基于嵌入式系統(tǒng)殘疾人智能輪椅綜合導(dǎo)航系統(tǒng)

1、項目可行性報告：基于嵌入式系統(tǒng)的殘疾人智能輪椅綜合導(dǎo)航系統(tǒng)一 立項的背景和意義背景介紹：· 世界上大約有10%的人口即六億五千萬是殘疾人。他們是世界上最大的少數(shù)群體。 · 世界衛(wèi)生組織稱殘疾人的數(shù)量隨著人口的增長、醫(yī)療的進步以及老齡化在持續(xù)增長。 · 在預(yù)期壽命超過70歲的國家中，平均每人有8年、11.5%的生命是在殘疾中度過的。 · 聯(lián)合國開發(fā)計劃署數(shù)據(jù)顯示，80%的殘疾人生活在發(fā)展中國家。 · 世界銀行估計，世界上最貧窮的人當(dāng)中20%是殘疾人， 他們在各自所在社區(qū)里是最為弱勢的群體。 · 在英國，倫敦證券交易所金融時報指數(shù)超過10

2、0的公司，其網(wǎng)站75%沒有達到無障礙的基本要求，因此失去了1億4千7百萬美元的利潤。全國現(xiàn)有8000萬殘疾人，60歲以上的老年人口已達到1.43億。老年人口，特別是高齡、病殘老年人口的迅速增長，帶來了老年產(chǎn)品和服務(wù)方面的巨大需求。但是，我國目前養(yǎng)老服務(wù)和康復(fù)服務(wù)業(yè)發(fā)展明顯滯后，根據(jù)對2003年至2005年老年市場需求的調(diào)查，市場需求每年在6000億元人民幣以上；而市場僅能提供1000億元的商品。“十五”期間，全國有1100多萬殘疾人得到了不同程度的康復(fù)，供應(yīng)各類殘疾人輔助器具539萬余件。但是，目前康復(fù)服務(wù)的基礎(chǔ)還不高，我國城鎮(zhèn)殘疾人輔助器具配備率只有10%，也就是說全國城鎮(zhèn)的殘疾人能夠得到輔

3、助器具幫助的還不超過10%；農(nóng)村地區(qū)這個比率更低。加快開發(fā)老年人和殘疾人用品及服務(wù)產(chǎn)業(yè)是社會的急需，蘊藏著巨大的商機。輔助技術(shù)是指為改善功能障礙者所面臨的問題而構(gòu)想和利用的裝置、服務(wù)、策略和訓(xùn)練。輔助技術(shù)分為兩類：輔助技術(shù)裝置和輔助技術(shù)服務(wù)。輔助技術(shù)裝置是指任何能解決殘疾人日常生活、工作、娛樂和生活自理中的問題，能給用戶提供更多的選擇、增加用戶的參與性、使用戶有更多的控制力或耐受力、獲得更多的娛樂和自主能力的裝置。輔助技術(shù)裝置的特點有三個：1）廣泛性：它包括市場現(xiàn)有的、改進型的或定做的；2）強調(diào)對功能能力的補償，這是唯一用來衡量輔助技術(shù)裝置的成功與否的標準；3)個體性：每一種裝置的應(yīng)用都是獨立

4、的，特殊的。而我們這個項目要完成的工作就是設(shè)計一個這樣的輔助技術(shù)裝置智能輪椅，來幫助殘疾人，使他們的工作、生活變的容易，甚至可以完全彌補他們在某些方面的缺陷。我想這也是我們政府應(yīng)該為殘疾人所考慮的，讓殘疾人能更好的融入社會，所以這應(yīng)該也是合諧社會的一部分。本項目將采用16位的嵌入式系統(tǒng)為核心。嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、自適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，即操作系統(tǒng)和功能軟件集成于計算機硬件系統(tǒng)之中。嵌入式系統(tǒng)具有以下特性：執(zhí)行特定功能、以微處理器及其外圍為核心、嚴格的時序與高穩(wěn)定性、全自動操作循環(huán)，是一種軟件與硬件的有

