基于姿態(tài)解析算法的智能輪椅設(shè)計(jì)

左太虎，張雨晴，畢 爽，丁 建

(青島理工大學(xué)機(jī)械與電子工程系，山東 臨沂 276000)

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1 引言(Introduction)

據(jù)2021 年我國第七次人口普查數(shù)據(jù)顯示，中國60 歲以上人口已達(dá)2.64 億，占總?cè)丝诘?8.7%。預(yù)計(jì)“十四五”時(shí)期，中國60 歲以上人口將突破3 億。據(jù)全國老齡工作委員會公布的數(shù)據(jù)，2020 年我國60 周歲以上失能老人人口超過4,200萬，約占全國60 周歲以上老年人總?cè)丝诘?6.6%。隨著人口老齡化程度不斷加劇及信息社會的深層次發(fā)展，提高老年人行動便捷性的智能化養(yǎng)老助老產(chǎn)品的需求日益高漲。輪椅是幫助身體殘疾人士、老年人安全自主行動的一種重要工具，操作簡單、功能人性化且智能化的輪椅對其生活自理、行動自主起著至關(guān)重要的作用，因此輪椅的智能化設(shè)計(jì)也受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。本文設(shè)計(jì)了一款能夠進(jìn)行手勢識別操作且功能智能化的輪椅，能通過簡單的幾個(gè)手勢控制輪椅前進(jìn)后退和轉(zhuǎn)彎，還能對輪椅速度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，利用傳感器實(shí)時(shí)偵測前方障礙物和傳輸輪椅狀態(tài)，達(dá)到安全行駛的目的[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)(System hardware design)

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6核心MCU(控制單元)，其具有32 位Cortex-M3內(nèi)核，最高72 MHz工作頻率，最大512 kB的FLASH程序存儲器，功耗低，三個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，11 個(gè)定時(shí)器和13 個(gè)通信接口。系統(tǒng)使用OpenMV攝像頭取代行車記錄儀，SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)一鍵呼救功能，ATK-LORA-01無線串口模塊和“ATK-S1216 GPS+北斗定位模塊”組成GPS信息實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，ISD1820錄音語音模塊和超聲波測距傳感器組成輪椅防撞系統(tǒng)；通過MPU6050六軸傳感器實(shí)現(xiàn)手勢識別指令，通過不同的手勢控制輪椅的移動和轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)圖Fig.1 The overall hardware design of the system

在輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，嘗試實(shí)現(xiàn)低成本、模塊化組裝，便于功能模塊的加裝與拆卸，在坐墊和腳墊的選擇上優(yōu)先考慮采用防滑材料，盡可能地提高使用者的乘坐舒適度[2]。為降低使用者在輪椅上的久坐疲勞和肌肉關(guān)節(jié)酸累，靠背和枕頭部位優(yōu)先選擇柔軟舒適且透氣性能好的材料。輪椅整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪椅整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The whole structure of wheelchair

2.1 無線定位通信

系統(tǒng)采用兩個(gè)Lora模塊和兩個(gè)STM32開發(fā)板，一個(gè)作為輪椅的主控板，另外一個(gè)作為GPS數(shù)據(jù)的接收端。Lora模塊選用ATK-LORA-01無線串口模塊，設(shè)計(jì)采用高效率的SX1278擴(kuò)頻芯片，工作在ISM射頻頻段，采用Lora擴(kuò)頻技術(shù)，工作頻率為410—441 MHz，各個(gè)信道以1 MHz的頻率步進(jìn)，模塊累計(jì)32 個(gè)信道，抗干擾性能好，通信穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和中繼功能，其模塊地址可變、信道可變，速率相同。Lora模塊的通信距離可達(dá)3,000 m以上，并帶有增強(qiáng)信號的天線。系統(tǒng)采用ATK-S1216FB-BD GPS北斗雙模模塊實(shí)時(shí)對輪椅進(jìn)行定位。主控模塊通過SkyTraq協(xié)議對定位模塊進(jìn)行配置，當(dāng)秒脈沖開始閃爍時(shí)，表示定位已經(jīng)成功，可以通過NMEA協(xié)議實(shí)時(shí)讀取定位數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)。系統(tǒng)使用OpenMV攝像頭在意外情況下錄制視頻，可通過電腦和手機(jī)查看記錄的視頻內(nèi)容。當(dāng)秒脈沖在行駛間閃爍，表示模塊已經(jīng)定位成功。

