基于激光SLAM自主導(dǎo)航技術(shù)的多功能共享輪椅

劉凱，李鵬，林群煦，林梓健，張立煒

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529000）

0 引言

21世紀(jì)以來，許多國家的人口老齡化現(xiàn)象加劇[1]，根據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，65歲及以上的老年人總量在2020年首次突破7億，而我國老年人口總量更是位居全球各國之首，據(jù)國家局2021年統(tǒng)計，我國65歲及以上的老年人數(shù)量達(dá)到了2億，是當(dāng)時世界唯一一個老年人口數(shù)量超過2億的國家。同時殘疾人數(shù)量也正在不斷攀升，自2020年報告以來，全世界超過10億人帶有某些方面的殘疾，而我國殘疾人總數(shù)超8500萬，約占世界人口的10%。“十四五”時期，我國積極應(yīng)對人口老齡化，并上升為國家戰(zhàn)略。當(dāng)前我國的老齡化承載能力較弱，老年服務(wù)和產(chǎn)品市場具有極大發(fā)展?jié)摿Γ鴮τ谑堋⑿袆硬槐愕娜巳簛碚f，輪椅是他們在日常生活當(dāng)中必不可少的輔助工具。目前國內(nèi)市場的在售輪椅，在使用方面都具有不少的局限性，特別是在人性化功能設(shè)計方面有很多待提高的空間。因此，本文對多功能智能共享輪椅設(shè)計實驗進(jìn)行了創(chuàng)新探索，并提出在公共場所為群眾科學(xué)共享使用，給使用者提供更加智能便捷的服務(wù)，讓使用者獲得更好的操作體驗。

1 智能輪椅的概述

1.1 輪椅市場發(fā)展現(xiàn)狀

在輪椅的使用早期，輪椅的定義是裝置配備有輪子的椅子，而輪椅的驅(qū)動則需要陪護(hù)人員的手動推行，隨著使用者體驗需求的改善，在輪椅輪子上增加了手圈結(jié)構(gòu)，可讓使用者實現(xiàn)對輪椅的自驅(qū)動，但對老年人或是殘疾人的身體機(jī)能的要求較高。隨著科技的不斷發(fā)展，市場上逐漸出現(xiàn)了以電動機(jī)驅(qū)動的電動輪椅，可以減少人們使用過程當(dāng)中的局限性。老年人市場的逐步擴(kuò)大，輪椅智能化的研究成為了必然的趨勢，目前市場上智能輪椅仍有很大的研發(fā)空間。

1.2 系統(tǒng)原理概述

為了提升輪椅對于老年人、行動不便等人群使用的普適性，本文提出一款可用于公共場所的共享智能輪椅，以STM32F107VC單片機(jī)模塊作為核心的運(yùn)動控制系統(tǒng)，輪椅配備有英偉達(dá)Jetson nano智能運(yùn)算平臺，該平臺可融合激光雷達(dá)傳感器、IMU慣性傳感器、心率健康檢測裝置及平板電腦手機(jī)APP等的數(shù)據(jù)信號，通過CP2102模塊轉(zhuǎn)換為電平信號下發(fā)至STM32控制輪椅驅(qū)動，系統(tǒng)原理如圖1所示。本文還對輪椅提出更加人性化的機(jī)構(gòu)設(shè)計，為使用者帶來更加便捷的使用體驗。

圖1 智能輪椅系統(tǒng)原理圖

1.3 科學(xué)性和先進(jìn)性分析

據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，早在2018年，江蘇、北京等地就已經(jīng)在部分社區(qū)和醫(yī)院投放使用了共享輪椅，大多共享輪椅是折疊式的帆布輪椅，具有便攜輕量、方便使用的特點，但輪椅的自驅(qū)動性嚴(yán)重不足，甚至是沒有，需要陪護(hù)人員推動行駛，對于使用者的自驅(qū)動使用仍有很大的改善空間。

