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基本信息
- 項(xiàng)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(jī)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(jìn)行了智能化升級，設(shè)計(jì)了具有語音控制、語音人機(jī)交互、全景視覺監(jiān)測、全景視覺導(dǎo)航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶不僅可以通過語音指令控制輪椅的運(yùn)行，還可以通過全景視覺導(dǎo)航模塊來完成到指定地點(diǎn)的自動導(dǎo)航運(yùn)行，同時(shí)，全景視覺監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)了智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實(shí)現(xiàn)了特定需要場合下的隨機(jī)“散步”運(yùn)行。
- 詳細(xì)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(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。 針對智能輪椅的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jī)和DSP作為處理核心以降低成本，設(shè)計(jì)了具有語音控制、語音人機(jī)交互、全景視覺監(jiān)測、全景視覺導(dǎo)航和超聲波自主避障功能的智能輪椅控制系統(tǒng)，用戶不僅可以通過語音指令控制輪椅的運(yùn)行，還可以通過全景視覺導(dǎo)航模塊來完成到指定地點(diǎn)的自動導(dǎo)航運(yùn)行，同時(shí)，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(shí)現(xiàn)了智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，超聲波自主避障模態(tài)實(shí)現(xiàn)了特定需要場合下的隨機(jī)“散步”運(yùn)行。另外，通過將超聲波避障技術(shù)和語音人機(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、滿足不同對象需求、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、性價(jià)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(jī)交互：用戶可以通過“對話”進(jìn)行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運(yùn)動，輪椅亦可將運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境狀況通過“對話”報(bào)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(shí)現(xiàn)智能輪椅用戶的家屬和醫(yī)生對用戶的全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控； 全景視覺導(dǎo)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(dǎo)航路標(biāo)來完成指定路線的導(dǎo)航運(yùn)行； 超聲波自主避障：在特定場合可以實(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)：輪椅通過實(shí)時(shí)檢測周圍環(huán)境來避開障礙物及低洼地段。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、采用全景環(huán)形透鏡，可獲得360°的大視場，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，通過采用高效核心算法，提高了語音識別準(zhǔn)確率；3、通過融入避障安全保護(hù)和語音人機(jī)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(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，特定人語音識別準(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，無調(diào)焦即可看清遠(yuǎn)近視場內(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)并完成具有語音控制、語音人機(jī)交互、全景視覺監(jiān)測、基于路標(biāo)的全景視覺導(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)和語音人機(jī)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(jì)算機(jī)作為控制器，其體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。我國目前共有四項(xiàng)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(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) 本作品通過采用全新的全景環(huán)形透鏡來實(shí)現(xiàn)360°全景成像，并通過對全景圖像進(jìn)行二維平面展開來實(shí)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(dǎo)航路標(biāo)的提取、識別和匹配來完成智能輪椅到指定地點(diǎn)的視覺自動導(dǎo)航。并通過采用多傳感器信息融合技術(shù)來確保輪椅運(yùn)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(xué)第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽科技制作發(fā)明A類復(fù)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(shí)物、產(chǎn)品 ■現(xiàn)場演示 ■圖片 ■錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明：用戶打開控制器電源后，即可通過“對話”進(jìn)行各功能模塊的選擇和控制輪椅的運(yùn)動。 技術(shù)特點(diǎn)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(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：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、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(jì)效益預(yù)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(jià)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了自主避障和視覺導(dǎo)航功能。西班牙Malaga大學(xué)開發(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(jī)作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了輪椅的自主運(yùn)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(shè)了液晶觸摸屏。德國不萊梅大學(xué)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(jìn)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(jī)實(shí)現(xiàn)了語音識別功能。日本國家康復(fù)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(shí)現(xiàn)了避障功能，同時(shí)使用者還可以通過手勢來控制輪椅運(yùn)動方向，但結(jié)構(gòu)較復(fù)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(diǎn)，開發(fā)出了有特色的智能輪椅平臺。包括中國科學(xué)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(xué)的智能輪椅（專利號：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[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)自動化，2008(04):1-6.
