电动轮椅车的智能导航及避障研究

吴宏雷 孟青云，2* 肖轶

（1.上海健康医学院医疗器械学院，上海 201318；2.上海穿戴式医疗技术与器械工程研究中心，上海 201318）

2006年，第二次全国残疾人抽样调查数据显示，我国残障群体总人数为8296万人（占到了我国当时人口总数的6.34%左右），这个数字比1987年的占比高1.44%。而且其中肢体残疾的总人数约2412万人，占残疾人总数的29.07%［1］。为了改善和提高残疾人的生活质量，使他们能够像正常人一样自由移动来更好地融入社会，轮椅已经成为他们不可或缺的辅助工具。

最初的轮椅是依靠护理人员的推动或使用者手动转轮进行移动。随着技术的发展，越来越多的电驱动轮椅进入行动能力欠缺人群的生活。但由于目前轮椅的使用者多为自我保护能力不足的老年人和残疾人，因此在轮椅的移动过程中不能对路径上存在的障碍物进行很好的避障或做出相应的避障策略而导致轮椅通过障碍物时发生抖动或倾斜，易对使用者造成伤害，而且市面上轮椅需要使用者持续操作，对于不能自主活动的老人或残疾人无法使用轮椅准确地到达目的地。为此，对智能轮椅的导航系统及避障系统进行分析，设计一种可用于家庭、社区和康养医院等场合的智能导航及避障的电动轮椅车。

1 导航系统

导航的方式有多种，根据环境信息的完整程度、导航指标信号类型、导航地域等因素的不同，主要有以下三种：循迹传感器导航系统、机器人操作系统（robot operating system，ROS）导航系统、路径记忆导航系统。

1.1 循迹传感器导航系统

1.1.1 循迹传感器的原理

循迹传感器的原理利用了黑、白色对红外线吸收作用的不同［2］。循迹原理如图1所示，左侧为红外光发射管，通电后能产生肉眼不可见的红外光，右侧部分是红外光接收管，它的电阻会随着接收到红外光的多少而发生变化。由于黑色能够吸收光线，当红外发射管发出的红外光线照射在黑色表面后被反射回来的部分较少，红外接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻较大，通过外接的电路可以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时反射回来的红外线较多，表现为红外接收管的电阻较小。这样就可以通过接收端电平变化来判断轮椅是否偏离预设的路线。

图1 红外循迹原理图

1.1.2 循迹传感器的导航实现

通过红外循迹原理，在轮椅底部安装探测距离可调、精度更高的二路循迹模块。每路具体硬件电路图如图2所示，电位器R2用来调节灵敏度，将红外接收管接收到的电压信号通过LM393比较器与预设电压信号进行比较，当其大于预设信号时会输出高电平，反之则输出低电平［3］。

图2 循迹传感器原理图

只要事先在使用场所地面上规划好黑色的路径线，用控制器判断红外循迹传感器左右两路输出端电平的高低，就能够判断轮椅运行在黑色的路径线上方的具体位置，根据检测状态的不同通过控制器调整转向使轮椅一直沿着黑色的路径线行驶，从而实现智能轮椅的循迹导航功能。这种导航方式的实现较为简单且成本不高。

1.2 ROS导航系统

1.2.1 ROS导航系统的原理

ROS是一个服务于机器人的操作系统，提供了能应用于不同机器人的各种功能包［4］。从基本控制器、模型建立到自主导航功能等，包含了用于构建机器人控制系统的绝大多数可复用软件包。ROS由许多进程与主机在对等的拓扑关系下连接。只要配置适当，该模块就可以应用到其他机器人上。当然，用户也可以将自己的某些软件与之集成，实现新的功能。

ROS的核心功能是提供一种软件点对点通信机制，基于这个机制，开发人员可以非常灵活和高效地组织机器人的软件系统。“节点”、“消息”、“主题”和“服务”是ROS的4个基本概念。不同研究者对轮椅功能的要求不同，但却有着许多共性的问题，比如易用性、开发效率、跨平台、多编程语言、分布式部署、代码可重用等。如何解决这些共性问题，ROS领先了其他平台。ROS提供类似操作系统所提供的功能，包含硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间的消息传递、程序发行包管理以及一些用于获取、建立、编写和运行多机整合程序的工具程序和软件库。

1.2.2 ROS导航系统的应用

导航系统分为两部分，底层控制由嵌入式电脑组成，它为电机驱动和传感器提供接口［5］。上层控制由一个通过网络连接的server／client程序组成。上层导航系统基于ROS导航和差动控制功能包。通信节点则用于封装客户端程序、订阅传感器信息和发布控制命令。

图3 循迹传感器实物图

首先，在生成地图时，功能包通过通信节点接收传感器数据，一旦传感器消息和转换消息发布完成，就可生成导航需要的地图，可观察到整个地图创建的过程。导航则与建图的过程相反，当map文件启动，包含在功能包中的路径规划节点和运动控制节点可以利用消息和位姿消息规划运动路径。最后，当PID速度控制节点接收到消息后便可完成运动控制。轮椅走过的位置会不断更新，并在地图中留下轨迹。这样的结构具有较强的生命力，当研究者的领域在导航算法时，无需再将精力投入到电机控制、通信或者仿真，只需直接编写导航功能包，配置相关文件即可。也可以在此基础上加入更多诸如脑电信号控制、轮椅助残机械臂等内容，大大提高了科学研究的效率，ROS的通用性得到了极好的体现。