共享輪椅的智能化行駛可以通過使用者自我控制，也可以通過平板輸入、語音輸入兩種方式給輪椅下達(dá)行駛目的指令，在過程中無需人為操控，實現(xiàn)自主導(dǎo)航至目的地，其技術(shù)路線如圖2所示。自主導(dǎo)航功能可以減少老年人在使用過程中的自身決策，可以有效保障一些特殊使用者在行駛途中的安全性及更為智能的使用。其中，語音交互功能可以在使用輪椅過程中與人實時交流，加強(qiáng)人機(jī)之間的互動性，一些人性化機(jī)構(gòu)設(shè)計、健康檢測系統(tǒng)可以提高用戶的使用體驗。

圖2 智能輪椅的使用流程圖

2 輪椅智能裝置結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

2.1 整體外觀設(shè)計

在整體外觀設(shè)計上，本設(shè)計實驗的智能共享輪椅與普通電動輪椅的結(jié)構(gòu)區(qū)別較大，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。共享輪椅采用由4個電動機(jī)驅(qū)動的小直徑萬向輪，座椅可以相對圓臺底座自由上下升降，而圓臺底座也具備可控制的旋轉(zhuǎn)功能，并且在圓臺處配備一個可隨使用者旋轉(zhuǎn)的置物槽，以便使用者在乘坐過程中有更開闊的參觀視野。考慮到老人自身行動的不便性，座椅的設(shè)計上安裝了一種半升降輔助入座機(jī)構(gòu)（如圖4），當(dāng)有人靠近輪椅時，座椅前半部分由4根電推桿支撐差速上升，自動啟動輔助入座，以減少老人膝蓋的發(fā)力。

圖3 智能輪椅整體結(jié)構(gòu)圖

圖4 半升降座椅結(jié)構(gòu)圖

智能輪椅的頂端配備有一個激光雷達(dá)，通過掃描周邊環(huán)境的2D點云數(shù)據(jù)，確定自身所在位置，并構(gòu)建環(huán)境地圖，在使用輪椅過程中，激光雷達(dá)也可對周邊環(huán)境進(jìn)行實時回環(huán)檢測，實時更新地圖以適應(yīng)環(huán)境的不斷變化，無需人工重新建立地圖。

在輪椅的投入使用前期，可通過遠(yuǎn)程操控，對將要應(yīng)用的活動區(qū)域空間進(jìn)行掃描，構(gòu)建完整的二維平面柵格地圖后，對該區(qū)域所有應(yīng)用的輪椅群進(jìn)行地圖共享上傳。輪椅行駛過程中，該功能為共享輪椅提供準(zhǔn)確的位置信息，也提高了共享輪椅自主運(yùn)動系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

2.2 主控制單元模塊

輪椅主控模塊設(shè)計的要求為：1）具有自主運(yùn)動能力。可以根據(jù)乘坐人員的意愿對輪椅輸入目標(biāo)指令，自主運(yùn)動到不同的目的位置，在行駛過程中能優(yōu)化路線并自動避障。2）能人工操控。由乘坐人員自主選定到達(dá)的目標(biāo)位置，到達(dá)位置后能駐留觀賞。3）能采用多種控制方式，除了上述的輸入指令控制外，還應(yīng)有遙控手柄控制。為此，本設(shè)計實驗的運(yùn)動控制系統(tǒng)單元，采用Jetson Nano為主控計算機(jī)，以STM32F107VC工控板作為運(yùn)動單元的控制系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 STM32F107VC工控板示意圖

STM32工控板從上位機(jī)接收指令后，通過對IN1、IN2 的 電 平控制指令，實現(xiàn)左右輪轉(zhuǎn)向的變化，如表1所示。而PWM通過改變脈沖列的周期對速度進(jìn)行控制，其原理是通過改變脈沖的寬度或占空比來進(jìn)行調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法，即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的 周 期、PWM 的占空比達(dá)到控制充電電流的目的，用以調(diào)控輪椅全速前進(jìn)或后退，也可以通過降低電平來調(diào)整速度[2]。