5、機結(jié)合體，且特別強調(diào)“量身定做”的原則，即基于某一種特殊用途開發(fā)出特定的系統(tǒng)，因而提高嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用水平是極其重要的。目前，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到社會的很多方面，諸如汽車電子，樓宇自動化，軍事工業(yè)等許多領(lǐng)域，在新興的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品中，常見的有手機，PDA，GPS，Set-TOP-Box或是嵌入式伺服器(embedded server)及精簡型終端設(shè)備(thin client)等。同樣，在輔助技術(shù)裝置和設(shè)備方面，隨著輔助技術(shù)裝置功能不斷增強、設(shè)備的復(fù)雜度不斷增大，同時對輔助裝置的自動化、智能化程度也要求越來越高，使得嵌入式系統(tǒng)在殘疾人輔助裝置方面的應(yīng)用也是越來越廣泛。本項目主要是研究輔助裝置中的

6、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，實際的研究和應(yīng)用對象：智能輪椅。二 國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢機器人輪椅關(guān)鍵技術(shù)是安全導(dǎo)航問題，采用的基本方法是靠超聲波和紅外測距，個別也采用了口令控制。超聲波和紅外導(dǎo)航的主要不足在于可控測范圍有限，視覺導(dǎo)航可以克服這方面的不足。在機器人輪椅中，輪椅的使用者應(yīng)是整個系統(tǒng)的中心和積極的組成部分。對使用者來說，機器人輪椅應(yīng)具有與人交互的功能。這種交互功能可以很直觀地通過人機語音對話來實現(xiàn)。盡管個別現(xiàn)有的移動輪椅可用簡單的口令來控制，但真正具有交互功能的移動機器人和輪椅尚不多見。國內(nèi)外同類研究工作狀況： 國外在這方面發(fā)展比較迅速，如：瑞典呂勒奧大學(xué)研究人員正在研制一種輪椅，特別適用

7、于不能直接操縱輪椅的嚴重傷殘者。他們可以利用頭部動作向感應(yīng)器發(fā)出指令，如“繼續(xù)直行”、“向左轉(zhuǎn)”等，并通過電腦程序來控制輪椅運動，此外，這種輪椅今后經(jīng)過改進后還可用來為盲人和弱視者導(dǎo)航。因為其使用的“MICA移動互聯(lián)網(wǎng)連接助手”導(dǎo)航系統(tǒng)能為輪椅繪制出行進線路圖，而輪椅上的距離測量傳感器可以幫輪椅了解前方路況，以便越過各種障礙. 而在國內(nèi)，現(xiàn)在在智能機器人輪椅的研發(fā)中也有了很大的進步，但還是面臨著很多問題，如一些技術(shù)上的難題等。尤其在實際應(yīng)用中，基本是外國產(chǎn)品霸占市場，基本沒有中國自己制造的智能輪椅。即便有，也只停留在實驗室階段。如第二屆全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中，西北工業(yè)大學(xué)張君、張保、王開

8、明、趙洪慶四人設(shè)計的多功能自助輪椅；哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊會生、王金昌、陳奇、蔡一、梁輝設(shè)計的多功能電動輪椅；以及浙江大學(xué) 周春喜、庹福幸、張峰、唐睿設(shè)計的半自動爬樓梯輪椅等。但無外乎是哪種設(shè)計，都沒做到真正意義上的智能輪椅。首先，他們大都只關(guān)注于國外已有的技術(shù)，并打算以此為創(chuàng)新點；其次西北工大和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的學(xué)生則把重心放到了功能的集成上；最后，也是最關(guān)鍵的，他們并不具備真正的全自動導(dǎo)航系統(tǒng)，沒有一套合理的算法來作為智能輪椅的核心。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）也發(fā)布了項目：先進制造技術(shù)領(lǐng)域“服務(wù)機器人“重點項目。項目的總體目標：“十一五”期間，依據(jù)國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要和國家高

9、技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“十一五”發(fā)展綱要，863計劃先進制造技術(shù)領(lǐng)域針對國內(nèi)外社會發(fā)展（尤其是老年人和殘疾人）對服務(wù)機器人不斷增長的需求，將研發(fā)出高性價比的兩類助老/助殘機器人系列產(chǎn)品，并依托敬老院和康復(fù)中心等構(gòu)建助老/助殘（康復(fù)）機器人兩個綜合演示平臺，集中演示助老/助殘機器人高技術(shù)成果和產(chǎn)品，形成未來老年和殘疾人生活的新模式和新概念，引導(dǎo)助老/助殘機器人產(chǎn)品的發(fā)展，為解決人口老齡化等帶來的重大社會服務(wù)問題, 為2015年實現(xiàn)我國“人人享有康復(fù)服務(wù)”的國家戰(zhàn)略目標和社會協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。參考文獻：1陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)M.清華大學(xué)出版社,2005.72語音識別基本原理

