技术领域
[0001] 本
发明涉及智能控制系统、嵌入式
图像处理以及视觉伺服领域，尤其涉及一种面向智能型室内助动系统的交互控制系统。
背景技术
[0002] 为满足患者和老年人平躺、站立等不同体位变化的需要，减轻护理人员劳动强度，设计具备较强功能，满足日常所需，便于操作与控制的智能助动系统具有较为实际的意义。目前已有的助动系统所存在的问题有：处于
轮椅状态时的灵活性和操作性不佳等问题；处于卧姿时，其宽度、高度也不能满足护理要求，缺乏舒适性；已有助动系统的坐、卧、站体位之间的转换过程复杂；控制方式和
人机交互方式单一；没有考虑到对于助动系统智能化的要求，系统的避障、生理参数监测、康复娱乐等必要功能均未进行设计和实现。
[0003] 公开技术分离式助行护理床它包括固定床面部分、分离床面部分、床架、升背机构和屈腿机构；所述固定床面部分为U形，所述分离床面部分正好可以镶嵌在固定床面部分的U形槽内，使固定床面部分与分离床面部分构成一个矩形的整体床面；所述床架包括带
脚轮的整体
支架和通过旋转连接轴连接于其上的活动支架；所述升背机构由四杆机构和电动执行器构成；所述屈腿机构包括对称固连于所述整体支架上的左、右
支撑，其上分别安装有左、右
电机，左、右电机的
输出轴分别与左、右
齿轮副连接，左、右齿轮副分别与左、右
曲柄的一端连接，左、右曲柄的另一端分别固连在所述固定床面部分上。该公开技术在很大程度上增强了护理床的灵活性，为其增添了体位变换功能；但其本身仅仅为一护理床，对于乘坐者的助动功能体现不足，无法变位于轮椅状态帮助乘坐者进行户外活动；同时该护理床的体位变换在很大程度上依赖于齿轮等机械机构，控制缺乏一定的智能性。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于解决体位变换和室内助动的技术问题，同时能够以较高智能为乘坐者提供较为便易的交互操作和床体-轮椅对接方式，将床体和智能轮椅本体构成室内助动系统，为此，本发明提供一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置及方法。
[0005] 为达成所述目的，本发明第一方面提供一种面向智能型室内助动系统的交互控制装置，该装置解决技术问题的技术方案如下：该装置用于控制智能轮椅本体的坐卧站体位变换、运动以及轮椅本体与床体的自动对接；所述智能轮椅中含有靠背、护腿板、轮椅靠背
推杆、
连杆机构、
扶手、左运动控制电机、右运动控制电机、轮椅靠背推杆直流伺服
驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机，其特征在于，该装置包括：嵌入式上位机、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉
感知单元、视觉感知和处理单元、人机交互单元，其中：
[0006] 人机交互单元输出端与CAN总线和嵌入式上位机连接，人机交互单元的输入端用以接收乘坐者输入的命令，人机交互单元的输出端输出两路：一路经CAN总线输出运动控制命令
信号，另一路发送体位变换控制命令信号或工作模式切换命令信号；
[0007] 视觉感知和处理单元输出端与CAN总线连接，视觉感知和处理单元的输入端获取轮椅本体的场景图像，视觉感知和处理单元的输出端通过CAN总线输出引导轮椅本体完成床体自动驶入对接操作的轮椅
位置和
姿态的感知信息；
[0008] 非视觉感知单元输出端与CAN总线连接，非视觉感知单元的输入端获取轮椅本体周围环境信息，非视觉感知单元的输出端经CAN总线输出周围环境感知信息；
[0009] 运动控制单元输出端与CAN总线连接，运动控制单元的输入端通过CAN总线接收运动控制命令信号，运动控制单元还接收周围环境感知信息；运动控制单元的输出端通过CAN总线输出两路电机驱动信号、运动控制单元的工作状态信息；
[0010] 体位变换控制单元的输出端与CAN总线连接，体位变换控制单元的输入端接收经CAN总线发送来的体位变换控制命令信号，体位变换控制单元的输出端输出五路电机驱动信号、体位变换的工作状态信息；
[0011] 嵌入式上位机具有五路输入端通过CAN总线分别与人机交互单元、运动控制单元、体位变换控制单元、非视觉感知单元、视觉感知和处理单元和人体生理信号检测单元连接，实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，嵌入式上位机的输入端接收体位变换控制命令信号、工作模式切换命令信号、轮椅
位姿感知信息、周围环境感的知信息、CAN总线发送来的所述各单元工作状态信息；嵌入式上位机的输出端输出周围环境感知信息、所述各单元工作状态信息和人体生理信号至人机交互单元用以进行实时监控显示，嵌入式上位机的输出端输出运动控制命令至运动控制单元及输出体位变换命令至体位变换控制单元；在上述各单元的协调控制下，智能轮椅本体工作于轮椅助动、体位变换和床体自动驶入对接三种工作模式：
