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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 基于全景視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別的嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅進(jìn)行了智能化升級(jí)，設(shè)計(jì)了具有語(yǔ)音控制、語(yǔ)音人機(jī)交互、全景視覺(jué)監(jiān)測(cè)、全景視覺(jué)導(dǎo)航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶(hù)不僅可以通過(guò)語(yǔ)音指令控制輪椅的運(yùn)行，還可以通過(guò)全景視覺(jué)導(dǎo)航模塊來(lái)完成到指定地點(diǎn)的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)行，同時(shí)，全景視覺(jué)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了智能輪椅用戶(hù)的家屬和醫(yī)生對(duì)用戶(hù)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實(shí)現(xiàn)了特定需要場(chǎng)合下的隨機(jī)“散步”運(yùn)行。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著社會(huì)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(dòng)輪椅運(yùn)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(huì)。 針對(duì)智能輪椅的經(jīng)濟(jì)性、安全性、交互流暢性等市場(chǎng)推廣瓶頸，本作品采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)輪椅進(jìn)行了智能化升級(jí)，使之能夠在多種場(chǎng)合適用于不同人群。通過(guò)采用單片機(jī)和DSP作為處理核心以降低成本，設(shè)計(jì)了具有語(yǔ)音控制、語(yǔ)音人機(jī)交互、全景視覺(jué)監(jiān)測(cè)、全景視覺(jué)導(dǎo)航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶(hù)不僅可以通過(guò)語(yǔ)音指令控制輪椅的運(yùn)行，還可以通過(guò)全景視覺(jué)導(dǎo)航模塊來(lái)完成到指定地點(diǎn)的自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)行，同時(shí)，全景視覺(jué)監(jiān)控模塊基于全新的全景環(huán)形透鏡來(lái)獲得輪椅周?chē)?60°范圍內(nèi)的全部視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了智能輪椅用戶(hù)的家屬和醫(yī)生對(duì)用戶(hù)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實(shí)現(xiàn)了特定需要場(chǎng)合下的隨機(jī)“散步”運(yùn)行。另外，通過(guò)將超聲波避障技術(shù)和語(yǔ)音人機(jī)技術(shù)融合到其它功能模塊當(dāng)中，進(jìn)一步確保了輪椅運(yùn)行的安全性。另外分模塊設(shè)計(jì)思想，使得智能輪椅可根據(jù)不同對(duì)象需求分模塊定制。 作品整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕便、成本低、交互流暢、滿(mǎn)足不同對(duì)象需求、安全性好的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以達(dá)到易于產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品推廣的目的
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出一款操作方便、安全可靠、性?xún)r(jià)比高的智能輪椅控制系統(tǒng)。 基本思路：語(yǔ)音控制和語(yǔ)音人機(jī)交互：用戶(hù)可以通過(guò)“對(duì)話(huà)”進(jìn)行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運(yùn)動(dòng)，輪椅亦可將運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境狀況通過(guò)“對(duì)話(huà)”報(bào)告給用戶(hù)； 全景視覺(jué)監(jiān)控：通過(guò)全新的全景環(huán)形透鏡來(lái)獲得輪椅周?chē)?60°范圍內(nèi)的全部視場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)智能輪椅用戶(hù)的家屬和醫(yī)生對(duì)用戶(hù)的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控； 全景視覺(jué)導(dǎo)航：在室內(nèi)環(huán)境中，輪椅通過(guò)提取和識(shí)別全景圖像中地上、墻上和門(mén)上的導(dǎo)航路標(biāo)來(lái)完成指定路線(xiàn)的導(dǎo)航運(yùn)行； 超聲波自主避障：在特定場(chǎng)合可以實(shí)現(xiàn)輪椅的自主避障運(yùn)行； 基于多傳感器信息融合的安全保護(hù)：輪椅通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)h(huán)境來(lái)避開(kāi)障礙物及低洼地段。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、采用全景環(huán)形透鏡，可獲得360°的大視場(chǎng)，新透鏡不含掃描器件，有效控制成本；2、在單片機(jī)有限的速度和資源下，通過(guò)采用高效核心算法，提高了語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率；3、通過(guò)融入避障安全保護(hù)和語(yǔ)音人機(jī)交互功能來(lái)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(jī)和DSP系統(tǒng)智能輪椅控制系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于系統(tǒng)的資源和運(yùn)行速度有限，必須采用高效算法來(lái)解決數(shù)據(jù)量大、算法復(fù)雜和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高之間的矛盾。 主要技術(shù)指標(biāo)：1、40-65分貝環(huán)境下，特定人語(yǔ)音識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)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(wú)調(diào)焦即可看清遠(yuǎn)近視場(chǎng)內(nèi)的物體并且成像清晰。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性和先進(jìn)性：在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并完成具有語(yǔ)音控制、語(yǔ)音人機(jī)交互、全景視覺(jué)監(jiān)測(cè)、基于路標(biāo)的全景視覺(jué)導(dǎo)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(gè)功能模塊中實(shí)現(xiàn)了避障安全保護(hù)和語(yǔ)音人機(jī)交互功能。 