定到達的目標位置，到達位置后能駐留觀賞。3）能采用多種控制方式，除了上述的輸入指令控制外，還應有遙控手柄控制。為此，本設計實驗的運動控制系統單元，采用Jetson Nano為主控計算機，以STM32F107VC工控板作為運動單元的控制系統，如圖5所示。

圖5 STM32F107VC工控板示意圖

STM32工控板從上位機接收指令后，通過對IN1、IN2 的 電 平控制指令，實現左右輪轉向的變化，如表1所示。而PWM通過改變脈沖列的周期對速度進行控制，其原理是通過改變脈沖的寬度或占空比來進行調壓，采用適當控制方法，即可使電壓與頻率協調變化。可以通過調整PWM的 周 期、PWM 的占空比達到控制充電電流的目的，用以調控輪椅全速前進或后退，也可以通過降低電平來調整速度[2]。

表1 IN1、IN2電平變化及PWM的占空比與運動狀態關系表

2.3 智能無線充電樁設計

多功能智能輪椅采用無線充電方式充電。無線充電器是根據電磁感應原理，利用電磁感應技術，通過內置線圈，把電流轉化為電磁后又把電磁轉化成充電電流給“自己”充電，如圖6所示。無線充電器具備多種保護功能，如過充過放、金屬異物檢測等，時刻保護使用者的安全。無線充電器的組件無外漏，不會被空氣中的水分、氧氣等侵蝕；無線充電器不存在接電點，不會有連接與分離時造成的機械磨損[3]。在大面積公共場所中，可以將充電樁多點式分布在輪椅可能會停留的地方，如餐廳、景區觀賞點、休息區等，在乘坐人員逗留期間，無需人為操控就可以實現輪椅自動無線充電。

2.4 健康監測應急系統設計

如圖7所示，輪椅帶有實時健康監測功能，可以對特定人群或人群樣本的健康狀況，定期或不定期地觀察監測，掌握其健康及疾病狀況。本輪椅左側配備有緊急按鈕（如圖8），該按鈕也可以稱為“緊急停止按鈕”，業內簡稱急停按鈕[4]。顧名思義，急停按鈕就是當發生緊急情況時，快速按下此按鈕來達到保護的作用，同時發出求救信號（一鍵求助），本輪椅還有旋轉座椅、折疊把手、景點解說等輔助功能，極大提升了使用者的便利體驗和安全性。

圖7 應急SOS緊急系統與健康實時檢測系統

圖8 緊急按鈕示意圖

3 智能輪椅的自動導航與避障

3.1 基于Cartographer的地圖構建算法

在人工智能技術的推動下，近年來自動駕駛技術快速發展，其中SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與制圖）技術得到了廣泛應用[5]，本輪椅的地圖構建采用Cartographer室內建圖算法。與其他建圖算法相比，Cartographer室內建圖算法的優點是引入了子圖（Submap）的概念，具有實時性高、累積誤差小的特點，能夠建立大場景的地圖?？梢?，這種算法是適用于輪椅使用場合的。激光雷達每掃描獲取一組數據，就與已建立的子圖進行匹配，不斷更新迭代建立全圖，不斷循環，達到回環檢測的作用。并利用分支定界（Branch and Bound）進行優化搜索，提高效率，達到實時回環的作用。圖9為基于Cartographer建圖的效果。在智能輪椅的日常使用中，實時回環能給使用者帶來更大的便利，特別是在公共場所，實時回環具有更大的便捷性。

圖9 基于激光Cartographer雷達建立地圖

3.2 智能輪椅的導航避障算法分析

對輪椅自主導航的避障方面，本設計實驗采用的是DWA算法（Dynamic Window Approach，動態窗口算法）。DWA算法適用于兩輪差速和全向移動機器人，智能輪椅采用的運動模型屬于全向移動機器人，DWA算法不需要完整的地圖環境信息，而是通過自身傳感器不斷地獲取周圍信息，提供最新的環境變化信息。其原理為在速度空間采樣多組速度（ν,ω），以不同的線速度v、角速度ω在一定時間內模擬輪椅將要運動的軌跡，得到多組軌跡的速度后，結合當前狀態，通過評價函數對每一組速度上的軌跡進行評分G（ν,ω），如式（1）所示，以對未來軌跡進行預測。而評分是以輪椅設定的速度情況下，朝著不斷趨向目標的最小方位角Heading（ν,ω），輪椅與目標最近的距離Goal（ν,ω），計算輪椅軌跡末端點到全局路徑的距離Path（ν,ω），評價輪椅與障礙物之間的距離Occ（ν,ω）以避開障礙物為標準，其中k、α、β、γ、σ為權重系數。最終選取最高分軌跡，并發布最佳速度集合至下位機來驅動輪椅的下一步運動并實現導航[6]。該算法突出特點在于其動態窗口，是在一個可行的動態范圍內，依據輪椅加減速的性能來限定速度的采樣空間，并且在不同的環境下，可以添加更多的評價指標和調整指標權重進行優化，提高輪椅導航的適應性，為輪椅的穩定驅動保障了安全性。G（ν,ω）的計算公式為

4 智能輪椅在Rviz的仿真效果

Rviz是ROS的三維可視化工具[7]。其主要功能是以三維方式顯示ROS消息，獲得數據可視化的效果。通過節點的設置來發布數據至Rviz，在啟動輪椅地盤節點、Cartographer建圖節點、DWA導航節點后，進入Rviz平臺添加顯示模型（RobotModel）、激光雷達傳感器的獲取信息（LaserScan）、所繪制的箭頭形狀（MarkerArray），再對相應類型設置話題，則獲取可視化信息，如圖10所示，通過激光雷達對場所環境的掃描建立完整地圖后，可以確定自身在地圖中所處位置，通過2D Nav Goa（設定導航目標）對地圖任意處選擇目的地，可達到自動生成最佳行駛路徑，實現自動導航。最后基于Rviz平臺進行參數調試，獲取運動仿真，驗證了輪椅各項功能使用的可行性和有效性。

圖10 智能輪椅在地圖中的局部路徑規劃示意圖

5 結語

現如今，共享市場廣闊，共享單車、共享汽車、共享充電寶等產品層出不窮。本設計實驗的智能共享輪椅市場前景廣闊，我國有大量的場館、景點和封閉園區，2022年我國的博物館總量將超過8000座以上，加上體育館、演藝中心等，我國這類大型場所數以萬計。輪椅市場用戶眾多，主要是為行動不便的老人、傷病者或殘疾人等特殊人群提供的一種便攜的公共交通方式，以共享輪椅的形式實現多種交互模式、人性化機構設計、智能驅動使用，為特殊人群帶來了便捷出行的可能。

共享智能輪椅為行動不便的老年人、傷病者、殘疾人等特殊人群在參觀游玩時提供更好的人文關懷，提高了特殊人群在特定場所游玩參觀的可行性，以獲得更好的體驗，而且為特殊人群的日常提供智能服務，協助他們便捷生活。最后基于Rviz平臺進行參數調試，獲取運動仿真，有效驗證了其功能實現的可行性。