嵌入式多模态人机交互智能轮椅大学生课外学术科技作品竞赛-作品申报书.doc

“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书

作品名称： 嵌入式多模态人机交互智能轮椅

学校全称：

申报者姓名
（集体名称）：

类别：
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
þ科技发明制作A类
□科技发明制作B类
报送方式：
□省级报送作品
□高校直送作品

说 明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。
2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。
3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。
4．序号、编码由第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区组委会办公室填写。
5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）。
6．各高校应按照赣青联发〔2009〕8号文件中规定的“作品数额分配方案”统一申报作品，每件作品一式五份，并按组委会规定的时间用特快专递寄至或直接送至省组委会办公室。
7．其他参赛事宜请向团省委学校部或南昌工程学院团委咨询。
8．作品寄送地址：南昌市天祥大道289号南昌工程学院团委第十一届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛组委江西赛区会办公室
联 系 人：夏志红、赵丽芬
联系电话：0791—2086213
传 真：0791—8126683
邮政编码：330099

A2申报者情况（集体项目）
说明：1．必须由申报者本人按要求填写；
2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；
3．本表中的学籍管理部门签章视为申报者情况的确认。
申报者代表情况
姓名
夏嘉廷（5901205093）
性别
男
出生年月
1985-3-27
学校
南昌大学
系别、专业、年级
机电工程学院机制054班
学历
在读本科
学制
4年
入学时间
2005-9
作品名称
嵌入式多模态人机交互智能轮椅
毕业论文题目
基于430单片机的微型机器人遥操作控制研究分析
通讯地址
江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号
南昌大学前湖校区27栋1123室
邮政编码
330031
办公电话
13879106385
常住地
通讯地址
江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号
南昌大学前湖校区27栋1123室
邮政编码
330031
住宅电话
13879106385
其他作者情况
姓 名
性别
年龄
学历
所在单位
范冰飞(5901105028)
男
22
本科
南昌大学机电工程学院
吴松林(5902105045)
男
22
本科
南昌大学机电工程学院
程鸣(5902405002)
女
21
本科
南昌大学机电工程学院

资格认定
学校学籍管理部门意见
以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。
□是□否 （部门签章）
年 月 日
院、系负责人
或导师意见
本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果
□是□否
负责人签名：
年 月 日

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：1．必须由申报者本人填写；
2．本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认；
3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、
原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；
4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。