表1 IN1、IN2電平變化及PWM的占空比與運(yùn)動狀態(tài)關(guān)系表

2.3 智能無線充電樁設(shè)計

多功能智能輪椅采用無線充電方式充電。無線充電器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用電磁感應(yīng)技術(shù)，通過內(nèi)置線圈，把電流轉(zhuǎn)化為電磁后又把電磁轉(zhuǎn)化成充電電流給“自己”充電，如圖6所示。無線充電器具備多種保護(hù)功能，如過充過放、金屬異物檢測等，時刻保護(hù)使用者的安全。無線充電器的組件無外漏，不會被空氣中的水分、氧氣等侵蝕；無線充電器不存在接電點，不會有連接與分離時造成的機(jī)械磨損[3]。在大面積公共場所中，可以將充電樁多點式分布在輪椅可能會停留的地方，如餐廳、景區(qū)觀賞點、休息區(qū)等，在乘坐人員逗留期間，無需人為操控就可以實現(xiàn)輪椅自動無線充電。

2.4 健康監(jiān)測應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計

如圖7所示，輪椅帶有實時健康監(jiān)測功能，可以對特定人群或人群樣本的健康狀況，定期或不定期地觀察監(jiān)測，掌握其健康及疾病狀況。本輪椅左側(cè)配備有緊急按鈕（如圖8），該按鈕也可以稱為“緊急停止按鈕”，業(yè)內(nèi)簡稱急停按鈕[4]。顧名思義，急停按鈕就是當(dāng)發(fā)生緊急情況時，快速按下此按鈕來達(dá)到保護(hù)的作用，同時發(fā)出求救信號（一鍵求助），本輪椅還有旋轉(zhuǎn)座椅、折疊把手、景點解說等輔助功能，極大提升了使用者的便利體驗和安全性。

圖7 應(yīng)急SOS緊急系統(tǒng)與健康實時檢測系統(tǒng)

圖8 緊急按鈕示意圖

3 智能輪椅的自動導(dǎo)航與避障

3.1 基于Cartographer的地圖構(gòu)建算法

在人工智能技術(shù)的推動下，近年來自動駕駛技術(shù)快速發(fā)展，其中SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位與制圖）技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[5]，本輪椅的地圖構(gòu)建采用Cartographer室內(nèi)建圖算法。與其他建圖算法相比，Cartographer室內(nèi)建圖算法的優(yōu)點是引入了子圖（Submap）的概念，具有實時性高、累積誤差小的特點，能夠建立大場景的地圖。可見，這種算法是適用于輪椅使用場合的。激光雷達(dá)每掃描獲取一組數(shù)據(jù)，就與已建立的子圖進(jìn)行匹配，不斷更新迭代建立全圖，不斷循環(huán)，達(dá)到回環(huán)檢測的作用。并利用分支定界（Branch and Bound）進(jìn)行優(yōu)化搜索，提高效率，達(dá)到實時回環(huán)的作用。圖9為基于Cartographer建圖的效果。在智能輪椅的日常使用中，實時回環(huán)能給使用者帶來更大的便利，特別是在公共場所，實時回環(huán)具有更大的便捷性。