1.3 路径记忆导航系统

1.3.1 路径记忆导航系统意义

当残障人士或老年人乘坐智能轮椅外出，若发生意外，则需要智能轮椅具备一定的记忆功能，将来时的路径记录下来，然后根据存储的路径数据，实现原路返回［6］。一般情况下，对于所有经过的路径进行存储，为智能轮椅原路返回提供保障，而没有被记录的路径均被假设为不可行路径。

1.3.2 路径记忆导航模块原理

在路径记忆的模式下，智能轮椅系统需随时记录当前位置，即所谓的自定位。智能轮椅系统的自定位主要依靠安装在两个驱动轮上的码盘，每隔一段时间，通过对码盘返回的数据进行处理，就可得到智能轮椅两个主动轮分别走过的距离，进而可以得到轮椅相对于起始点的位移和转过的角度，从而实现智能轮椅的自定位［7］。

当使用智能轮椅的残障人士或者老年人遇到一些突发状况，需要尽快返回起点时，智能轮椅就需要进入路径重现模式。由于智能轮椅已对走过的路径有了记录，对外界环境有了一定的了解，这时要返回起点，可能存在多条路径，需要智能轮椅能够在多条可达的路径中选择出一条最佳路径，该智能轮椅系统中要求距离最短的路径。

2 避障系统

避障系统中最重要的部分是障碍物检测技术功能，障碍物检测技术是智能轮椅安全行驶的关键性技术。当安装在智能轮椅上的传感器检测到环境中有障碍物存在时，智能轮椅的决策模块根据观测到的信息，规划出一条能够避开障碍物的线路，保证轮椅安全行驶而不与障碍物发生碰撞。目前，障碍物检测的方法较多，现就比较常用的几种技术进行比较。

2.1 超声波传感器避障系统

2.1.1 超声波测距的原理

在智能避障轮椅行进过程中，超声波传感器发射端向空气中发射超声波。超声波在没有遇到障碍物时不会被反射，因此当传感器的接收端没有接收到反射回来的超声波时，智能避障轮椅会继续正常地按照原定的路线行驶，一旦超声波在空气中传播的过程中遇到障碍物会被反射回来，由传感器的接收端接收，轮椅与障碍物之间的距离通过超声波发射时刻与超声波接收时刻的时间间隔来计算得到［8］。

超声波测距的工作原理可简单表述为由超声波传感器的发射端向空气中发射声脉冲，检测到障碍物时由传感器的接收端接收回波，发射与接收会产生时间差。已知声速为c［9］，需要测得回波由传感器接收端接收回波的时刻与脉冲发射时刻的时间差t，再通过公式（1）：s＝（t×c），就可得到传感器与障碍物之间存在的距离s。如图4所示超声波的测距的工作原理图。

图4 超声波测距原理图

2.1.2 超声波避障的实现

如图5所示，超声波传感器可以向前方、左右等多个方向发射超声波［10］，通过超声波传感器来检测智能避障轮椅周围环境中各个方向的障碍物情况，即可获得较大范围的环境信息，以便实时对路径上的障碍物做出合理的避障。

图5 超声波避障工作流程图

2.2 视觉传感器避障系统

2.2.1 常用视觉传感器避障系统方案

常用的计算机视觉方案有多种，比如双目视觉、基于飞行时间（time of flight，TOF）法的深度相机、基于结构光的深度相机等。深度相机可以同时获得红绿蓝（red green blue，RGB）图和深度图，不管基于TOF还是结构光，因需要主动发光，在室外强光环境下效果都不理想。

像基于结构光的深度相机，发射出的光会生成相对随机但又固定的斑点图样，这些光斑照在物体上，因为与摄像头距离不同，被摄像头捕捉到的位置也不相同，之后先计算拍到的图的斑点与标定的标准图案在不同位置的偏移，利用摄像头位置、传感器大小等参数就可以计算出物体与摄像头的距离。

2.2.2 双目视觉测距原理

双目立体视觉的基本原理是使两个摄像头处于不同视角，同时拍摄同一目标场景，通过摄像头的成像原理获取两个二维平面图像，并计算空间点映射到左右图像像素上的坐标偏差，由此得到三维场景的空间信息［11］。与结构光方法不同的是，结构光计算的点是主动发出的、已知确定的，而双目算法计算的点一般是利用算法抓取到的图像特征，如尺度不变特征变换（scale－invariant feature transform，SIFT）或加速稳健特征（speeded up robust features，SURF）等，这样通过特征计算出来的是稀疏图。

要做良好的避障，稀疏图还不够，需要获得的整个场景深度信息的稠密的点云图。稠密匹配算法分为局部算法和全局算法。局部算法使用像素局部的信息来计算其深度，而全局算法采用图像中的全部信息进行计算。一般来说，局部算法的速度更快，但全局算法的精度更高。这两类各有多种不同方式的具体算法实现，通过它们的输出估算整个场景的深度信息，该深度信息可以帮助寻找地图场景中的可行走区域以及障碍物。整个输出类似于激光雷达输出的3D点云图，与激光雷达相比，得到信息更丰富，但测量精度差一些，对计算能力的要求也较高。