[0012] 在轮椅助动模式下，运动控制单元依据人机交互单元的命令和非视觉感知单元对周围环境的感知信息进行避障行驶和防跌落行驶；左运动控制电机、右运动控制电机分别接收运动控制单元的电机驱动信号，用于执行
驱动轮椅本体完成运动控制命令；
[0013] 在体位变换模式下，体位变换控制单元根据人机交互单元输出的体位变换控制命令信号对轮椅本体进行体位切换操作；轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机分别接收体位变换控制单元所输出的电机驱动信号，协调动作完成体位变换命令的执行；
[0014] 在床体自动驶入对接模式下，轮椅本体以实现于视觉感知和处理单元与嵌入式上位机内的视觉伺服控制机制自主倒退驶入床体的U形区域内，并在到达设
定位置时变换为卧式体位，从而实现轮椅本体与床体的自动对接。还具备相应的网络
接口，提供网络和娱乐服务。
[0015] 其中，所述运动控制单元包括运动
控制器和
驱动器，其运动控制器在轮椅助动模式下采用开环控制，在床体自动驶入对接模式下采用闭环控制，实现轮椅本体的速度调节和位置调节，运动控制器的输出端输出电机
控制信号；驱动器的输入端与运动控制器的输出端连接，驱动器接收电机控制信号，用以依据电机控制信号调整施加于左运动控制电机和右运动控制电机的实际工作
电压，从而对运动控制命令信号起到功率放大的作用。
[0016] 其中，所述体位变换控制单元包括轮椅靠背推杆控制驱动器、座椅推杆控制驱动器和扶手控制驱动器，其轮椅靠背推杆控制驱动器的输出端与轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机连接，采用闭环控制方式控制轮椅靠背推杆做直线运动，轮椅靠背推杆借助于联接靠背和护腿板的连杆机构联动调整轮椅靠背和护腿板姿态；座椅推杆控制驱动器的输出端与座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机连接，采用闭环方式对其进行同步控制，用于调整座椅姿态；扶手控制驱动器的输出端分别与左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机连接，对左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机进行闭环控制，用于调整所述两个扶手的姿态，当轮椅本体位于床体外侧时调整两个扶手位于轮椅靠背前方，在轮椅本体在床体内与床体对接之前调整所述扶手转向轮椅靠背的后方。
[0017] 其中，所述非视觉感知单元包括八个超声
传感器和一个
信号处理卡，在轮椅本体的左侧面和右侧面各有一个所述超声传感器，在轮椅本体的前侧面设有两个所述超声传感器，在轮椅本体后侧面设有两个所述超声传感器，在轮椅
脚踏板的底面设有两个所述超声传感器，所述超声传感器输出轮椅周围环境的感知信息，所述周围环境的感知信息是轮椅前方、后方、左方、右方的障碍信息以及脚
踏板下方的地面突变信息；信号处理卡的输入端分别与八个超声传感器的输出端连接，接收八路超声传感器输出的轮椅周围环境的感知信息并对八个超声传感器的感知信息进行滤波和数据融合，信号处理卡的输出端将所述轮椅周围环境的感知信息经CAN总线发送至嵌入式上位机或运动控制单元。
[0018] 其中，所述视觉感知和处理单元包括一个摄像头、一
块智能
图像采集处理卡，所述摄像头位于轮椅靠背的后侧面，摄像头用于感知轮椅后方的环境图像，并利用视频线输出轮椅后部图像信号；智能图像采集处理卡与摄像头连接，用以接收摄像头发送来的图像信号，并根据图像信号执行床体自动驶入对接工作模式所需的视觉
算法和轮椅本体定位算法，视觉算法和轮椅本体定位算法执行所得到的轮椅位置和姿态信息经CAN总线发送至嵌入式上位机。
[0019] 其中，所述人机交互单元包括操纵杆、功能按键和
触摸屏三部分，操纵杆接收乘坐者运动控制命令，并将运动控制命令利用CAN总线直接发送至运动控制单元；功能按键用以接收轮椅工作模式切换命令信号和轮椅设置命令信号，并将轮椅工作模式切换命令和轮椅设置命令输送至嵌入式上位机；触摸屏一方面接收用户输入的体位变换控制命令信号和轮椅工作模式命令信号并将体位变换控制命令信号和轮椅工作模式命令信号直接输出至嵌入式上位机；另一方面接收嵌入式上位机发送来的轮椅工作状态信息、人体生理参数信息和周围环境信息，并对所述的这些信息进行
可视化显示。
[0020] 为达成所述目的，本发明第二方面提供一种利用面向智能型室内助动系统交互控制装置的面向智能型室内助动系统的交互控制方法，该方法解决技术问题的技术方案如下：
[0021] 步骤S1：利用视觉感知和处理单元的智能图像采集处理卡中的FPGA对摄像头所发送来的轮椅后部图像进行畸变校正、Canny边缘提取和Hough变换，得到图像中所蕴含的直线信息；
