具有動態感知防撞功能的嬰兒學步車的設計與實現*

馮伯翰，陳旭東，郭達鋆，歐益權

（廣東松山職業技術學院，廣東韶關 512126）

0 引言

隨著新生兒數量逐年增加，人們一直在思考如何更輕松地照看嬰兒。伴隨著智能家居的推廣普及，傳感器技術、控制技術的不斷發展，嬰兒學步車也應該實現智能化。但目前市面上的嬰兒學步車智能化水平尚存在不足，且小部分存在設計缺陷，學步車容易發生與周圍物體發生碰撞、滑落到坑洞、臺階、斜坡等情況，造成學步車翻滾，使嬰兒受傷[1]，相關統計指出以頭部和頸部受傷最為常見。

近年來，科研學者也對嬰兒車的智能化作出了貢獻,對嬰兒車搖籃結構進行了重新設計，避免嬰兒隨著搖籃進行左右搖晃，降低嬰兒側翻風險[2]。通過模塊化設計實現自動搖車、音樂播放、體溫檢測、避障、遙控等功能，提高了嬰兒車的智能化程度。在嬰兒學步車上搭建了嵌入式系統，通過將壓縮感知理論應用到TLD 跟蹤算法，實現嬰兒學步車能夠自主跟蹤前方家長前進；但仍需要家長時刻保持在嬰兒車的前方，為嬰兒學步車提供路線引導[4]。為了降低家長照看嬰兒的負擔，保障嬰兒在學步過程中的安全，本文設計一款具有動態感知功能的閉環防碰撞控制系統的嬰兒學步車，配備避障模塊、報警模塊、電源模塊、控制器模塊、制動模塊和攝像頭模塊，建立障礙物鏈表，判斷障礙物運動情況，在危險情況下自動進行制動并報警，實現動態感知防撞功能，保護嬰兒學步安全，減輕家長照看嬰兒的負擔。

本文結合嬰兒學步車使用環境，提出嬰兒學步車防撞實驗的工況，并進行重復實驗，實驗結果表明該嬰兒學步車能夠有效防止學步車發生碰撞、翻滾等情況的發生，保障嬰兒的人身安全，具有一定的推廣價值。

1 嬰兒學步車的抗傾覆特性

嬰兒在使用學步車時，易發生以車輪為支點，嬰兒施加在學步車上的推力為杠桿力，學步車側滾、前滾的情況。為了有效防止此類現象的發生，本文根據船舶浮心理論[5]，引入嬰兒學步車的抗傾覆穩定性這一概念。嬰兒學步車車體偏離平衡位置后，能夠自主恢復到平衡位置的特性稱為嬰兒學步車具有抗傾覆特性。若嬰兒學步車車體偏離平衡位置后無法自主恢復，甚至車體繼續傾斜，車體將會喪失抗傾覆穩定性，這是嬰兒學步車使用過程中不允許的。

根據浮心理論，若嬰兒學步車的車體浮心高度高于車體的重心高度，嬰兒學步車車體具有抗傾覆穩定性；反之，嬰兒學步車喪失抗傾覆穩定性；當嬰兒學步車的浮心高度與重心高度相等時，嬰兒學步車處于隨遇平衡的狀態，稱之為穩定和失穩的臨界狀態。

為了確保嬰兒學步車具有足夠的抗傾覆特性，在設計時可以采用在嬰兒學步車車體下部配重，上部采用輕質高強度材料等方法，應盡可能留有足夠大的設計余量，提高嬰兒學步車的抗傾覆穩定性，保證嬰兒學步過程中的安全。

2 防撞嬰兒學步車系統總體設計

本文設計的防撞嬰兒學步車系統總體設計框圖如圖1所示。系統主要包括電源模塊、控制器模塊、制動模塊、報警模塊、避障模塊、攝像頭模塊。其中控制器模塊是系統的核心部件，接受各個模塊發出的信號，經過數據處理分析后對相應模塊進行實時控制，保護嬰兒的安全[6]。

圖1 系統總體設計框圖

3 系統硬件選型

（1）控制器模塊

本文控制器模塊芯片選擇的是STC89C52 處理器，它是基于MCS-51內核的8位微控制器，程序存儲容量為8 kB，工作電壓為3.8～5.5 V，擁有定時計數器、I∕O 口、看門狗等內部資源。該芯片具有運行速度快、低功耗、成本低廉、外部資源豐富等特點。

（2）超聲波避障模塊

阿多尼弗林堿對照品 （批號：111877-201201；濃度：0.092 μg·mL-1）， 野百合堿對照品 （批號：111878-201102；純度：99.8%），均購自中國食品藥品檢定研究院；感冒消炎片（昆明中藥廠有限公司，規 格 ：0.3 g/片 ， 批 號 ：480003、480095、480097、480098、480099）；乙腈為色譜純，其余試劑為分析純；去離子水自制。

本文系統的超聲波避障采用HC-SR04模塊，該模塊包含控制電路、超聲波接收器和發生器[7]。工作電壓為直流5 V，探測距離范圍為2～450 cm，最高探測精度可達0.2 cm。通過測量發出信號至信號返回的時間差，計算得到與障礙物之間的距離。

（3）高清攝像頭模塊

本文系統的攝像頭模塊選用TSL1401CL 線性CCD 模塊，工作電壓為3～5 V 直流，其廣角攝像頭能夠采集前方120°范圍內的物體，并將圖像數據實時傳輸至主控制器，具有抗干擾性、高精度、高可靠性等優點。

