基于視覺的嵌入式輪椅床自動對接系統

郭韶華，解迎剛，劉菁林

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

當代中國的老齡化現象逐漸嚴重，考慮到獨生子女家庭眾多，加之當今時代競爭較大，老人的子女忙于工作，往往沒有時間照顧老人；如果選擇雇傭保姆來看護老人，又將增加一筆較大的開銷。綜上所述，大多數家庭更愿意購買一款電動輪椅床，在方便老人行動的同時，節省開銷[1]。目前市面上的普通輪椅床一般不具備避障和床椅自動對接功能，無法解決老年人日常行動不便的問題。多功能護理床作為醫療護理行業的創新護理設備，其外形及功能的創新對老年人（尤其是失能或半失能老年人）護理起到至關重要的作用。隨著生活品質的提升，對護理床功能的要求愈加苛刻[2]。

另外，除了滿足家庭需要，醫院也可以使用。輸液室里的靠背座椅大多無法靈活調整位置，病人在輸液時身體不適，體驗不佳，如果輪椅床可以通過調整靠背位置來調整坐姿，那么病患在輸液時將感到更加舒適、輕松。對于看護病患的家人而言，在夜晚不方便離開時也可以躺在輪椅床上休息，隨時照顧病患或者老人。當家屬不在時，病患若想躺下休息，只需按動控制輪椅床的按鈕，使輪椅和床體對接即可。該輪椅床既方便了家屬和醫生，又能使病人得到更好的休息，利于康復。大多數病人在傷病期間往往心理脆弱，身體虛弱，智能輪椅床不僅提供了可靠的活動方式，同時也減輕了他們的心理負擔。目前大多數研究基于對輪椅的智能化改造實現輪椅的自動感知、自動避障、靈敏控制、無線通信、雙陪護等功能，具有功耗低、安全性強、功能全面、性價比高等優點[3]。

1 設計方案

基于視覺的嵌入式輪椅床自動對接系統是一款以人工智能和嵌入式技術為核心的多功能護理床[4]，通過獲取輪椅與床體精準的相對位姿，實現可分離式輪椅床的對接[5]。輪椅床自動對接系統流程如圖1所示。首先調整好電機轉速，啟動程序模型車前進，根據后續各傳感器返回的電平值，改變2個電機的運轉狀態和運轉速度，如即將碰到障礙物時，模型車轉彎實現避障，同時根據FPGA處理的圖像實時觀測模型車相對于U型對接板塊的位置，借助LED燈顯示左偏或者右偏，實時進行位置調整；當模型車正對U型對接板塊時，保持一定的速度前進，在對接板塊的終點安裝一個碰撞傳感器作為對接卡扣，對接完成后電機停止運轉，模型車停止前進。

圖1 輪椅床自動對接系統流程

2 裝置工作原理

該系統主要由電機模塊、圖像處理模塊、傳感器模塊等組成。

2.1 電機模塊

系統選用5 V電壓驅動的4相5線步進電機（減速步進電機），其減速比為1∶64，步進角為（5.625/64）°[6]。如果需要轉動1圈，那么需要360/（5.625/64）=4 096個脈沖信號[7]。步進電機結構與外形尺寸如圖2所示。

圖2 步進電機結構與外形尺寸

實驗采用FPGA模塊控制步進電機運轉，先規定左、右電機的運轉速度，在未碰到傳感器前，電機以恒定速度運轉；當左、右電機以相同速度運轉時，模型車保持前進狀態；在收到需要轉彎的指令后（如前方有障礙物，或者對接路線需要調整），控制左、右電機的運轉狀態，當左邊電機運轉右邊電機停止時，模型車向右轉，反之模型車向左轉。電機工作流程如圖3所示。

圖3 電機工作流程

2.2 圖像處理模塊

隨著多媒體的廣泛應用，與多媒體密切相關的圖像處理技術也得到了飛速發展，出現了多種形式的圖像處理技術，FPGA就是其中一種，具有開發難度小、應用方式靈活以及維護成本低等優點[8]。FPGA的處理速度相比PC機和DSP更快，故本系統采用FPGA對圖像進行處理（對圖像中的紅點進行顏色識別）。先在U型床兩側對稱畫2個紅點用來判斷輪椅的位置，顯示圖像的同時提取2個紅點的位置坐標，并計算2個紅點中間處的坐標。當攝像頭位于2個紅點正中心時，判斷自身位置正對U型輪椅床，可以保持前進；當攝像頭判斷自身所處位置相對于2個紅點中心位置左偏時，說明目前輪椅相對于U型床的入口位置左偏，其中一個LED燈亮起，提醒用戶右轉相應角度來調整位置；當攝像頭判斷自身所處位置相對于2個紅點中心位置右偏時，說明目前輪椅相對于U型床的入口位置右偏，另一個LED燈亮起，提醒用戶左轉相應角度來調整位置。FPGA提取U型床位置流程如圖4所示。

