基于圖像識(shí)別的智能輪椅的設(shè)計(jì)*

閩南科技學(xué)院 張榮輝 鐘宇帆

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款智能輪椅，該系統(tǒng)在保證輪椅傳統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上集成有手勢(shì)遙控方便手部殘障人士對(duì)輪椅主體的操作；防撞功能能夠在設(shè)定的距離內(nèi)弱報(bào)警、強(qiáng)報(bào)警以及強(qiáng)制剎車，在此功能下?lián)碛腥藱C(jī)互動(dòng)界面可通過液晶屏幕直觀看輪椅相對(duì)前方障礙物距離；基于輪椅上的攝像頭來實(shí)現(xiàn)跟隨，方便解決腿腳不便的老齡人以及肢體殘障人士獨(dú)自出行、康復(fù)訓(xùn)練等問題。

隨著生活水平不斷提高，醫(yī)療保險(xiǎn)和社會(huì)福利的不斷完善，人的平均壽命也隨之增長(zhǎng)，老年人群中腿腳不便者不在少數(shù)；隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，腿腳不便的殘疾人士的生活水平也受到了社會(huì)各界的關(guān)注[1]。針對(duì)這兩類特殊人群，輪椅的重要性不言而喻。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款智能輪椅，為腿腳不便這類人群的出行提供切實(shí)的保障[2]。

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，圍繞著微型控制器的最小系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)，在輪椅車體以及配套遙控器的組合下整體功能包括了圖像識(shí)別跟隨、防撞距離可視化、可設(shè)定障礙物距車體不同距離的強(qiáng)弱報(bào)警以及手勢(shì)姿態(tài)配合觸摸按鍵控制等人性化操作功能，可滿足上文中所提及的特殊人群實(shí)際生活中的需求。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 The block diagram of system composition

整體的輪椅系統(tǒng)分為兩部分，這兩個(gè)部分通過射頻進(jìn)行無線通訊。第一部分遙控器以選定芯片作為中控通過觸摸按鍵啟動(dòng)，體感模塊采集手部姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理傳給輪椅，輪椅根據(jù)指令進(jìn)行前后左右移動(dòng)。第二部分輪椅搭載距離感知模塊、攝像頭模塊來分析處理距離以及與跟隨相關(guān)的數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能，同時(shí)可以通過按鍵設(shè)定功能模式以及設(shè)定防撞距離。

2 硬件選型設(shè)計(jì)

2.1 微型控制器

本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6這款芯片作為兩部分系統(tǒng)的核心。選擇這款芯片的原因在于其擁有ARM的32位運(yùn)算內(nèi)核，64K的閃存存儲(chǔ)器和20K字節(jié)的RAM，三個(gè)通用定時(shí)器以及一個(gè)高級(jí)定時(shí)器，可支持SPI、I2C、USART、USB、CAN等協(xié)議。CPU頻率可至72MHz。在外部性能上擁有32個(gè)通用IO端口。滿足此次設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的運(yùn)算過程。

2.2 觸摸開關(guān)選型

為了讓遙控器更加人性化，手握遙控器并且按壓所選的觸摸傳感器時(shí)，遙控器才向輪椅發(fā)送相關(guān)的動(dòng)作指令，若不按壓觸摸傳感器則不發(fā)送動(dòng)作指令，輪椅就不會(huì)根據(jù)手部姿態(tài)移動(dòng)，以此達(dá)到遙控器隨取隨用，隨放隨關(guān)的效果。選擇基于觸摸檢測(cè)芯片TTP223B的電容式觸摸開關(guān)模塊，此模塊初始為高電平，觸摸時(shí)位低電平，可根據(jù)此電平邏輯設(shè)計(jì)上述功能。

2.3 無線收發(fā)模塊選型

對(duì)于兩部分系統(tǒng)的無線傳輸，選定NRF24L01這款工作頻率在2.4G的射頻收發(fā)器件，單個(gè)器件同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能接收或者發(fā)送，即半雙工，若采用全雙工需要配合軟件的分點(diǎn)切換。本設(shè)計(jì)中只需要半雙工即可滿足需求。NRF24L01高速率收發(fā)、低功耗、可選頻段眾多，再加上應(yīng)用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]，適用本設(shè)計(jì)中兩部分系統(tǒng)的無線通訊。

2.4 圖像處理模塊選型

這款模塊的選擇重要性不亞于核心芯片的選擇。作為輪椅系統(tǒng)的機(jī)器視覺，要有初步類似人類視覺的功能。OPENMV模塊擁有基于MicroPython的機(jī)器視覺模塊，可以說是“世界最簡(jiǎn)單的機(jī)器視覺模塊”[4]，可以被集成在任何項(xiàng)目中，可以與此次所選芯片結(jié)合使用。

2.5 手部姿態(tài)模塊選型

這類型模塊的作用在于實(shí)時(shí)采集手部姿態(tài)的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，換算成所需要的控制指令再發(fā)送到輪椅部分實(shí)現(xiàn)手勢(shì)控制的功能。選定MPU6050模塊來完成手部姿態(tài)數(shù)據(jù)采集。MPU6050傳感器中集成了陀螺儀和加速度計(jì)，前者可以測(cè)量角度，后者測(cè)量加速度。而其中最重要的便是MPU6050成熟的姿態(tài)融合算法方便開發(fā)與使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

