基本信息
- 項目名稱：
- 基于全景視覺和語音識別的嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品采用嵌入式系統(tǒng)對傳統(tǒng)電動輪椅進行了智能化升級，設計了具有語音控制、語音人機交互、全景視覺監(jiān)測、全景視覺導航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶不僅可以通過語音指令控制輪椅的運行，還可以通過全景視覺導航模塊來完成到指定地點的自動導航運行，同時，全景視覺監(jiān)控模塊實現(xiàn)了智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實時監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實現(xiàn)了特定需要場合下的隨機“散步”運行。
- 詳細介紹：
- 隨著社會中老年人和殘疾人人口的日益增加，智能輪椅作為比普通電動輪椅運行更安全、使用更方便、性能更優(yōu)越的代步工具，可以幫助殘疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會。 針對智能輪椅的經(jīng)濟性、安全性、交互流暢性等市場推廣瓶頸，本作品采用嵌入式系統(tǒng)對傳統(tǒng)電動輪椅進行了智能化升級，使之能夠在多種場合適用于不同人群。通過采用單片機和DSP作為處理核心以降低成本，設計了具有語音控制、語音人機交互、全景視覺監(jiān)測、全景視覺導航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶不僅可以通過語音指令控制輪椅的運行，還可以通過全景視覺導航模塊來完成到指定地點的自動導航運行，同時，全景視覺監(jiān)控模塊基于全新的全景環(huán)形透鏡來獲得輪椅周圍360°范圍內(nèi)的全部視場，實現(xiàn)了智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實時監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實現(xiàn)了特定需要場合下的隨機“散步”運行。另外，通過將超聲波避障技術(shù)和語音人機技術(shù)融合到其它功能模塊當中，進一步確保了輪椅運行的安全性。另外分模塊設計思想，使得智能輪椅可根據(jù)不同對象需求分模塊定制。 作品整體設計實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕便、成本低、交互流暢、滿足不同對象需求、安全性好的設計目標，以達到易于產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品推廣的目的
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設計目的：為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，希望設計出一款操作方便、安全可靠、性價比高的智能輪椅控制系統(tǒng)。 基本思路：語音控制和語音人機交互：用戶可以通過“對話”進行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運動，輪椅亦可將運行狀態(tài)與環(huán)境狀況通過“對話”報告給用戶； 全景視覺監(jiān)控：通過全新的全景環(huán)形透鏡來獲得輪椅周圍360°范圍內(nèi)的全部視場，可以實現(xiàn)智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實時監(jiān)控； 全景視覺導航：在室內(nèi)環(huán)境中，輪椅通過提取和識別全景圖像中地上、墻上和門上的導航路標來完成指定路線的導航運行； 超聲波自主避障：在特定場合可以實現(xiàn)輪椅的自主避障運行； 基于多傳感器信息融合的安全保護：輪椅通過實時檢測周圍環(huán)境來避開障礙物及低洼地段。 創(chuàng)新點：1、采用全景環(huán)形透鏡，可獲得360°的大視場，新透鏡不含掃描器件，有效控制成本；2、在單片機有限的速度和資源下，通過采用高效核心算法，提高了語音識別準確率；3、通過融入避障安全保護和語音人機交互功能來確保各功能模態(tài)下智能輪椅使用的安全性和交互的流暢性。 技術(shù)關(guān)鍵：基于單片機和DSP系統(tǒng)智能輪椅控制系統(tǒng)的技術(shù)難點在于系統(tǒng)的資源和運行速度有限，必須采用高效算法來解決數(shù)據(jù)量大、算法復雜和系統(tǒng)實時性高之間的矛盾。 主要技術(shù)指標：1、40-65分貝環(huán)境下，特定人語音識別準確率達90%以上；2、全景環(huán)形透鏡鏡頭的口徑只有32mm，有效校正了像差和色差，無調(diào)焦即可看清遠近視場內(nèi)的物體并且成像清晰。
科學性、先進性