2.2 防碰撞系統(tǒng)

系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波模塊，該超聲波模塊由發(fā)射單元、接收單元與控制單元三個(gè)部分組成。該超聲波模塊會從內(nèi)部發(fā)出八個(gè)40 kHz周期的電平，在電平從內(nèi)部發(fā)出后會自動檢測反射回來的信號波。每當(dāng)有信號波返回時(shí)，超聲波模塊便會通過輸出口輸出一個(gè)TTL高電平，該TTL高電平持續(xù)存在的時(shí)間就是超聲波從發(fā)出到接收到的時(shí)間。集中控制主板可以在接收口等待輸出口的TTL高電平輸出，當(dāng)高電平開始輸出時(shí)，開啟定時(shí)器計(jì)數(shù)，直到高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。該定時(shí)器的數(shù)值就是超聲波從發(fā)射到原路返回的時(shí)間，脈沖寬度與所測的距離成正比，即實(shí)際傳播距離的兩倍。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)讀取脈沖寬度就可以檢測輪椅和障礙物的真實(shí)距離。

當(dāng)與超聲波傳感器的距離不超過20 cm的位置時(shí)，ISD1820語音模塊會自動啟動語音功能播放錄音“前方有障礙請小心”的語音片段提醒當(dāng)前的客戶，并且會自動控制輪椅停止前進(jìn)；當(dāng)用戶處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，使用一鍵呼救功能，系統(tǒng)會通過SIM900A模塊自動給預(yù)留手機(jī)號發(fā)送求救短信并嘗試撥打電話。如果對測量設(shè)備要求較高，則可以考慮通過選擇作用距離更長的感應(yīng)器、增加更多感應(yīng)器數(shù)量、在測距后的計(jì)算中增加溫度補(bǔ)償、采用多普勒測速法等措施進(jìn)行調(diào)整[3]。

2.3 手勢識別模塊

系統(tǒng)通過MPU6050進(jìn)行手勢識別，MPU6050是一款高性能三軸加速度+三軸螺旋儀的六軸傳感器模塊，利用自帶的數(shù)字運(yùn)動處理器硬件加速引擎，通過主IIC接口向應(yīng)用端輸出姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)。其中，加速度計(jì)可測量某一瞬時(shí)在x、y、z三個(gè)基礎(chǔ)方向上的加速度分量，通過計(jì)算三個(gè)基礎(chǔ)方向上的加速度分量與重力加速度的比值求出傾角的大小；安裝陀螺儀的主要目的是對角速度進(jìn)行測量，獲得指定時(shí)間內(nèi)輪椅所轉(zhuǎn)過的角度即時(shí)間與角速度的乘積。MPU6050體積小巧，功能強(qiáng)大，精度較高，采用MPU6050傳感器采集并處理人體手部動作信號，主控制器通過對獲取信號的解析發(fā)送相應(yīng)的命令控制輪椅的運(yùn)動狀態(tài)，以達(dá)到使用者想前進(jìn)、停止或轉(zhuǎn)彎的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)(System software design)

仿真輪椅采用的主控板為STM32F103ZET6開發(fā)板，系統(tǒng)首先獲取GPS定位信息，并把獲取的GPS數(shù)據(jù)顯示在TFTLCD(屏幕)上并通過Lora發(fā)送出去(獲取和發(fā)送GPS數(shù)據(jù)的程序是一直在執(zhí)行的)，接收端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控仿真輪椅所在的經(jīng)緯度信息，防止老年人乘坐輪椅丟失。本設(shè)計(jì)還集合了市面上主流智能輪椅的主要功能，如主動剎車、障礙物檢測等，提高了輪椅使用者在復(fù)雜地形環(huán)境行走的安全性，幫助使用者勇敢地走入社會，改變自身的生活模式，增強(qiáng)獨(dú)立性[4]。當(dāng)Key0按鍵動作時(shí)，系統(tǒng)會自動發(fā)送求救短信并撥打急救電話，防止出現(xiàn)號主設(shè)置手機(jī)靜音時(shí)漏看或不及時(shí)查看短信的問題；當(dāng)Key1動作時(shí)，系統(tǒng)會給繼電器發(fā)送信號，激活OpenMV攝像頭的電源，對意外情況進(jìn)行錄像并保存；當(dāng)通過超聲波測得輪椅與障礙物的真實(shí)距離小于20 cm時(shí)，仿真輪椅停止前進(jìn)并發(fā)出語音警告提醒用戶注意安全；當(dāng)超聲波測得輪椅與障礙物的真實(shí)距離處于安全距離時(shí)，系統(tǒng)將通過MPU6050測得的仰俯角和偏航角的數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前手勢的指令，為前進(jìn)手勢時(shí)，系統(tǒng)自動控制仿真輪椅車輪前進(jìn)；為后退手勢時(shí)，系統(tǒng)自動控制仿真輪椅車輪后退；為停止手勢時(shí)，系統(tǒng)自動控制仿真輪椅車輪減速停止運(yùn)動；為左轉(zhuǎn)手勢時(shí)，系統(tǒng)自動控制仿真輪椅車輪左轉(zhuǎn)；為右轉(zhuǎn)手勢時(shí)，系統(tǒng)自動控制仿真輪椅車輪右轉(zhuǎn)。此過程循環(huán)運(yùn)行。控制系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of control system program