10、Rabiner Biing Hwang Juang 著3 Feedback Control of Dynamic Systems(Fifth Edition) ，by Gene F.Franklin;J.David Powell;Abbas Emami-Naeini4 16位單片機及語音嵌入式系統(tǒng)，趙定遠 著6 殘疾人社會學(xué)，浙江省殘疾人聯(lián)合會合作編寫7 Signals and Systems，by Rernd Girod;Rudolf Rabenstein;Alexander Stenger8 Embedded Systems Design, Second Edition，by Steve

11、Heath9 履帶行駛裝置原理.安東諾夫 著；魏宸官譯10 16-Bit Embedded Controller Handbook 1991 (16-Bit Embedded Controller)，by Intel Corporation11 Near-Infrared Spectroscopy: Principles, Instruments, Applications，by Heinz W. Siesler (Editor), Yukihiro Ozaki (Editor), Satoshi Kawata (Editor), H. Michael Heise (Editor)12 基于紅

12、外測距傳感器信息的通風(fēng)管道清掃機器人控制算法研究，作者 宋章軍; 陳懇; 楊向東，制造業(yè)自動化，2006年 05期 13 nSP(TM)系列16位單片機SPCE 061A的實驗方法初探，作者 陳梅，廣西大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版), 2006年 S2期14 基于凌陽16位單片機SPCE061 A懸掛運動控制系統(tǒng)，作者 貢雪梅; 李新釗; 胡春雷; 錢建松, 西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2007年 第1期15 履帶車輛的轉(zhuǎn)向控制，作者 姚蔚利; 陳慧巖; 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2005年 11期 16 Chain Vibration and Dynamic Stress in Three-Dime

13、nsional Multibody Tracked Vehicles, by M. Campanelli, A.A. Shabana and J.H. Choi, Multibody System Dynamics,1998/9 Volume 2, Number 3三 項目主要研究開發(fā)（產(chǎn)品開發(fā)）內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)以及科研創(chuàng)新的主要方式1） 主要研究開發(fā)內(nèi)容： 通過紅外線測量、電子語音信號處理以及硬件電子電路的設(shè)計，并利用電機、話筒采集、遙控器，實現(xiàn)我們設(shè)計系統(tǒng)的三種操控方式。通過設(shè)置在輪椅上的遙控器（方向盤），來控制輪椅的前進后退。在外部較大的噪音擾動，此操控方式更有助于使用者方便的通過輪椅行動

14、。a) 通過設(shè)置在輪椅上的話筒，進行語音對輪椅控制，可以同過簡單的指令，例如“前進”、“后退”等，來操控輪椅的行動。此操控方式能夠讓使用者更加方便在較為安靜的條件下操控輪椅，尤其對手部也不方便的使用者更顯得方便。同時也可以語音遙控家中部分電器。b)自動導(dǎo)航算法。通過添加在系統(tǒng)的電子地圖，在可觸控的LCD液晶顯示屏上點擊目的地，輪椅可自動計算最短路徑，自動在系統(tǒng)控制下到達目的地（誤差控制在1米內(nèi)）。同時在自動行走過程中，可以通過紅外線監(jiān)測前進方向上距離5米內(nèi)的障礙物，并且可以智能化的繞過障礙物，對于高小于15厘米的障礙物進行翻越，而高于15厘米的障礙物，在距離2米時執(zhí)行繞過。c)而當(dāng)需要在室外行

15、走時，可以通過由政府鋪設(shè)的色帶來進行導(dǎo)航，方便地到達目的地。2） 主要原理:(1) 語音識別系統(tǒng)原理語音識別的基本過程 根據(jù)實際中的應(yīng)用不同，語音識別系統(tǒng)可以分為：特定人與非特定人的識別、獨立詞與連續(xù)詞的識別、小詞匯量與大詞匯量以及無限詞匯量的識別。但無論那種語音識別系統(tǒng)，其基本原理和處理方法都大體類似。 語音識別過程主要包括語音信號的預(yù)處理、特征提取、模式匹配幾個部分。預(yù)處理包括預(yù)濾波、采樣和量化、加窗、端點檢測、預(yù)加重等過程。語音信號識別最重要的一環(huán)就是特征參數(shù)提取。提取的特征參數(shù)必須滿足以下的要求： a)提取的特征參數(shù)能有效地代表語音特征，具有很好的區(qū)分性；b)各階參數(shù)之間有良好的獨立性