（4）制動模塊

本文系統制動模塊采用微小馬蹄鎖，布置在嬰兒學步車的每個車輪上方。一旦遇到危急情況，控制器發出信號，為輪邊電機提供高電平，控制馬蹄鎖迅速動作，實現制動，保護嬰兒；當嬰兒車前方不再有障礙物、臺階等危險路況時，控制器控制制動模塊自動開鎖。該制動模塊具有動作速度快、可靠性高等優點，動作速度小于1 s。

（5）報警模塊

本文系統的報警模塊主要由有源蜂鳴器及其關聯電路構成，蜂鳴器額定電壓為3 V，聲壓為80 dB。當嬰兒學步車遇到危險情況，控制器給報警模塊提供高電平，使得蜂鳴器發出警報聲；當大人手動調整嬰兒學步車方向后，控制器將報警模塊的電壓輸出更改為低電平，警報聲消失。

（6）電源模塊

電源模塊由NMC 三元鋰離子電池和KM2596 電壓轉換模塊組成。電池采用可充電鋰電池，輸出電壓為3.7 V，具有安全環保、高容量等優點。電壓轉換模塊將電池電壓根據其他模塊的額定電壓進行調壓處理，保證所有模塊正常運行。

4 系統軟件設計

在完成硬件選型和系統搭建后，需要進行程序的編寫與燒錄。本文嬰兒學步車系統的整體語言編寫是C 語言，編譯軟件是Keil4。嬰兒學步車在完成代碼燒錄后，啟動電源進行模塊初始化，包括攝像頭模塊、時鐘設置、延時函數、報警模塊等。在模塊初始化順利結束后系統開始采集周圍環境信息，嬰兒車進入探測狀態，當檢測到有臺階、突出障礙物時，啟動報警模塊和制動模塊，一直持續到嬰兒車在外力作用下改變方向，前方不再有危險障礙物[8-9]。系統流程如圖2所示。

圖2 系統流程

在整個系統工作流程中，最為重要的是動靜態障礙物的檢測，即采用何種算法保障處于運動狀態下的嬰兒學步車能夠識別動態環境下的障礙物，建立障礙物鏈表。由超聲波模塊和攝像頭模塊的特點可以看出，二者的識別范圍為特定角度內的發散區域，障礙物被識別后以識別點的形式發送到處理器，并且距離越遠的障礙物，在空間內占據的識別點個數越少[10-12]。將空間中連續的識別點進行連通處理，就能探測到障礙物的空間大小及其位置。

由于超聲波和攝像頭每個周期都只能采集到當前周期的環境信息，因此為了檢測動態環境內的障礙物，必須對多個周期內的采樣數據進行分析，得到障礙物的位置、體積大小、運動速度和方向等，并建立障礙物鏈表?；舅惴ㄋ悸啡缦?。

（1）采集實時環境數據，建立并保存環境地圖數據庫。對采集點的數據進行初步處理，得到障礙物坐標和體積大小，并以此為根據建立當前T周期內的障礙物鏈表。

（2）采集并讀取下一周期內的環境數據，建立T+1周期內的障礙物鏈表。

（3）對于T+1 周期障礙物鏈表，依次搜索數據與T周期內的鏈表數據進行配對，當兩個障礙物間的估計坐標距離小于設定閾值X時，可以認為這兩個障礙物為同一個障礙物。

（4）對于已經實現配對的障礙物，在環境地圖中進行地圖匹配，可以得到在兩個采樣周期內該障礙物在空間xyz坐標系上的位移，并通過計算可以得到障礙物的速度和方向。

（5）將每個障礙物的速度值與設置的速度閾值V進行比較，若速度值大于閾值V，則判斷該障礙物為動態障礙物；反之則為靜態障礙物。判斷后將運動狀態記錄至該障礙物的障礙物鏈表中。

（6）返回步驟（2）中，采集下一周期的環境數據。

其中，考慮到系統采樣周期較小，為了減少計算量，將采樣間隔取為0.2 s。并且在試驗中將位移閾值X設置為20 cm，速度閾值V設置為25 cm∕s。但是該算法對于障礙物的形態和運動狀態具有一定的限制，障礙物移動速度過快或體積過大時，會出現無法識別到障礙物的現象，降低識別精度。

5 具有動態感知防撞功能實現

為了測試防撞嬰兒學步車的性能，本文設計了4 種實驗工況，分別對應日常生活中常見的4 種會對嬰兒人身安全造成傷害的情境：上下樓梯、以桌椅為代表的靜態障礙物和以掃地機器人為代表的動態障礙物。實驗時為了模擬嬰兒正常使用學步車，采用小型電動機推動學步車前進，速度為10 m∕min。嬰兒學步車在控制系統作用下實現制動至完全靜止，取嬰兒學步車最前端與障礙物間的距離作為安全距離，并設定可接受的最小安全距離為1 m，重復實驗10次，實驗數據結果如表1所示。結果表明，本文設計的嬰兒學步車可以識別日常生活中的多種障礙物，均滿足安全距離小于設定值1 m，其中對于地面突出的靜態障礙物識別效果最優，而對于動態障礙物的識別效果不夠理想，原因對于移動障礙物，系統會自動調節采集系統的識別分辨率，這在一定程度上削弱了識別速度。

表1 實驗結果

6 結束語

本文設計的具有動態感知防撞功能的嬰兒學步車以STC89C52單片機作為控制器，搭建具有動態感知的閉環防碰撞控制系統，接受來自攝像頭模塊和超聲波模塊對周圍環境感知的數據，建立障礙物鏈表，判斷障礙物運動情況，并計算動態障礙物的移動速度，并對報警模塊和制動模塊進行控制，經過多次調試和測試試驗后，順利實現動態防撞、保護嬰兒等功能。本文設計的嬰兒學步車經過適當改進可以投入市場應用，能夠有效保護嬰兒學步安全，應用面廣、實用性強，具有一定的應用前景。