2.3 红外传感器避障系统

2.3.1 红外传感器避障系统的原理

红外避障主要是以红外测距传感器为主。红外测距均采用三角测距的原理。红外发射器按照一定角度发射红外光束，在遇到物体之后，光反射回来，检测到反射光之后，通过结构上的几何三角关系，就可计算出物体和障碍物的距离。当障碍物和轮椅的距离很大时，测量精度变差。因此，常见的红外传感器测量距离都比较近，小于超声波，同时远距离测量也有最小距离的限制。另外，对于透明的或者近似黑体的物体，红外传感器是无法检测距离的。

2.3.2 红外传感器模块电路图及参数

该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3～5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。

图6 红外传感器电路图

3 一种电动轮椅车的智能导航及避障实现

对于实现一种电动轮椅车的智能导航及避障主要是在原有电动轮椅的基础上开发新功能，所以对于电动轮椅的机械设计及原有硬件不作详细讲述。接下来关于硬件的设计和选用的内容主要是主控制器芯片的选用和导航及避障模块的硬件设计，控制系统设计主要是对于智能导航和避障系统的流程图讲解。

3.1 硬件设计

3.1.1 主控制芯片的选用

该设计中主控制器芯片的选择主要考虑以下几点要求。首先，主控制器需要具备定时器的作用，因为智能轮椅中的车轮旋转速度都需要经过脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）进行调节，而且超声波传感器还需要定时器的作用才能达到避障。其次，该芯片须包含A／D转换的功能，因为循迹传感器输出的信号都需要转换成一种数字信号。根据以上要求，选用STM32芯片，该芯片不仅带有A／D转换器和定时器的功能，外接口也非常的多，可以拓展更多的功能模块，价格也相对较低，非常适合对此循迹避障智能轮椅功能的控制［12］。

3.1.2 循迹传感器

在该智能轮椅前方底部安装两个红外循迹传感器，用于检测轮椅的位置信息，输出端连接至STM32芯片，接收端的电平变化使轮椅沿着黑色的路径线行驶，也能利用电平的变化使偏离路径线的小车回到黑色的路径线上，如下表1所示。

表1 循迹控制逻辑表

3.1.3 超声波传感器

在电动轮椅的前方安装多个HC－SRO4超声波传感器，通过上文超声波传感器的原理对前方一定方向范围内的障碍物进行探测。超声波频率超过了20000赫兹，它的穿透性和方向性都较高［13］，在超声波传感器测得智能避障轮椅与障碍物之间的距离后，由控制模块与系统原设的安全距离作比较，从而控制驱动电机进而控制智能轮椅的运动。

3.2 程序系统设计

3.2.1 系统主程序设计

首先要对系统的各个部分和各个模块进行初始化：包括时钟、定时器以及各个IO口等。接下来进行串口数据接收并读取数据来确定运行程序的模式：手动模式或循迹避障自动模式。确认模式正确后执行相应模式下的程序，输出相应指令的PWM控制小车的速度。如果系统运行正常就循环以上程序，如果系统运行不正常轮椅则停下。系统主程序的流程如图7所示。

图7 系统主程序的流程图

3.2.2 循迹避障程序设计

轮椅的循迹避障功能通过将循迹功能程序和避障功能程序结合实现。循迹功能的作用是使轮椅循线行驶，避障功能的作用是在循迹行驶的时候探测障碍物并且及时避障。

循迹避障功能程序启动后，系统初始化，接着运行循迹功能程序，轮椅沿着事先在使用场所地面上规划好的黑色路径线行驶，在行驶的同时运行避障程序。避障程序可以在循迹程序运行行驶时持续探测前方安全距离内是否存在障碍物，如果超声波传感器发出的超声波探测到出现在系统设定的安全距离内的障碍物，轮椅会马上停下，然后持续探测前方障碍物的状态，直到障碍物移开或是超出了设定的安全距离，轮椅就会继续运行循迹功能程序行驶。这样就能实现在循迹行驶过程中及时躲避障碍物的功能，循迹避障功能程序总流程图如图8所示。

图8 循迹避障功能程序总流程图

4 讨论

2021年5月11日国家统计局公布的第七次全国人口普查数据显示：60岁及以上人口占18.70%（其中65岁及以上人口占13.50%）且呈上升趋势［14］。目前，越来越多的国家对老年人和残疾人的生活质量十分关注。美国医疗基础设施提供了4000亿美元［15］，目标是研发照顾老年人和残疾人的设施或系统；我国的“十四五规划”也对老年人和残疾人的康复辅具智能化和设施的建设十分重视。近几年来，随着科技水平飞速发展，越来越多的先进技术被用于提高残障群体的生活质量。对于残疾人和部分老年人来说，智能轮椅存在的意义在于可以使他们正常进行日常活动，并以此种方式使他们的行为自由度获得提升。