[0022] 步骤S2：利用所述智能图像采集处理卡中的DSP，完成基于U形区域空间特征线与特征点的轮椅本体相对于床体的位置和姿态
角定位；
[0023] 步骤S3：嵌入式上位机接收所述智能图像采集处理卡发送来的轮椅本体相应于床体的位置和姿态角信息，完成床体U形区域自动驶入路径规划；
[0024] 步骤S4：嵌入式上位机依据设计得到的轮椅本体控制率，确定出轮椅的运动速度和运动方向角并将运动速度和运动方向角利用CAN总线发送至运动控制单元，运动控制单元利用轮椅的
运动学模型将轮椅的运动速度和运动方向角转化为两轮速度，并利用运动控制单元内部的电机闭环控制算法实现轮椅本体面向U形区域的驶入控制；
[0025] 步骤S5：当嵌入式上位机依据轮椅本体的位置信息确定轮椅本体到达U形区域内设定位置时，向体位变换控制单元发送卧姿变换命令，体位变换控制单元借助于扶手电机控制驱动器将两个扶手外向旋转至朝后，然后利用轮椅靠背推杆控制驱动器控制轮椅靠背推杆直线缩进，靠背平放的同时与靠背相连的连杆机构使护腿板升起，从而完成轮椅本体与床体的自动对接。
[0026] 其中，所述轮椅本体相对于床体的位置和姿态角的定位步骤包括：
[0027] 步骤S21：利用智能图像采集处理卡中的FPGA所发送来的直线信息，确定图像中每条直线在图像平面
坐标系下的数学表达为：
[0028] ax+by+c＝0；
[0029] 其中，(x，y)为坐标变量，a、b、c为直线方程参数；
[0030] 步骤S22：利用床体坐标系和摄像头坐标系之间的变换关系，将床体中的床体顶面方程由床体坐标系转换至摄像头坐标系：
[0031] xcosβsinα+ycosβcosα-zsin β-(hb-hc)＝0，
[0032] 其中β、α、hb和hc分别为摄像头的
俯仰角和
横滚角、床体顶面和摄像头
光心距离地面的高度，α、β、hb和hc为固定参数，标定后连同摄像头内部参数
固化于智能图像采集处理卡的DSP ROM中，z为空间某点在摄像头坐标系下的Z轴坐标；
[0033] 步骤S23：在摄像头坐标系下，过光心和图像平面内某条直线所构成的平面，即直线光心平面与床体顶面的交线方程确定为
[0034]
[0035] 其中f为摄像头焦距；
[0036] 步骤S24：在摄像头坐标系下，对图像平面内所有直线所对应的直线光心平面与床体顶面所确定的交线首先利用空间直线平行条件和垂直条件进行判断，然后将确定出的平行线对之间的距离同床体顶面尺寸参数相匹配，从所有交线中确定出床体顶面中的U形边界线及U形边界线的方向矢量，称按照这种方式计算得到的U形边界线的方向矢量为检测方向矢量；
[0037] 步骤S25：在床体顶面U形边界线中选择任意一条边界线在床体坐标系下的方程确定出所述任意一条边界线的方向矢量；再利用床体坐标系和摄像头坐标系之间的旋转矩阵将所述任意一条边界线的方向矢量转换至摄像头坐标系，利用直线平行性条件对转换后的U形边界线的方向矢量和所述任意一条边界线对应的检测方向矢量进行计算，得到轮椅本体相应于床体的姿态角；
[0038] 步骤S26：在摄像头坐标系下，求取U形区域非平行两条边界线的交点坐标；同时利用摄像头坐标系和床体坐标系之间的转换方程将所述交点所对应的、事先通过标定已知的床体坐标系的交点坐标转换至摄像头坐标系；利用上述两种方式交点坐标之间的等价关系求取轮椅本体在床体坐标系下的位置坐标。
[0039] 其中，所述床体U形区域自动驶入路径规划的步骤包括：
[0040] 步骤S31：在床体坐标系下，依据U形区域两侧平行线方程确定出床体U形区域的中心线方程；
[0041] 步骤S32：依据床体布局空间条件确定出轮椅本体可行避碰运行空间；
[0042] 步骤S33：在可行避碰空间内依据轮椅本体的运动学方程和非完整约束条件规划出其趋向U形中心线的有效路径；
[0043] 步骤S34：利用Backstepping方法实现轮椅本体路径
跟踪过程的控制率设计。
[0044] 本发明的有益效果：本发明由智能轮椅本体和床体两部分构成，利用智能轮椅本体实现其运动功能和体位变换功能，同时借助于床体和轮椅本体的对接拓宽用户卧姿时的活动空间，且是具备坐卧站体位变换功能的智能型室内助动系统。各单元依据智能轮椅的结构特点和人体操作便易性原则，以组件形式合理布局于智能轮椅上，可使智能轮椅本体具备防跌落避障行走功能、体位变换功能、自动驶入床体和对接功能以及良好的系统状态监测和乘坐者生理参数监控功能以及其它的网络与娱乐功能等。
附图说明
[0045] 图1为由床体和智能轮椅本体两部分组成的室内助动系统的结构示意图；
[0046] 图2为本发明所提供的人机交互控制系统的体系结构图；
[0047] 图3为轮椅本体结构和人机交互控制系统布局示意图；
[0048] 图4为轮椅本体床体自动驶入与对接过程示意图；