16、； c)特征參數(shù)要計算方便，最好有高效的算法，以保證語音識別的實時實現(xiàn)。 在訓(xùn)練階段，將特征參數(shù)進行一定的處理后，為每個詞條建立一個模型，保存為模板庫。在識別階段，語音信號經(jīng)過相同的通道得到語音特征參數(shù)，生成測試模板，與參考模板進行匹配，將匹配分數(shù)最高的參考模板作為識別結(jié)果。同時，還可以在很多先驗知識的幫助下，提高識別的準確率。（2）遙控模塊的原理一種語音控制電器系統(tǒng)，包括主機和語音控制器兩部分，在語音控制器中，語音控制信號被麥克風(fēng)拾取，然后通過 AGC放大器一進行放大，語音識別對該放大后的信號進行識別處理，產(chǎn)生一個識別信號，該識別信號通過指令編碼控制器產(chǎn)生一個控制信號，該控制信號再經(jīng)過音頻無

17、線發(fā)射器變成一個無線遙控信號，主機中的遙控信號接收器接收到該無線遙控信號后，主機的中央處理器譯碼出控制指令，主機就可以根據(jù)該控制指令進行工作（3）紅外線測距模塊的原理及應(yīng)用紅外測距模塊是測量與輪椅所在環(huán)境邊緣及障礙物之間距離而設(shè)計的測障傳感器。它通過發(fā)射紅外線并測量紅外線被反射回來的相位來計算被測物體和測距模塊之間距離，并以電壓大小的形式輸出給主控制器，有效距離8200厘米。 圖為紅外測距模塊“數(shù)值與距離”的關(guān)系圖如上圖所示，紅外測距模塊的有效測試距離在8cm-500cm之間，當(dāng)紅外模塊與障礙物之間的距離為8cm左右時，紅外模塊讀取數(shù)值為最小120左右，當(dāng)紅外模塊與障礙物之間的距離等于或大于5

18、00cm左右時，其讀取數(shù)值為最大255，從上圖可以看出，在8cm與500cm之間，距離越遠，紅外數(shù)值越大。但是當(dāng)距離小于8cm時，其讀取數(shù)值不變小反而增大，在這里我們把距離為8cm的這個點稱作為盲點。這類測距系統(tǒng)的特點是：紅外發(fā)射器的功率愈大，紅外光束所能達到的距離也就愈遠，信號的處理也就愈容易。但是由于受到電源和成本的限制，也由于被攝體反射率條件的不同，紅外測距系統(tǒng)的測距范圍是有限的，可測范圍大致為815m。當(dāng)接收器測不到返回光線時，返回給系統(tǒng)一個保留值。（4）電子地圖與自動輪椅的結(jié)合。電子地圖的導(dǎo)航功能分為兩塊，分別為室內(nèi)的預(yù)處理導(dǎo)航以及室外的人工控制。室內(nèi)電子地圖導(dǎo)航的原理和當(dāng)今網(wǎng)上流行

19、的網(wǎng)絡(luò)游戲類似。需要預(yù)先將建筑物的平面圖輸入輪椅的儲存模塊中。并預(yù)先人工設(shè)置好最短路徑。操作時只需要預(yù)先設(shè)定好目的地即可。輪椅行駛時將以預(yù)設(shè)路徑為基本路徑，結(jié)合紅外測距進行微調(diào)以保證方向和距離的正確性。若預(yù)設(shè)路徑上出現(xiàn)無法越過的障礙物，則通過紅外測距計算出可能通過路徑，若無法在設(shè)定時間內(nèi)繞過障礙則停止前進，并返回一個錯誤。其中，將涉及到自動導(dǎo)航算法，該算法包括兩個部分，分別為自動求最短路徑，以及遇到障礙時的自動繞過功能。具體算法核心部分將在第五部分，實施方案處進行介紹。圖A 正常預(yù)設(shè)路徑 圖B 遇到障礙處理在室外，由于環(huán)境比較復(fù)雜，不易預(yù)先設(shè)置路徑。我們采用人工控制輪椅的前進路徑，人工控制的方