選用STM32芯片做為核心，使用Keil5軟件編程環(huán)境配合C語言進(jìn)行仿真調(diào)試后，燒錄可執(zhí)行文件至微型控制芯片中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)部分系統(tǒng)對(duì)所搭建的外圍硬件電路的控制，來達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的功能。整體系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，第一部分為遙控器，實(shí)時(shí)采集手勢(shì)信息以及可通過是否按壓觸摸按鍵來決定前后左右等移動(dòng)指令的發(fā)送。第二部分為輪椅，實(shí)時(shí)接收遙控器的指令，在OLED屏幕上實(shí)時(shí)顯示對(duì)正前方障礙物的距離，可通過按鍵設(shè)置防撞距離、手控模式、視覺跟隨模式。擁有弱報(bào)警、強(qiáng)報(bào)警以及緊急制動(dòng)功能。在程序編程中，設(shè)定K1按下為減少強(qiáng)制制動(dòng)的感應(yīng)距離操作，K2按下為增加強(qiáng)制制動(dòng)的感應(yīng)距離操作，K3按下為確定當(dāng)前設(shè)定距離而再次按下K3為取消當(dāng)前設(shè)定距離，K4按下為智能跟隨設(shè)置再次按下為取消該設(shè)置。

3.1 輪椅部分主程序

輪椅部分的程序設(shè)置相對(duì)較為復(fù)雜，其中包括了人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示障礙物距離及當(dāng)前模式、聲音強(qiáng)弱報(bào)警制動(dòng)功能、攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)跟隨功能、功能按鍵設(shè)定距離以及切換模式。一共設(shè)計(jì)4個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)減少制動(dòng)距離、增加制動(dòng)距離、確定距離設(shè)置以及確定跟隨模式四個(gè)功能。整體輪椅部分主程序流程圖如圖2所示。

圖2 輪椅部分主程序流程Fig.2 Main program flow of wheelchair

3.2 遙控器部分主程序

相對(duì)于輪椅部分的主程序，遙控器部分的主程序比較簡(jiǎn)單，具體如觸摸按鍵做為整體遙控器的啟動(dòng)開關(guān)，只有持續(xù)按壓觸摸傳感器才可以啟動(dòng)遙控器，松開觸摸傳感器則關(guān)閉遙控器的控制功能，整體系統(tǒng)采用NRF做為無線傳輸載體，使用MPU6050體感傳感器采集手部姿態(tài)經(jīng)處理成動(dòng)作指令信息后發(fā)送。整體遙控器部分主程序流程圖如圖3所示。

圖3 遙控器部分主程序Fig.3 Main program of remote controller

3.3 攝像頭圖像采集程序設(shè)計(jì)

攝像頭采集做為智能跟隨系統(tǒng)中最為核心的部分，其主要的功能就在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺可鎖定跟隨特定的標(biāo)志物，而攝像頭跟隨物體移動(dòng)的參數(shù)經(jīng)芯片解析傳回主控制芯片，再經(jīng)過主控制芯片的編碼判斷來執(zhí)行智能跟隨的具體動(dòng)作。利用攝像頭識(shí)別特殊的物品標(biāo)志，來起到跟蹤的效果。攝像頭捕獲每一幀圖像的數(shù)據(jù)傳回主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用RGB三原色轉(zhuǎn)HSV算法以及圖像腐蝕算法進(jìn)行處理[5]，從而得出目標(biāo)標(biāo)志在空間中的位置和大小，以此來判別跟隨方向。攝像頭模塊功能流程圖如圖4所示。

圖4 攝像頭模塊功能流程圖Fig.4 Function flow chart of camera module

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于圖像識(shí)別得到自動(dòng)跟隨防撞輪椅，致力于解決腿腳不便的老年人以及殘障人士這兩類社會(huì)特殊群體在現(xiàn)實(shí)生活中所面臨的出行困難。能讓殘障人士能在能力范圍內(nèi)最大幅度實(shí)現(xiàn)獨(dú)立生活起居，從而減輕看護(hù)人的工作量和看護(hù)時(shí)間，這對(duì)于家中有老人或者下肢癱瘓者的獨(dú)生子女，上班族來說無疑會(huì)是一大助力。圍繞這一點(diǎn)初衷，采用手勢(shì)控制的操作方式，也就是作品名稱中的體感。腿部受傷的傷員在復(fù)健時(shí)，訓(xùn)練器材位置不定，傷員需要常常移動(dòng)，如果輪椅能緊緊跟隨，在訓(xùn)練強(qiáng)度達(dá)到需要休息時(shí)，能立刻坐上輪椅返回休息區(qū)，對(duì)傷員來說會(huì)是很大的一個(gè)便捷。圍繞著這個(gè)需求設(shè)計(jì)了跟隨功能，利用攝像頭識(shí)別特殊的物品標(biāo)志，來起到跟蹤的效果。

本設(shè)計(jì)仍然有值得完善的地方，例如危險(xiǎn)距離報(bào)警這方面功能可再添加一個(gè)光報(bào)警，達(dá)到聲光雙重報(bào)警的效果。提高距離的測(cè)量精度，可以使得整體系統(tǒng)的安全性得到提升。隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品功能層出不窮，各個(gè)電子發(fā)燒友的想法也是豐富多彩。對(duì)于體感跟隨康復(fù)輪椅后期還會(huì)加入手機(jī)藍(lán)牙控制功能、手機(jī)遙感控制功能、特定語音指令控制功能等，這些功能的加入能夠讓輪椅在功能上更加全面，也能夠滿足年輕的殘障人士對(duì)新一代電子產(chǎn)品的喜愛與追求。