雖然國(guó)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(jì)算機(jī)作為控制器，其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。我國(guó)目前共有四項(xiàng)智能輪椅發(fā)明專(zhuān)利。與之相比，本作品最突出的優(yōu)勢(shì)在于控制器的成本和輪椅的功能兩個(gè)方面。 1）成本低 現(xiàn)有的智能輪椅基本上采用PC機(jī)作為主控制器，而本作品在實(shí)現(xiàn)上述諸多功能的前提下，采用單片機(jī)和DSP處理器作為主控制器，在降低系統(tǒng)對(duì)控制器功能要求的同時(shí)，也降低了控制器的成本。 2）功能強(qiáng) 本作品通過(guò)采用全新的全景環(huán)形透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)360°全景成像，并通過(guò)對(duì)全景圖像進(jìn)行二維平面展開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅的全方位監(jiān)控，此外，通過(guò)對(duì)全景圖像中的導(dǎo)航路標(biāo)的提取、識(shí)別和匹配來(lái)完成智能輪椅到指定地點(diǎn)的視覺(jué)自動(dòng)導(dǎo)航。并通過(guò)采用多傳感器信息融合技術(shù)來(lái)確保輪椅運(yùn)行的安全性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011-4-6在浙江大學(xué)第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽科技制作發(fā)明A類(lèi)復(fù)賽中獲得一等獎(jiǎng)
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(shí)物、產(chǎn)品 ■現(xiàn)場(chǎng)演示 ■圖片 ■錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：用戶(hù)打開(kāi)控制器電源后，即可通過(guò)“對(duì)話(huà)”進(jìn)行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：采用語(yǔ)音識(shí)別、基于全景環(huán)形透鏡的全方位監(jiān)測(cè)和全景視覺(jué)導(dǎo)航、超聲波避障、多傳感器信息融合四種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的多功能性及安全可靠性。 作品優(yōu)勢(shì)：成本低、易于產(chǎn)業(yè)化——基于單片機(jī)和DSP的控制器解決了基于PC機(jī)控制器所存在的成本高、功耗大等問(wèn)題，這就向智能輪椅的產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)了一大步。 適應(yīng)范圍：本作品可以方便地應(yīng)用于普通家庭、醫(yī)院、康復(fù)中心、機(jī)場(chǎng)、療養(yǎng)院、商場(chǎng)、博物館等場(chǎng)所。 市場(chǎng)分析：2005年，我國(guó)有腿腳不便情況的老年人約為2，800萬(wàn)人，下肢殘疾人約為200萬(wàn)人，許多人需要使用方便的代步工具。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：本作品自動(dòng)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(chǎng)上，功能上相近的智能輪椅，售價(jià)均在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 國(guó)外智能輪椅研究現(xiàn)狀：自1986年英國(guó)開(kāi)始研制第一輛智能輪椅以來(lái)，許多國(guó)家投入較多資金研究智能輪椅，下面重點(diǎn)介紹幾款典型的智能輪椅，希臘Foundation for Research & Technology Hellas開(kāi)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(hù)可以通過(guò)操縱桿直接控制或通過(guò)與輪椅串接的電腦間接控制，該輪椅實(shí)現(xiàn)了自主避障和視覺(jué)導(dǎo)航功能。西班牙Malaga大學(xué)開(kāi)發(fā)的智能輪椅SENA ，基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了除MWYRA所具有的功能外，還擁有語(yǔ)音控制功能。韓國(guó)高級(jí)科技研究所KAIST開(kāi)發(fā)的智能輪椅，將PC機(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了輪椅的自主運(yùn)動(dòng)功能，另外為了方便不能使用操縱桿的用戶(hù)，該輪椅還增設(shè)了液晶觸摸屏。德國(guó)不萊梅大學(xué)開(kāi)發(fā)的智能輪椅Rolland ，其可以通過(guò)手柄控制，也能把用戶(hù)語(yǔ)言（英語(yǔ)和德語(yǔ)）轉(zhuǎn)化成XML形式進(jìn)行分析，但其語(yǔ)音識(shí)別方面還存在一些問(wèn)題，而同樣由其開(kāi)發(fā)的另外一款智能輪椅FRIEND則基于PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音識(shí)別功能。日本國(guó)家康復(fù)中心開(kāi)發(fā)了針對(duì)物理殘疾者使用的智能輪椅，該輪椅通過(guò)安裝視覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)了避障功能，同時(shí)使用者還可以通過(guò)手勢(shì)來(lái)控制輪椅運(yùn)動(dòng)方向，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。 國(guó)內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀：中國(guó)開(kāi)展智能輪椅的研究較晚，但也根據(jù)自己的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺(tái)。包括中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的一種嵌入式智能輪椅控制系統(tǒng)及方法（專(zhuān)利號(hào)：200510054510.8），該輪椅采用DSP微處理器作為主控制器，在手動(dòng)控制中融入避障功能；上海交通大學(xué)的智能輪椅（專(zhuān)利號(hào)：200610118866.8）采用計(jì)算機(jī)、DSP微處理器和聲納控制器作為主控制器，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤、避障和防跌功能。 綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外的智能輪椅有個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們基本上都是采用通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))作為上位機(jī)，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(shì)[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)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(dòng)化，2008(04):1-6.