- 科學性和先進性：在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設計并完成具有語音控制、語音人機交互、全景視覺監(jiān)測、基于路標的全景視覺導航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，并在各個功能模塊中實現(xiàn)了避障安全保護和語音人機交互功能。 雖然國外已研制出智能化程度較高的輪椅，但這些智能輪椅基本上采用通用計算機作為控制器，其體積大、結(jié)構(gòu)復雜、成本高。我國目前共有四項智能輪椅發(fā)明專利。與之相比，本作品最突出的優(yōu)勢在于控制器的成本和輪椅的功能兩個方面。 1）成本低 現(xiàn)有的智能輪椅基本上采用PC機作為主控制器，而本作品在實現(xiàn)上述諸多功能的前提下，采用單片機和DSP處理器作為主控制器，在降低系統(tǒng)對控制器功能要求的同時，也降低了控制器的成本。 2）功能強 本作品通過采用全新的全景環(huán)形透鏡來實現(xiàn)360°全景成像，并通過對全景圖像進行二維平面展開來實現(xiàn)對智能輪椅的全方位監(jiān)控，此外，通過對全景圖像中的導航路標的提取、識別和匹配來完成智能輪椅到指定地點的視覺自動導航。并通過采用多傳感器信息融合技術(shù)來確保輪椅運行的安全性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011-4-6在浙江大學第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽科技制作發(fā)明A類復賽中獲得一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 洽談
作品可展示的形式
- ■實物、產(chǎn)品 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：用戶打開控制器電源后，即可通過“對話”進行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運動。 技術(shù)特點和優(yōu)勢：采用語音識別、基于全景環(huán)形透鏡的全方位監(jiān)測和全景視覺導航、超聲波避障、多傳感器信息融合四種技術(shù)，實現(xiàn)了智能輪椅的多功能性及安全可靠性。 作品優(yōu)勢：成本低、易于產(chǎn)業(yè)化——基于單片機和DSP的控制器解決了基于PC機控制器所存在的成本高、功耗大等問題，這就向智能輪椅的產(chǎn)業(yè)化邁進了一大步。 適應范圍：本作品可以方便地應用于普通家庭、醫(yī)院、康復中心、機場、療養(yǎng)院、商場、博物館等場所。 市場分析：2005年，我國有腿腳不便情況的老年人約為2，800萬人，下肢殘疾人約為200萬人，許多人需要使用方便的代步工具。 經(jīng)濟效益預測：本作品自動控制器和所有傳感器的單件研制成本僅為二千元，而在市場上，功能上相近的智能輪椅，售價均在幾萬到幾十萬不等。
同類課題研究水平概述
- 國外智能輪椅研究現(xiàn)狀：自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅以來，許多國家投入較多資金研究智能輪椅，下面重點介紹幾款典型的智能輪椅，希臘Foundation for Research & Technology Hellas開發(fā)了已經(jīng)商業(yè)化的智能輪椅MWYRA，其由筆記本電腦控制，用戶可以通過操縱桿直接控制或通過與輪椅串接的電腦間接控制，該輪椅實現(xiàn)了自主避障和視覺導航功能。西班牙Malaga大學開發(fā)的智能輪椅SENA ，基于PC機實現(xiàn)了除MWYRA所具有的功能外，還擁有語音控制功能。韓國高級科技研究所KAIST開發(fā)的智能輪椅，將PC機作為上位機，實現(xiàn)了輪椅的自主運動功能，另外為了方便不能使用操縱桿的用戶，該輪椅還增設了液晶觸摸屏。德國不萊梅大學開發(fā)的智能輪椅Rolland ，其可以通過手柄控制，也能把用戶語言（英語和德語）轉(zhuǎn)化成XML形式進行分析，但其語音識別方面還存在一些問題，而同樣由其開發(fā)的另外一款智能輪椅FRIEND則基于PC機實現(xiàn)了語音識別功能。日本國家康復中心開發(fā)了針對物理殘疾者使用的智能輪椅，該輪椅通過安裝視覺傳感器實現(xiàn)了避障功能，同時使用者還可以通過手勢來控制輪椅運動方向，但結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高。 國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀：中國開展智能輪椅的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢和特點，開發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺。包括中國科學院自動化研究所的一種嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)及方法（專利號：200510054510.8），該輪椅采用DSP微處理器作為主控制器，在手動控制中融入避障功能；上海交通大學的智能輪椅（專利號：200610118866.8）采用計算機、DSP微處理器和聲納控制器作為主控制器，實現(xiàn)了目標跟蹤、避障和防跌功能。 綜上所述，目前國內(nèi)外的智能輪椅有個共同的特點，即它們基本上都是采用通用計算機(筆記本電腦或嵌入式工控機)作為上位機，產(chǎn)品體積大、成本高、功耗大、續(xù)航能力差。 [1]魯濤，原魁，朱海兵．智能輪椅研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．機器人技術(shù)與應用，2008（2）：1-3． [2] 廖曉輝，沈大中，王東署. 智能輪椅的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 制造業(yè)自動化，2008(04):1-6.