圖9 基于激光Cartographer雷達(dá)建立地圖

3.2 智能輪椅的導(dǎo)航避障算法分析

對輪椅自主導(dǎo)航的避障方面，本設(shè)計實驗采用的是DWA算法（Dynamic Window Approach，動態(tài)窗口算法）。DWA算法適用于兩輪差速和全向移動機(jī)器人，智能輪椅采用的運(yùn)動模型屬于全向移動機(jī)器人，DWA算法不需要完整的地圖環(huán)境信息，而是通過自身傳感器不斷地獲取周圍信息，提供最新的環(huán)境變化信息。其原理為在速度空間采樣多組速度（ν,ω），以不同的線速度v、角速度ω在一定時間內(nèi)模擬輪椅將要運(yùn)動的軌跡，得到多組軌跡的速度后，結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)，通過評價函數(shù)對每一組速度上的軌跡進(jìn)行評分G（ν,ω），如式（1）所示，以對未來軌跡進(jìn)行預(yù)測。而評分是以輪椅設(shè)定的速度情況下，朝著不斷趨向目標(biāo)的最小方位角Heading（ν,ω），輪椅與目標(biāo)最近的距離Goal（ν,ω），計算輪椅軌跡末端點到全局路徑的距離Path（ν,ω），評價輪椅與障礙物之間的距離Occ（ν,ω）以避開障礙物為標(biāo)準(zhǔn)，其中k、α、β、γ、σ為權(quán)重系數(shù)。最終選取最高分軌跡，并發(fā)布最佳速度集合至下位機(jī)來驅(qū)動輪椅的下一步運(yùn)動并實現(xiàn)導(dǎo)航[6]。該算法突出特點在于其動態(tài)窗口，是在一個可行的動態(tài)范圍內(nèi)，依據(jù)輪椅加減速的性能來限定速度的采樣空間，并且在不同的環(huán)境下，可以添加更多的評價指標(biāo)和調(diào)整指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，提高輪椅導(dǎo)航的適應(yīng)性，為輪椅的穩(wěn)定驅(qū)動保障了安全性。G（ν,ω）的計算公式為

4 智能輪椅在Rviz的仿真效果

Rviz是ROS的三維可視化工具[7]。其主要功能是以三維方式顯示ROS消息，獲得數(shù)據(jù)可視化的效果。通過節(jié)點的設(shè)置來發(fā)布數(shù)據(jù)至Rviz，在啟動輪椅地盤節(jié)點、Cartographer建圖節(jié)點、DWA導(dǎo)航節(jié)點后，進(jìn)入Rviz平臺添加顯示模型（RobotModel）、激光雷達(dá)傳感器的獲取信息（LaserScan）、所繪制的箭頭形狀（MarkerArray），再對相應(yīng)類型設(shè)置話題，則獲取可視化信息，如圖10所示，通過激光雷達(dá)對場所環(huán)境的掃描建立完整地圖后，可以確定自身在地圖中所處位置，通過2D Nav Goa（設(shè)定導(dǎo)航目標(biāo)）對地圖任意處選擇目的地，可達(dá)到自動生成最佳行駛路徑，實現(xiàn)自動導(dǎo)航。最后基于Rviz平臺進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，獲取運(yùn)動仿真，驗證了輪椅各項功能使用的可行性和有效性。

圖10 智能輪椅在地圖中的局部路徑規(guī)劃示意圖

5 結(jié)語

現(xiàn)如今，共享市場廣闊，共享單車、共享汽車、共享充電寶等產(chǎn)品層出不窮。本設(shè)計實驗的智能共享輪椅市場前景廣闊，我國有大量的場館、景點和封閉園區(qū)，2022年我國的博物館總量將超過8000座以上，加上體育館、演藝中心等，我國這類大型場所數(shù)以萬計。輪椅市場用戶眾多，主要是為行動不便的老人、傷病者或殘疾人等特殊人群提供的一種便攜的公共交通方式，以共享輪椅的形式實現(xiàn)多種交互模式、人性化機(jī)構(gòu)設(shè)計、智能驅(qū)動使用，為特殊人群帶來了便捷出行的可能。

共享智能輪椅為行動不便的老年人、傷病者、殘疾人等特殊人群在參觀游玩時提供更好的人文關(guān)懷，提高了特殊人群在特定場所游玩參觀的可行性，以獲得更好的體驗，而且為特殊人群的日常提供智能服務(wù)，協(xié)助他們便捷生活。最后基于Rviz平臺進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，獲取運(yùn)動仿真，有效驗證了其功能實現(xiàn)的可行性。