[0049] 图5为基于视觉伺服的轮椅本体自动床体驶入和对接方法流程。
[0050] 图中主要部件标记说明：
[0051] 嵌入式上位机 1 运动控制单元 2
[0052] 运动控制器 2a 驱动器 2b
[0053] 体位变换控制单元 3 轮椅靠背推杆控制驱动器 3a
[0054] 座椅推杆控制驱动器 3b 扶手控制驱动器 3c
[0055] 视觉感知和处理单元 4 摄像头 4a
[0056] 智能图像采集处理卡 4b 非视觉感知单元 5
[0057] 超声传感器 5a 信号处理卡 5b
[0058] 人机交互单元 6 操纵杆 6a
[0059] 触摸屏 6b 功能键 6c
[0060] CAN总线 7 交互组件 8
[0061] 控制组件 9 助动组件 10
[0062] 蛇皮管 11 左右两个扶手直流伺服驱动电机 12
[0063] 左右两个座椅推杆 13 轮椅靠背推杆 14
[0064] 连杆机构 15 左右两个运动控制电机 16
[0065] 座椅 B1 护腿板 B2
[0066] 脚踏板 B3 靠背 B4
[0067] 左右两个扶手 B5 随动轮 B6
[0068] 左右两个驱动轮 B7 床体 A
[0069] 轮椅本体 B 交互组件盒体 8a
具体实施方式
[0070] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体
实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0071] 本发明为由床体和智能轮椅本体两部分所构成的室内助动系统实现具有较强智能性和较高易操作性的人机交互控制装置。图1所示为该类助动系统的结构示意图，其中A为床体部分，B为智能轮椅本体部分。床体A为U形中空架构，轮椅本体B驶入U形区域与床体A对接后可组合为具有较大宽度的护理床，从而便于用户(通常为患者或老人)完成翻身等动作，同时增强了休息时的舒服感；轮椅本体B为用户提供助
动能力，且可在坐、卧、站三种姿态之间进行切换。为实现上述助动系统的相关功能，并在一定程度上满足患者或老人的便宜操作和生活需求，本发明提供了一种面向该种助动系统的人机交互控制装置。在该人机交互控制装置的作用下，轮椅本体B在运行过程中具有避障和防跌落功能，能够依据用户需求变更体位姿态，能够在无需用户介入的情况下自动完成床体A的驶入和对接过程，能够实时显示和
监控系统工作状态和用户生理参数，同时提供一定的网络和娱乐功能。
[0072] 图2所示为本发明所提供的人机交互控制装置的体系结构图。由图可以看出，该系统以嵌入式上位机1为核心，辅以运动控制单元2、体位变换控制单元3、视觉感知和处理单元4、非视觉感知单元5和人机交互单元6，同时可接收外部发送来的乘坐者生理检测信号，各单元之间以及各单元与嵌入式上位机1之间利用CAN总线7实现命令传输和信息交互。所述嵌入式上位机1采用ARM9嵌入式上位机或其它嵌入式
微处理器所实现的上位机，所述视觉感知和处理单元4是基于DSP和FPGA的视觉感知和处理单元。
[0073] 人机交互单元6输出端与CAN总线7和嵌入式上位机1连接，人机交互单元1的输入端用以接收乘坐者输入的命令，人机交互单元6的输出端输出两路：一路经CAN总线输出运动控制命令信号，另一路发送体位变换控制命令信号或工作模式切换命令信号；
[0074] 视觉感知和处理单元4输出端与CAN总线7连接，视觉感知和处理单元4的输入端获取轮椅本体B的场景图像，视觉感知和处理单元4的输出端通过CAN总线7输出引导轮椅本体B完成自动驶入床体对接操作的轮椅位置和姿态的感知信息；
[0075] 非视觉感知单元5输出端与CAN总线7连接，非视觉感知单元4的输入端获取轮椅本体B周围环境信息，非视觉感知单元4的输出端经CAN总线7输出周围环境感知信息；
[0076] 运动控制单元2输出端与CAN总线7连接，运动控制单元2的输入端通过CAN总线7接收运动控制命令信号，运动控制单元2还接收周围环境感知信息；运动控制单元2的输出端通过CAN总线7输出两路电机驱动信号、运动控制单元2的工作状态信息；
[0077] 体位变换控制单元3的输出端与CAN总线7连接，体位变换控制单元3的输入端接收经CAN总线7发送来的体位变换控制命令信号，体位变换控制单元3的输出端输出五路电机驱动信号、体位变换的工作状态信息；
[0078] 嵌入式上位机1具有五路输入端通过CAN总线7分别与人机交互单元6、运动控制单元2、体位变换控制单元3、非视觉感知单元5、视觉感知和处理单元4和人体生理信号连接，实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，嵌入式上位机1的输入端接收体位变换控制命令信号、工作模式切换命令信号、轮椅位姿感知信息、周围环境感的知信息、CAN总线7发送来的所述各单元工作状态信息；嵌入式上位机1的输出端输出周围环境感知信息、所述各单元工作状态信息和人体生理信号至人机交互单元6用以进行实时监控显示，嵌入式上位机1的输出端输出运动控制命令至运动控制单元2及输出体位变换命令至体位变换控制单元3；在上述各单元的协调控制下，智能轮椅本体B工作于轮椅助动、体位变换和床体自动驶入对接三种工作模式：