圖4 FPGA提取U型床位置流程

2.3 傳感器模塊

歷史的車輪滾滾向前，科學技術也在不斷發展，新技術、新概念不斷涌出，為傳感器的發展帶來了新的動力。此次實驗主要使用測距傳感器、碰撞傳感器和避障傳感器，碰撞傳感器和避障傳感器在未被激活時保持在1狀態，激活后為0狀態，由此控制模型車轉彎、避障。測距傳感器可以實時監測模型車距離U型對接模塊的距離，在即將對接完成時改變模型車的速度。通過多傳感器數據分析處理，及時算出車身避障所需轉動的角度，從而提高四輪小車自動避障的靈敏度和精度[9]。

3 系統實現

系統識別通過FPGA實現，實驗采用QuartusⅡ13.0編寫程序代碼，編程語言選用Verilog。

3.1 圖像顯示

本次實驗采用的攝像頭為OV5640，對攝像頭進行相關配置并接收攝像頭采集的數據信息，將攝像頭傳入的圖像數據處理后寫入SDRAM。

3.2 顏色提取

該部分主要包括圖像采集模塊、數據緩存模塊、FPGA核心模塊和VGA顯示模塊。通過動態閾值和自適應顏色匹配模板實現顏色識別，使得系統對光照變化的環境有很好的魯棒性[10]。系統總體設計如圖5所示，圖像處理流程如圖6所示。

圖5 FPGA系統框架

圖6 圖像處理流程

3.3 步進電機的控制

普通的ARM和FPGA都可以作為控制芯片實現步進電機的控制。但如果步進細分，選擇ARM實現控制，則需要頻繁進出定時器來實現高頻率的step脈沖輸出。由于ARM的代碼為順序執行，頻繁進出定時器勢必會打斷其他操作，對系統性能的提升存在弊端[11]。因此，本次實驗采用FPGA控制步進電機的方式來控制模型車的前進、轉彎，避障或對接變速則通過各種傳感器輔助實現。2個電機分別用1個碰撞傳感器來控制其運轉與停止，當碰撞傳感器激活時，其邏輯值由1變為0，電機停止運轉并保持狀態值不變。電機持續運轉及其仿真如圖7所示，此時傳感器為高電平，電機邏輯值不斷改變，控制其持續運轉。當碰撞傳感器激活時，電機狀態保持不變，電機停止運轉及仿真如圖8所示。

圖7 電機持續運轉及仿真

圖8 電機停止運轉及仿真

3.4 對接過程

當智能車軌道已正對U型對接板塊時，測距傳感器實時監測兩者間的距離。在傳感器前方不同位置放置一個障礙物，改變障礙物與傳感器的距離，并在PC端顯示距離信息。距離顯示信息及流程如圖9所示。

圖9 PC端顯示的距離信息及流程

在監測距離時，還需注意輪椅對接時行進的速度，當即將到達終點時，激活測距傳感器，改變cnt計數值與步進電機邏輯值的變化速度，從而降低輪椅床的對接速度。如圖10所示，當前方障礙物與臂章傳感器間達到一定距離時，傳感器被激活，電平值由高變為低，電機轉速改變。

圖10 避障傳感器激活

圖11為實際對接過程的圖片，途中已經根據2個紅點調整好模型車的位置，準備進行對接。對接過程中，模型車上的避障傳感器會在即將對接完成后改變車速，并通過測距傳感器[12]實時監測距離，對接完成后，模型車停下。

圖11 對接過程

4 結 語

系統實現了一種可以不借助人力控制的輪椅對接系統，在控制對接過程中，采用FPGA開發板控制步進電機來實現對模型車運動的控制，并利用傳感器實現避障、控速的功能；調整位置時通過FPGA進行顏色識別，處理圖像中事先畫好的紅色標記，同時在顯示屏中顯示采集的圖像，借助LED燈反饋位置信息，便于及時調整位置；對接時的速度通過激光測距傳感器控制，完成對接。本系統實現了對空巢老人居家幫扶器械的智能化與物聯網化改造升級，在物聯網領域和智能家居領域具有一定的實際應用價值，應用前景廣闊。