20、面有多種選擇，即可以通過手動傳感器控制，還提供語音控制的功能（主要考慮到有些殘疾人手也不方便動）。（）的障礙越過能力：履帶型機構(gòu)越過障礙：履帶型機構(gòu)的越過障礙應(yīng)用較多，它采用比星型輪機構(gòu)更為連續(xù)的行走方式，傳動效率比較高。在上下樓梯過程中，輪椅的重心總是沿著與樓梯臺階沿的連線相平行的直線運動的，其重心的波動很小，運動非常平穩(wěn)。 履帶式障礙越過示意圖（）核心控制部分這一部分是整個項目核心，主要實現(xiàn)16位嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用以及對整個系統(tǒng)的處理。具體控制電路如圖C所示。此核心控制部分主要完成對周圍環(huán)境和地形的反饋，電機的自動化控制，各種模式之間的切換，人機交互，以及發(fā)送指令和接收來自紅外探測器的數(shù)據(jù)。

21、作為發(fā)展最快的電子器件之一，可編程器件已經(jīng)具備足夠強大的功能來實現(xiàn)這一復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，同時，也因為它的可變成特性，為將來它的廣泛應(yīng)用埋下了最堅實的基礎(chǔ)。使用16位嵌入式系統(tǒng)來作為這個項目的核心控制部分，使得項目的核心結(jié)構(gòu)變得更加簡單明了。同時，它良好的輸入輸出特性可以提供豐富的人機對話資源 圖C. 核心控制圖（）自動控制部分-小車的穩(wěn)定性整個系統(tǒng)包括CPU、運動控制卡、伺服機構(gòu)、小車和光電碼盤等幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)?？刂频哪康氖菫榱耸剐≤囋诓环€(wěn)定的平衡點保持穩(wěn)定平衡，并能經(jīng)受一定的外加干擾。當(dāng)小車直走時，可能由于各種因素的作用使得控制小車兩邊的履帶的電機上的電壓會不相同，當(dāng)兩邊的電

22、壓差達到一定值時，運動控制卡要將實時數(shù)據(jù)報告給CPU，同時CPU作出相應(yīng)的控制決策，返回給運動控制卡，由它來實現(xiàn)CPU的決策，讓小車保持穩(wěn)定的直走。如圖D 圖D. 自動控制系統(tǒng)當(dāng)小車接受到擾動時，在一定的時鐘內(nèi)，CPU作出決策，讓兩邊電機產(chǎn)生一個電壓差即速度差，使得小車能夠轉(zhuǎn)過彎去。當(dāng)擾動過于大時，CPU將產(chǎn)生一個中斷，啟動剎車使得輪椅立即停下。3） 科研創(chuàng)新方式：（1）本課題是在對16位嵌入式系統(tǒng)的了解和深入研究的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到實際的殘疾人行動設(shè)備中，具有很好的實用價值和創(chuàng)新意識，具有一定的前瞻性。（2）對于智能導(dǎo)航的算法進行了突破，使其同時具有最短路徑的計算能力和對障礙的避讓功能，這一

23、創(chuàng)新彌補了目前智能輪椅在全自動化導(dǎo)航過程中的不足。（3）在功能上進行了集成，把殘疾人日常使用的功能移植到了一起，采用語音操作，方便了殘疾人的生活。而在室內(nèi)室外的自動行駛又在另一程度上使得重度殘疾的殘疾的患者可以真正意義上地安全行駛。（4）采用多種操作方式相結(jié)合，提供了豐富的選擇性，可以滿足不同殘疾程度人士的需要。另一方面也提供了廠商生產(chǎn)時的可變性，既保證了系統(tǒng)的可靠性和實時性，同時也降低整機成本，可以獲得更多市場和利稅。四 預(yù)期目標一 主要性能指標：1 具有三種操作模式，并可以根據(jù)需要進行選擇：a) 聲音控制，滿足大多數(shù)人群需要。提供向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及剎車等功能。b) 電子地圖與地面色

24、帶相結(jié)合的室內(nèi)外自動導(dǎo)航裝置。支持電子地圖的下載和路徑的預(yù)先設(shè)置。室外色帶分辨率工作范圍容差大于50小于100。紅外測距范圍8CM-500CM。c) 遙桿操縱，提供最基本的操作，包括向前、向后、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及剎車等功能。2 障礙的越過能力：a) 對于相對低于15CM的障礙可以直接翻越。b) 對于高于15CM的障礙，根據(jù)自動導(dǎo)航算法中的繞障能力，在距離障礙2M時可選擇繞行通過。若無法在15秒內(nèi)繞過障礙回到預(yù)設(shè)路徑，輪椅將停止前進，并發(fā)出警報。3 其他功能： 同時將集成簡單的家用遙控器功能，采用聲控方式進行操作。二應(yīng)用前景：目前市面上的輪椅都以最簡單最基礎(chǔ)的功能為主，對于使用者來說獨立行動費時費力