3.1 姿態(tài)解算程序設(shè)計(jì)

MPU6050的DMP輸出的四元數(shù)是q30格式的，也就是浮點(diǎn)數(shù)放大了230。在換算成歐拉角之前，必須先將其轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)，再進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算式如下：

結(jié)合以上各式計(jì)算得到歐拉角：

圖4 四種手勢控制圖Fig.4 Control charts of four gestures

由圖4中的手勢可以看出，系統(tǒng)只需獲取此時(shí)的俯仰角pitch和偏航角yaw，就可以準(zhǔn)確判斷此時(shí)手部的運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)俯仰角小于-20°且偏航角小于一定范圍時(shí)，系統(tǒng)判定發(fā)出了前進(jìn)指令，輪椅控制電機(jī)緩慢提速。當(dāng)俯仰角大于20°且偏航角小于一定范圍時(shí)，系統(tǒng)判斷發(fā)出了后退指令，系統(tǒng)控制電機(jī)剎車，緩慢后退。當(dāng)俯仰角小于5°且偏航角大于20°或者小于-20°時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為手部發(fā)出了左或右的轉(zhuǎn)彎命令，系統(tǒng)通過控制電機(jī)的差速，緩慢轉(zhuǎn)彎，當(dāng)手不做任何動作處于平衡狀態(tài)時(shí)，輪椅剎車停止。手勢識別的具體流程圖如圖5所示。

圖5 手勢識別流程圖Fig.5 Flow chart of gesture recognition

系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)代碼如下：

3.2 電機(jī)軟件設(shè)計(jì)

輪椅行駛的平穩(wěn)性是系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。系統(tǒng)通過控制主動輪的四伏直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)輪椅行駛。輪椅的行駛速度采用PID算法，速度反饋采用編碼器實(shí)現(xiàn)，精確度高。PID算法分為位置型和增量型兩種，位置型算法占用內(nèi)存大，對數(shù)據(jù)精度方面也有較高的要求。增量型算法占用內(nèi)存少，算法的輸出是上一次輸出的增加值，計(jì)算速度快，加上輸出限幅，能夠使輸出更平穩(wěn)。基于此，本系統(tǒng)采用增量型PI控制，速度控制流程圖如圖6所示。

圖6 速度控制流程圖Fig.6 Flow chart of speed control

采用增量型PI速度控制的速度代碼如下：

4 結(jié)論 (Conclusion)

本文用模塊化的思想設(shè)計(jì)了一款基于手勢姿態(tài)解析算法的智能輪椅，它以O(shè)penMV攝像頭為錄像模塊，配合MPU6050換算的歐拉角實(shí)現(xiàn)手勢指令控制仿真輪椅的目的，并且具有一鍵呼叫、意外情況錄像、防丟失、防撞的多重安全功能。為保證輪椅行駛平穩(wěn)，通過同步測試PID算法，選用計(jì)算迅速、輸出限幅的增量型PI算法。各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)性良好，設(shè)備配置優(yōu)質(zhì)但成本不高，實(shí)用性強(qiáng)。在實(shí)際測試中表明，手勢姿勢解析算法大大提高了對手勢的識別率，系統(tǒng)配合MPU6050使手勢識別率更加穩(wěn)定；在輪椅平穩(wěn)度方面，增量型算法優(yōu)于位置型算法，安全性更高，滿足輪椅智能化的要求，用戶可以實(shí)現(xiàn)自主出行，不再因行動不便而束縛于家中。