[0079] 在轮椅助动模式下，运动控制单元2依据人机交互单元6的命令和非视觉感知单元5对周围环境的感知信息进行避障行驶和防跌落行驶；左运动控制电机、右运动控制电机分别接收运动控制单元2的电机驱动信号，用于执行驱动轮椅本体B完成运动控制命令；
[0080] 在体位变换模式下，体位变换控制单元3根据人机交互单元6输出的体位变换控制命令信号对轮椅本体B进行体位切换操作；轮椅靠背推杆直流伺服驱动电机、座椅的左推杆直流伺服驱动电机、座椅的右推杆直流伺服驱动电机、左扶手直流伺服驱动电机和右扶手直流伺服驱动电机分别接收体位变换控制单元3所输出的电机驱动信号，协调动作完成体位变换命令的执行；
[0081] 在床体A自动驶入对接模式下，轮椅本体B以实现于视觉感知和处理单元4与嵌入式上位机1内的视觉伺服控制机制自主倒退驶入床体A的U形区域内，并在到达设定位置时变换为卧式体位，从而实现轮椅本体B与床体A的自动对接。
[0082] 各单元具体实施描述如下：
[0083] 1)嵌入式上位机
[0084] 嵌入式上位机1为装置核心，用以实现所述各单元之间的资源调度和运动模式协调，具有五路输入，分别为人机交互单元6直接发送来的体位变换控制命令、视觉感知和处理单元4经CAN总线发送来的轮椅位姿信息、非视觉感知单元5经由CAN总线7传送来的周围环境感知信息、运动控制单元2和体位变换控制单元3经由CAN总线7发送来的轮椅工作状态信息；三路输出分别为：输出环境感知信息、轮椅工作状态信息和人体生理信号至人机交互单元6用以进行监控显示，输出运动控制命令至运动控制单元2，输出体位变换命令至体位变换控制单元3。
[0085] 嵌入式上位机1采用三星公司基于ARM920T
内核的S3C2410ARM9微处理器，也可采用其它形式的嵌入式微处理器，
操作系统为基于Linux2.6内核的实时多任务操作系统。
[0086] 2)运动控制单元
[0087] 运动控制单元2包括运动控制器2a和驱动器2b，其中运动控制器采用DSP，也可采用
单片机等其它形式的微处理器，运动控制器2a在轮椅助动模式下接收操纵杆6a的命令和非视觉感知信息，并利用开环方式实现轮椅本体B的避障和防跌落行驶；在床体A自动驶入对接模式下接收嵌入式上位机1发送来的控制命令，并采用闭环控制实现轮椅本体B的速度调节和位置调节。运动控制器2a直接输出电机控制命令至驱动器2b，驱动器2b接收到该命令后调整施加于两直流伺服运动电机的实际工作电压，即起到功率放大的作用。
[0088] 3)体位变换控制单元
[0089] 体位变换控制单元3包括轮椅靠背推杆控制驱动器3a、座椅推杆控制驱动器3b和扶手控制驱动器3c，输入为嵌入式上位机1经CAN总线7发送来的体位变换命令。轮椅靠背推杆控制驱动器3a的输出端与轮椅靠背推杆14的直流伺服驱动电机连接，采用闭环控制方式控制轮椅靠背推杆14做直线运动，轮椅靠背推杆14借助于连杆机构15联动调整靠背B5和护腿板B2姿态；座椅推杆控制驱动器3b的输出端与左右两个座椅推杆13的驱动电机连接，采用闭环方式对左右两个座椅推杆13进行同步控制，用于调整座椅B1姿态；扶手控制驱动器3c的输出端与左右两个扶手直流伺服驱动电机12连接，通过对这两个扶手直流伺服驱动电机12进行闭环控制调整两个扶手B4姿态：在床体A外侧时扶手B4指向轮椅靠背B5前方，在床体A内与床体对接之间前转向轮椅靠背B5后方。
[0090] 4)基于DSP和FPGA的视觉感知和处理单元
[0091] 视觉感知和处理单元4包括摄像头4a和智能图像采集处理卡4b，其中摄像头4a用于感知轮椅后部的环境图像，并将轮椅后部环境的环境图像利用视频线发送至智能图像采集处理卡4b；智能图像采集处理卡4b为基于DSP和FPGA设计，用以接收摄像头4a发送来的图像信号，并据此实现床体A自动驶入对接工作模式所需的视觉算法和轮椅本体B的定位算法，处理后的结果经CAN总线7发送至嵌入式上位机1。
[0092] 5)非视觉感知单元
[0093] 非视觉感知单元5包括超声传感器5a和信号处理卡5b，超声传感器5a用以检测周围障碍信息和地面突变信息；信号处理卡5b基于DSP设计，也可采用单片机等其它形式的微处理器，接收超声传感器5a信号并对超声传感器信号进行滤波和信息融合，输出超声传感器信号经CAN总线7发送至嵌入式上位机1或运动控制单元2。
[0094] 6)人机交互单元