25、相當(dāng)不方便，而且很多需要在外人的幫助下才能行動。本課題所設(shè)計的輪椅定位于提高殘疾人士的單獨行動能力，以其多樣快捷的操控方式，極大的方便了殘疾人士。同時，該輪椅可以很好的服務(wù)于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等機構(gòu)，為不方便獨立行動的患者、老人等提供一個舒適方便的行動工具，在缺少人為幫助的情況下，讓他們可以輕松四處移動。而且該輪椅具有的語音控制系統(tǒng)，可以讓使用者在交互式的使用方式下進行操控，對于高位癱瘓以及不方便手部操控的殘疾人士可以輕松通過語音來操控那個對于他們來說相當(dāng)困難得輪椅。此外，本課題所設(shè)計的輪椅擁有獨特的電子地圖系統(tǒng)操控模式，尤其適合在室內(nèi)行動，通過事先錄入的電子地圖，只要在電子地圖上點擊目的地

26、，就可以讓輪椅自行行走，在不需要任何人為幫助的條件可以輕松到達目的地，無論對于家里的老人還是殘疾人有著極大的幫助。另外在成本控制上，采用了紅外測距而不是激光測距，雖然降低了精度，但卻在不影響輪椅正常行駛的情況下大大節(jié)約了成本，另外采用16位的嵌入式系統(tǒng)使得該輪椅易于操作，生產(chǎn)簡單，為一定規(guī)模的生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。三 獲取自主知識產(chǎn)權(quán)：自動導(dǎo)航算法。具備完備的自動計算最短路徑和自動繞過障礙的功能。本課題的研究是基于嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上對外圍傳感器的控制和數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能，軟硬件設(shè)計是自行完成，所以具有自主知識產(chǎn)權(quán)。五項目實施方案由于考慮到輪椅實物太大，難以反復(fù)進行多次實驗

27、，故決定先采用小車來進行模擬輪椅的功能。本系統(tǒng)硬件子模塊及子電路擬采用的技術(shù)路線和解決方案闡述如下：（1）自動導(dǎo)航算法：最短路徑算法：在固定區(qū)域內(nèi)，電子地圖的上我們預(yù)先設(shè)定一些固定的點，我們把它稱為可到達點，在原本就存在的障礙物周圍0.5左右我們都設(shè)定可到達點，如圖上的E、F點，以此來避免遇到障礙物。對于門，我們在門線中心左右0.5各設(shè)一個可到達點，如C、D點。我們用間隔0.5的線條把整個地圖分成0.5*0.5的小方塊，這些可到達點都是這些方格的中心，只要屬于方格內(nèi)的點都以方格中心為確認的點。在開始計算時，我們用紅外線對墻壁的測距以及一些事先設(shè)計的小車位置確認點來確認小車的位置，確認只有以小車

28、所在位置的中心點設(shè)置一個起始可到點，如圖中A。當(dāng)使用者給出目的地后，在電子地圖上根據(jù)目的地，給出一個目的可達到點，假設(shè)如圖B。這樣，通過操作系統(tǒng)得計算各個可到達點之間的距離，可獲得一個由這些點構(gòu)成圖，有系統(tǒng)生成。讓后通過系統(tǒng)通過Dijkstra算法，計算出最短的路徑。當(dāng)有多個門穿過時，這樣的算法能夠保證獲得較短的路徑。在一個房間里的兩個可到達點之間毫無疑問通過直線走最短路徑。如圖所示，我們可以獲得一條ACDB的最短路徑。對于這些可到達點可以通過事先設(shè)定，也可由人工添加，而起始點和目的點在每次開始最短路徑時確定，在執(zhí)行結(jié)束后消除。（見圖E）圖E.最短路徑示意圖障礙物繞過算法當(dāng)然在路徑上也可能出現(xiàn)

29、不可預(yù)測的障礙物，當(dāng)確定路徑后遇到障礙物時，我們要執(zhí)行障礙物繞過算法。當(dāng)在前進方向的1.5米外通過檢測到障礙物，開始預(yù)警，當(dāng)距離只有1米時障礙物還在，執(zhí)行繞過程序。下車迅速減速后，通過紅外掃描可以預(yù)測障礙物的廣度，然后利用可達點來判斷左右距離，取可通過一邊，若兩邊都不能通過，則停止前進。減速停止后，通過履帶以及電動機向可通過方向選轉(zhuǎn)60度，以較低的速度前行，以障礙物的廣度來預(yù)測大約的前景路程，并通過兩側(cè)的紅外線不斷檢測原先路徑方向是否還有障礙物，直到檢測到原先通路上方向上可以通過，進而停下后，再轉(zhuǎn)向90度，回到原先方向上，繼續(xù)前進。當(dāng)然還是用左右兩側(cè)的紅外線不停的檢測是否繞過障礙物，當(dāng)檢測后繞

30、過后再次轉(zhuǎn)向90度回到原先的路徑上執(zhí)行原先的路徑程序。如圖F中，分別在A、B、C三點進行轉(zhuǎn)向，最后回到D點，通過ABCD的過程繞過障礙物。通過在軟件算法上的完善可以讓在較短的時間內(nèi)通過障礙物，圖F. 繞過障礙部分示意圖（2）主控CPU模塊：本系統(tǒng)雖然集成了很多功能，但是從數(shù)據(jù)量的處理來看并不是很大，因此CPU仍可以采用16位的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)。該模塊的最小系統(tǒng)包括16位的單片機芯片、人機交互（包括液晶顯示、發(fā)光管指示、鍵盤和蜂鳴器等）、計算機通信的異步串口（UART）、與其他模塊通信的系統(tǒng)總線和控制線、系統(tǒng)FLASH和SDRAM以及調(diào)試口JTAG等。其最小系統(tǒng)如下：圖4. 主控CPU模塊框圖（

31、3）紅外測量模塊：本系統(tǒng)工作時序繁瑣且是整個儀器實現(xiàn)自動行駛的關(guān)鍵，同時紅外距離及顏色的測量控制直接影響到儀器的測量精度和準確性。測距部分由兩個窗口組成，一個用來發(fā)射紅外線，另一個用來接收返回的紅外線.測距部分的工作過程是由紅外發(fā)射器發(fā)出波長約為900nm左右的紅外光線束，通過一塊非球面調(diào)焦透鏡射出。當(dāng)遇到障礙時，紅外光線會反射，并由紅外接收器接收。紅外接收器是由一組透鏡和排列的感光元件組成(現(xiàn)大多數(shù)采用位置傳感二極管，PSDPosition Senser Diode)。距離不同的障礙，會使反射光線進入紅外接收器的入射角度改變，從而也由不同的感光元件所接收。感光元件在受到紅外光線的照射后，產(chǎn)生

32、電信號，該信號通過放大和轉(zhuǎn)換電路，反饋給控制系統(tǒng)。測量距離的同時還需考慮到測量的范圍，以及出現(xiàn)無窮遠情況的處理方法。天氣以及光照的變化在一天內(nèi)較大時，干擾較大，還須考慮如何排除干擾。（4）自動控制模塊：這是本系統(tǒng)最為關(guān)鍵而且最為困難的方面。當(dāng)小車直走時，可能由于各種因素的作用使得控制小車兩邊的履帶的電機上的電壓會不相同，當(dāng)兩邊的電壓差達到一定值時，運動控制卡要將實時數(shù)據(jù)報告給CPU，同時CPU作出相應(yīng)的控制決策，返回給運動控制卡，由它來實現(xiàn)CPU的決策，讓小車保持穩(wěn)定的直走。當(dāng)小車接受到轉(zhuǎn)彎信號時，CPU作出決策，讓兩邊電機一邊電壓高（轉(zhuǎn)速快），另一邊電壓低（轉(zhuǎn)速慢），使得小車能夠轉(zhuǎn)過彎去。同