[0095] 人机交互单元6用以接收乘坐者命令输入，包括操纵杆6a、触摸屏6b和辅助功能键6c，人机交互单元6中的操纵杆6a用以接收乘坐者运动控制命令输入，经CAN总线7后发送至运动控制单元2；功能键6c用以接收系统工作模式切换命令和系统设置命令，并将系统工作模式切换命令和系统设置命令输送至嵌入式上位机1；触摸屏6b一方面可以接收用户输入的体位变换命令和轮椅工作模式命令并将体位变换命令和轮椅工作模式命令直接输出至嵌入式上位机1，另一方面可以接收嵌入式上位机1发送来的系统工作状态信息、人体生理参数信息和周围环境信息，并对这些信息进行可视化显示，同时提供一定的网络娱乐功能。
[0096] 7)CAN总线
[0097] 除视觉信息输入外，其它各所述单元之间以及所述各单元同嵌入式上位机1之间均利用CAN总线7进行信息交流和命令传送。
[0098] 系统上述各单元的各个组成部分依据功能需求和便宜性条件相互交织以组件形式布局于智能轮椅本体上。图3给出了轮椅本体B结构和交互控制装置的布局示意图，其中轮椅本体B包括座椅B1，护腿板B2，脚踏板B3和左右两个扶手B4、靠背B5、左右两个随动轮B6和左右两个驱动轮B7；本发明所述的交互控制装置包括交互组件8、控制组件9、助动组件10、超声传感器5a和摄像头4a，图中其它相关表示为：具有一定硬度的蛇皮管11，左右两个扶手电机12，左右两个座椅推杆13，轮椅靠背推杆14，连杆机构15，左右两个
轮毂电机16。
[0099] 交互组件8包括智能图像采集处理卡4b、基于ARM的嵌入式上位机1、触摸屏6b、交互组件盒体8a以及功能键6c。智能图像采集处理卡4b同基于ARM的嵌入式上位机1采用叠装方式和插针式连接以保证其不会由于传输距离较远而产生干扰问题，二者固定于盒体内；触摸屏6b嵌入至盒体上表面，触摸屏6b的左侧安装固定有功能键6c，功能键6c的作用为防止用户误操作触摸屏6b而导致相应的危险动作。交互组件8通过蛇皮管11固定于轮椅靠背B5的右上侧，交互组件8和蛇皮管11高度高于人体头部。蛇皮管11具有一定硬度，用以保证能够支撑交互组件8，同时具有一定柔性，以保证用户对交互组件8的角度进行方便调节。交互组件8的相关线缆经蛇皮管11内部连至其它组件。
[0100] 控制组件9包括运动控制器2a及其驱动器2b、轮椅靠背推杆控制驱动器3a、座椅推杆控制驱动器3b、扶手控制驱动器3c、非视觉感知单元5中的信号处理卡5b以及辅之于本发明的生理信号采集系统和电源处理模块，所有上述组成部分的相关板卡合理布局后安装固定于一金属的盒体内，所述盒体旁侧有开槽以保证相关线缆引至其它组件。控制组件9固定于座椅B1下面右侧。
[0101] 助动组件10采用类似于电动轮椅控制器的外形设计，以保证用户操作过程的舒适感，助动组件10上安装有操纵杆6a、速度调节按键和电量显示LED，助动组件10内部封装有相关的信号处理
电路。该助动组件10通常固定于右手扶手B4前端，亦可根据用户需要安装于左侧扶手B4，助动组件10后部有线缆引出并就近进入扶手B4的
钢管后连至其它组件。
[0102] 超声组件包括八个超声传感器5a：在轮椅本体的左侧面和右侧面各有一个所述超声传感器5a，在轮椅本体的前侧面有两个所述超声传感器5a，在轮椅本体的后侧面有两个所述超声传感器5a，上述六个超声传感器5a用以感知周围环境中的障碍信息；另外两个盲区较小的超声传感器5a安装于脚踏板B3下侧，用以感知地面状况作为防跌落超声传感器5a使用。
[0103] 摄像头4a为具有较宽
视野的摄像头，安装固定于轮椅靠背B5后侧面上方中央位置，稍向下倾斜以保证摄像头4a在一定范围内能够检测到床体A的U形区域。
[0104] 采用以上结构和布局方式的人机交互控制装置可控制轮椅本体B工作于轮椅助动模式、体位变换模式和床体自动驶入对接模式：
[0105] 1)轮椅助动模式：在该模式下，运动控制单元2依据超声传感器5a信息和操纵杆6a信息、通过协调控制左右两个运动控制电机16实现轮椅本体B的运动控制，且在必要时能够进行相应的避障操作和防跌落操作。在该模式下，由于系统对反应速度要求较高而对
精度要求较低，运动控制器2a采用简单的开环控制策略；同时，运动过程不受嵌入式上位机1控制，嵌入式上位机1只通过触摸屏6b显示传感器信息和生理信号检测信息，必要时进行报警。
[0106] 2)体位变换模式：用户通过触摸屏6b功能按键切换至体位变换模式，并依据用户触摸命令经嵌入式上位机1和CAN总线7将相应的体位变换指令发送至体位变换控制单元3。体位变换控制单元3通过对两个座椅推杆13的电机进行同步闭环控制实现座椅B1的姿态调节，通过对一个轮椅靠背推杆14的直流伺服驱动电机进行闭环控制、并借助于连杆机构15实现轮椅靠背B5和护腿板B2的联动姿态调节，通过控制左右两个扶手直流电机12改变扶手B4的方向：当轮椅本体B在床体A外面时，扶手B4指向轮椅本体B的前方；当轮椅本体B驶入床体后与床体进行对接之前转向靠背B5后方；在体位变换控制单元3的控制下，借助于触摸屏6b命令输入可实现轮椅本体在坐、卧、站三种位姿之间进行切换，同时也可对轮椅靠背B5、座椅B1以及护腿板B2等环节进行局部角度连续调节。