33、時，在轉(zhuǎn)彎的操作過程中也需要一個穩(wěn)定的狀態(tài)，這個穩(wěn)定狀態(tài)的控制類似于前面所講的，只是要保持一個相對穩(wěn)定的電壓差。同時還要實現(xiàn)與系統(tǒng)核心16位單片機的通信并完成所有的電機控制和實時時鐘。其核心控制可以采用16位嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)，目前的單片機，已非常成熟，典型外圍電路和運用都非常方便，而16位的嵌入式系統(tǒng)則是相對來說比較新穎，技術(shù)還處于發(fā)展中，有一定的挑戰(zhàn)性。目前單片機功能越來越強大，而且16位單片機不斷推出新產(chǎn)品，迅速發(fā)展，而價格卻在下降。所以本系統(tǒng)擬選用16位單片機來實現(xiàn)邏輯編程，其中具體的電機控制電路和16位單片機的核心控制部分的通信協(xié)議擬采用SPI同步串行總線方式，發(fā)光二極管LED作為系統(tǒng)

34、工作正常的工作指示，具體電路框圖如下：圖5.電機驅(qū)動控制單元框圖（5）鍵盤處理電路：為了能更好地進行人機交互，鍵盤是主要的輸入工具之一，本系統(tǒng)需要10個按鍵左右，具體實現(xiàn)可以采用普通的四腳按鍵或薄膜開關(guān)進行設(shè)計，為了整體效果美觀大方，擬采用薄膜按鍵開關(guān)作為輸入工具，其鍵盤處理芯片采用ZLG7290。（6）遙控單元：方案一目前家用遙控器主要為按鍵式，并有兩種類型：一種是固定碼型，每個鍵對應(yīng)一種或幾種碼型，都是生產(chǎn)廠家預(yù)先設(shè)定好的，用戶不能更改；另一種是學(xué)習(xí)型，具有自我學(xué)習(xí)遙控碼的功能，可由用戶定義遙控器的每個鍵對應(yīng)的碼型，它能夠?qū)⒍喾N遙控器集于一身，用一個遙控器就可控制多個家電，又可以作為原配遙

35、控器的備份。由于現(xiàn)代家電功能不斷增加，上述兩種遙控器都有按鍵過多，用戶不易記住每個鍵的含義等問題。將語音識別技術(shù)應(yīng)用于學(xué)習(xí)型遙控器，利用語音命令代替按者對命令的記憶和使用，同時省去了大量按鍵，縮小了遙控器的體積。在使用前，按“學(xué)習(xí)鍵”進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，用戶先對學(xué)習(xí)型遙控器訓(xùn)練語音命令，并使其學(xué)習(xí)與各語音命令相對應(yīng)的原理控碼型。使用時按“識別鍵”，進入語音識別狀態(tài)，等待語音處理模塊返回結(jié)果，若返回正確的識別結(jié)果，則把相應(yīng)的遙控碼發(fā)射出去。例如，原電視遙控器數(shù)字鍵“1”對應(yīng)中央1臺，用戶的訓(xùn)練命令為“中央1臺”，學(xué)習(xí)了原遙控器的數(shù)字鍵“1”的遙控碼，并使其與訓(xùn)練命令“中央1臺”對應(yīng)起來。于是使用時只需

36、對著學(xué)習(xí)型遙控器的麥克風(fēng)說出“中央1臺”，電視就會切換到中央1臺。這樣用戶不需要記住每個電視臺與臺號的對應(yīng)關(guān)系，相對于枯燥的頻道數(shù)字，用戶自定義的命令更容易記祝    若連續(xù)的30秒無正確的命令則遙控器進入休眠狀態(tài)方案二一種語音控制電器系統(tǒng)，包括主機和語音控制器兩部分，在主機中增加了一個音頻無線發(fā)射電路。在語音控制器中，有相應(yīng)的接收電路，語音控制信號和主機揚聲器發(fā)出的聲音則通過麥克風(fēng)接收，這兩路接收信號經(jīng)對消后，剩下語音控制信號進行語音識別，識別控制信號通過無線方式控制主機工作。本發(fā)明可用于發(fā)聲或不發(fā)聲主機、或有一個發(fā)聲主機并含一個或多個不發(fā)聲音的主機，需進行語音控制的情況，其控制敏捷，識別概率高。本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的所有功能，包括各個設(shè)備和模塊的通信及控制、系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作等都是在硬件基礎(chǔ)上的軟件設(shè)計，因而軟件設(shè)計在整個課題中占有大半的分量，整個系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包含以下幾個功能模塊：鍵盤處理程序、遙控的控制、聲音文件的處理、驅(qū)動單元控制、紅外測量模塊控制、軟件菜單設(shè)計、電動機穩(wěn)定系統(tǒng)基于PID的設(shè)