[0107] 3)床体自动驶入对接模式：在该模式下，利用摄像头4a检测得到的图像和固化于智能图像采集处理卡4b中的DSP与FPGA内部的相关算法实现对于床体U形区域的三维空间检测和轮椅本体的自定位，以此作为输入并利用实现于嵌入式上位机1中的视觉伺服控制算法、借助于运动控制单元2的闭环控制功能实现轮椅本体B的床体A的U形区域自主驶入和对接功能。该工作模式通常需要用户将轮椅本体B利用轮椅助动模式运动至床体A前向。
[0108] 除上述三种控
制模式外，所述装置借助于良好的
人机界面实现人体生理参数曲线、系统工作状态的实时动态显示和监控，必要时可以通过网络系统向监护中心发送报警信息。同时该装置还为用户提供了相应的网络服务和娱乐功能。
[0109] 基于上述装置的功能和应用特点，考虑到用户纯粹依靠手动操作完成床体对接时存在较大难度，本发明提供了一种基于视觉伺服的智能轮椅自动床体驶入与对接方法，该方法的具体实施描述如下：
[0110] 设自动驶入过程中床体A与轮椅本体B之间的相对位置关系如图4所示，其中平面Pn代表轮椅靠背B5，Pg和Pb分别表示地平面和床体平面，Pi为摄像头4a的成像平面，l1、l2、l3和l4为床体A的U形区域在床体A的平面上的四条边直线，w为U形区域宽度，b为U形区域底线与床头线之间的距离，hb为床体A的高度，hc为摄像头4a的光心距地面的高度，β为摄像头4a的俯仰角，此处为表述清楚假设在实施过程中摄像头4a通过精心固定其横摇角较小，对其不予考虑。w、b、hb、hc、β以及摄像头4a的焦距f可事先通过测量和标定得到，而摄像头4a的光心Oe假定位于轮椅本体B的中
心轴线上。
[0111] 定义床体坐标系：坐标原点Ow为床头线地面投影与U形区域纵向中线地面投影的交点，Xw轴指向床体左侧，Yw轴向上，Zw轴沿床体方向；定义摄像头坐标系：坐标原点Oc位于摄像头4a的光心位置，Zc轴沿摄像头4a的光心线方向，Xc垂直于Zc轴且与地面平行，Yc轴与其它两轴满足右手系原则。
[0112] 步骤S1：利用视觉感知和处理单元4中智能图像采集处理卡4b中的FPGA对图像进行畸变校正S11、
边缘检测S12和并行Hough变换S13；
[0113] 步骤S2：基于U形区域空间特征线与特征点视觉检测的轮椅本体B定位算法，所述定位算法由视觉感知和处理单元4中智能图像采集处理卡4b上的DSP实现，所述定位算法步骤为：
[0114] S21：对智能图像采集处理卡4b中的FPGA所检测得到的每条直线，确定在图像平面坐标系下的方程为：
[0115] ax+by+c＝0 (1)
[0116] 其中，a、b、c为直线方程系数，x、y为坐标变量；
[0117] S22：利用床体坐标系和摄像头坐标系之间的变换关系，将床体A的顶面方程由床体坐标系转换至摄像头坐标系。
[0118] 设摄像头4a(表征轮椅本体)在床体坐标系下的位姿为(xr，hc，zr，θ)，其中xr和zr分为床体坐标系的轮椅本体X轴坐标和Z轴坐标，θ为轮椅本体的姿态角，则某点由床体坐标系表达X转换至摄像头坐标系表达X′的方程为：
[0119] X′＝R(X+T) (2)
[0120] 其中：旋转矩阵 平移矢量
[0121] 由图4可得床体A的顶面在摄像头坐标系下的平面方程为：
[0122] ycosβ-zsinβ-(hb-hc)＝0 (3)
[0123] 其中β、hb和hc分别为摄像头的俯仰角、床体顶面和摄像头光心距离地面的高度，β、hb和hc为固定参数，标定后连同摄像头内部参数固化于智能图像采集处理卡的DSP ROM中，z为Z轴坐标变量。
[0124] S23：在摄像头坐标系下，确定直线光心平面，即过图像平面内某条直线与摄像头4a光心的平面与床体A的顶面之间的交线方程及所述交线的方向矢量。
[0125] 根据式(1)和图4可确定出过图像平面内某条直线和摄像头4a的光心的三维空间平面在摄像头坐标系下的方程为
[0126] afx+bfy+cz＝0 (4)
[0127] 其中，f为摄像头焦距，x、y、z为平面方程坐标变量；
[0128] 根据式(3)和(4)可得所述平面与床体A的顶面平面的交线(即对应于该成像直线的床体顶面A的直线)方程为：
[0129]
[0130] 根据上述直线方程可确定出所述直线的方向矢量(k，m，n)为：
[0131]
[0132]
[0133]
[0134] S24：在摄像头坐标系下，对图像平面内所有直线所对应的直线光心平面与床体平面所确定的交线利用空间直线平行条件和垂直条件进行判断，同时借助于平行线对之间的距离信息和床体结构参数信息确定出床体U形边界线，然后将确定出的平行线对之间的距离同床体顶面尺寸参数相匹配，从所有交线中确定出床体顶面中的U形边界线及U形边界线的方向矢量，由此得到的U形边界线的方向矢量称之为检测方向矢量。
[0135] 设图像平面内检测得到的两条直线的方程参数分别为(a1，b1，c1)和(a2，b2，c2)，利用式(5)-(8)确定所述两条直线所对应的空间直线及其方向矢量，依据空间直线的平行条件如果该两条直线平行则满足
[0136] (a2b1-a1b2)fsinβ+(a2c1-a1c2)cosβ＝0 (9)
[0137] 依据空间直线的垂直条件如果该两条直线垂直则满足
[0138] (b1fsinβ+c1cosβ)(b2fsinβ+c2cosβ)+a1a2f2＝0 (10)
[0139] 利用上述平行和垂直关系可以减少图像中Hough变换直线的数量，从中根据床体A的顶面的尺寸参数可进一步通过简单匹配方法得到对应于床体A的U形区域的空间直线。
[0140] 步骤S25：在床体A的顶面U形区域边界线中选择任意一条边界线，利用这条边界线在床体坐标系下的方程确定出这条边界线的方向矢量；再利用床体坐标系和摄像头坐标系之间的旋转矩阵将所述方向矢量转换至摄像头坐标系；利用直线平行性条件对上述转换至摄像头坐标系后的边界线方向矢量和上述任意选择的边界线所对应的检测方向矢量进行计算，得到轮椅本体相应于床体的姿态角。
[0141] 在床体坐标系下的U形区域床面边界直线l1、l2、l3和l4的空间方程及其方向矢量可以方便地根据床体实际参数得到，而该四条直线在摄像头坐标系下的空间方程及其方向矢量可以根据式(5)～(8)计算得到。由此得到了同几条直线(至少三条，摄像头4a的较宽视野对此进行了保证)在不同坐标系的表达。假设某条直线在床体坐标系下的方向矢量为(kw，mw，nw)，在摄像头坐标系下的方向矢量为(kc，mc，nc)，令中间方向矢量(km，mm，nm)为：
[0142] (km，mm，nm)T＝R(kw，mw，nw)T (11)
[0143] 则km、mm和nm均为姿态角θ的函数。由于(km，mm，nm)平行于(kc，mc，nc)，则必有[0144] kmmc-kcmm＝kmnc-kcnm＝mmnc-mcnm＝0 (12)
[0145] 利用U形区域中的三条直线并根据式(12)构建函数
[0146]
[0147] 根据上式并利用最小二乘法可求的摄像头的姿态角θ。
[0148] 步骤S26：在摄像头坐标系下，求取U形区域非平行两条边界线的交点坐标；同时利用摄像头坐标系和床体坐标系之间的转换方程将所述交点坐标所对应的、事先通过标定已知的床体坐标系的交点坐标转换至摄像头坐标系；利用上述两种方式所得到的交点坐标之间的等价关系求取轮椅本体B在床体A的坐标系下的位置坐标。
[0149] 利用床体坐标系下的U形区域床面边界直线方程可求的两条非平行直线的交点坐标(xw，hb，zw)，利用图像感知得到的、摄像头坐标系下相应两条直线的交点坐标为(xc，yc，zc)，二者之间的关系有
[0150]
[0151] 在姿态角θ已知，即旋转矩阵R已确定的情况下根据上式可得到摄像头在床体坐标系下的位置参数xr和zr。
[0152] 步骤S3：在嵌入式上位机1中实现的U形区域自动驶入路径规划及控制率设计算法。在轮椅位置和姿态已经确定的情况下，可以方便地利用已有技术实现床体A驶入和对接过程中的轮椅控制，具体实施步骤的
流程图如图5示出，如下表示：
[0153] S31：在床体坐标系下，依据U形区域两侧平行线方程确定出U形区域的中心线方程；
[0154] S32：依据床体A的布局空间条件确定出轮椅本体B的可行避碰运行空间；
[0155] S33：在可行避碰空间内依据轮椅本体B的运动学方程和非完整约束条件规划出轮椅本体B的趋向U形中心线的有效路径；
[0156] S34：利用Backstepping实现轮椅本体B的路径跟踪过程的控制率设计。
[0157] 步骤S4：嵌入式上位机1依据设计得到按照路径规划算法设计得到的控制率，确定出轮椅的运动速度和运动方向角，并将所述运动速度和运动方向角利用CAN总线7发送至运动控制单元2，运动控制单元2利用轮椅的运动学模型将运动速度和运动方向角转化为两轮速度，并利用实现于运动控制单元内部的电机闭环控制算法完成轮椅本体B面向U形区域的驶入控制；
[0158] 步骤S5：当嵌入式上位机1依据轮椅本体B的位置信息确定轮椅本体B到达U形区域内的设定位置时，向体位变换控制单元3发送卧姿变换命令，体位变换控制单元3借助于扶手电机控制驱动器3c将两个扶手B4外向旋转至朝向靠背B5后方，然后利用轮椅靠背推杆控制驱动器3a控制轮椅靠背推杆14直线缩进，靠背B5平放的同时与之相连的连杆机构15使护腿板B2升起，从而完成轮椅本体B与床体A的自动对接过程。
[0159] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的
权利要求书的保护范围之内。