作品全称
嵌入式多模态人机交互智能轮椅
作品分类
（ A ）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控
制、工程、交通、建筑等）
B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）
C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）
D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健
康、卫生、食品等）
E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化
工、生态、环保等）
作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标
设计目的
为了帮助残疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会。为了使智能轮椅能够适用于各类用户和使用场所，在基于嵌入式系统（SPCE061A单片机）的基础上，设计并研制了具有手动控制、语音控制、超声波自主导航和视觉自主导航四种功能的多模态人机交互智能轮椅。
设计基本思路
1）语音控制模态
对于轮椅的控制，语音控制无非是最自然、最便捷的控制方式。语音控制模态采用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统核心，先通过MIC 训练语音命令，提取出特征参数并导入到FLASH 中构成语音模型库。识别过程中，利用库函数将待测语音信号与语音模型库中的模型进行相似度比较，识别成功智能轮椅则进行相应的运动。
2）超声波自主导航模态
超声波自主导航模态采用超声波传感器作为外界信息感知传感器实现轮椅避障控制。超声波由发射端发出，遇到障碍物返回，接收器将超声波信号变成电信号，电信号经过放大、带通滤波和整形后送入SPCE061A。通过测量从发射超声波到接收超声波的间隔时间计算出轮椅到障碍物之间的距离，再采用适当的控制策略来实现轮椅的实时避障。
3）视觉自主导航模态
视觉自主导航系统由检测系统，控制决策系统和动力系统三个部分组成。整体的流程为:检测系统采集路径信息，经过控制决策系统分析和判断，由动力系统控制直流电机给出合适的转速，从而控制智能轮椅准确、稳定地行驶。
4）多模态人机交互
智能轮椅在使用过程中，通过将不同的模态融合起来，能够达到更好的实际效果。将超声波自主避障模态融合到其它三种模态当中，轮椅在执行手动控制、语音控制和视觉自主导航这三种模态指令之前能够自动判断轮椅是否能够安全的执行用户给定的指令，并通过语音播报的形式将信息反馈给用户，从而使得智能轮椅的行驶更加安全可靠。同样，将语音播放技术融合到其它三种模态中，轮椅根据自身的状态能够实时的对用户进行语音提示，从而起到更好的人机交互效果。(其中本作品的演示录像、源程序以及其它相关的材料均已刻录在所附的光盘中。)
创新点
1) 语音控制模态快速准确的实现了前进、后退、左转、右转和停止这五个控制指令的识别，并在嵌入式系统的基础上实现了语音的在线训练，新用户只需花上几分钟的时间进行语音训练便可实现对智能轮椅的语音控制。
2) 超声波自主导航模态能够完成到指定目标的路径规划，实现了智能轮椅的安全避障。
3) 视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状的标识线的跟踪。
4) 将超声波避障和语音播报技术融合到四种模态当中，轮椅能够自动判断是否能够安全地执行用户给定的命令，并通过语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全可靠。
5) 基于嵌入式系统的智能轮椅控制器较好的解决了基于通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题，这就向智能轮椅的产业化方向迈进了一大步。
技术关键
1) 基于嵌入式系统的多模态人机交互智能轮椅最大的局限性在于系统资源的有限，语音控制模态中五条简单实用的语音控制指令，超声波自主导航模态中适用的控制策略以及视觉自主导航模态中高效的标记线边缘检测算法对智能轮椅的实时控制都起到了极其关键的作用。
2) 语音识别、超声波避障和视觉导航技术的相互融合，使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠。
主要技术指标
1) 载荷负重：110kg；
2) 续航能力：一次充电续航20km；
3) 最大安全速度：6km/h；
4) 越障高度：40mm；
5) 爬坡能力：15°；
6) 智能导航方式：全方向控制手柄，语音控制，超声波自主避障，视觉自主导航；
7) 人机交互方式：操纵杆、键盘和语音三种人机交互方式。
作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）
目前在欧美、日本等发达国家中一些公司已经研制开发出智能程度高、自主能力强的轮椅机器人产品。例如，美国AetiveMedia公司的Robotscehariot和AppliedAlSystems公司的TAO一7，日本AISIN精机和富士通公司共同研制开发的TAOAicle等。但这些智能轮椅产品基本上采用类似于移动机器人的控制系统，采用通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)作为上位机，驱动控制系统、传感器系统作为下位机，产品体积大、结构复杂、整体成本很高。
中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。在轮椅的设计中综合运用有关图像处理、计算机视觉和语音识别等成果，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单的人机对话功能。
上海交通大学开发成功一种声控轮椅，主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在1.2 秒内响应指令。
本文设计并研制了具有手动控制、语音控制、超声波自主导航和视觉自主导航四种功能的多模态人机交互智能轮椅。用户不仅可以选择常规的手动控制模态，通过操作杆控制轮椅运动，还可以在语音控制模态下口头输入命令控制轮椅运动。超声波自主导航模态能够完成到指定目标的路径规划和移动。视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状标识线的视觉跟踪。同时，将超声波避障和语音播报技术融合到四种模态当中，轮椅能够自动判断是否能够安全地执行用户给定的命令，并通过语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠。并且该智能轮椅控制器与其它电动轮椅控制器相比，成本增加不多。因此，我们完全可以相信，在不远的将来，不同类型的智能轮椅将进入普通家庭，智能轮椅将不再是少数人才能用得起的奢侈品。
参考文献
[1] 原魁. 智能轮椅技术发展现状.机器人技术与应用，第一届北京国际康复医学论坛论文集2006年.
[2] 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势.机器人技术与应用，2001,3:5-16.
[3] 邓旭玥, 王 伟, 易建强. 移动机器人导航研究现状及其发展趋势展望.机电工程，2004.
[4] 李庆中，顾伟康，叶秀清.基于遗传算法的移动机器人动态避障路径规划方法.模式识别与人土智能,2002,15(2):161-166.
[5] 刘风然，田红芳，王侃.基于单片机的移动机器人自动避障控制系统.中国仪器仪表，2001,3:27-29.
[6] O. HORN and A. COURCELLE，Interpretation of Ultrasonic Readings for Autonomous Robot Localization，Journal of Intelligent and Robotic Systems 39: 265–285, 2004.
[7] 贾莉娜. 高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用.计量与测试技术，2004:23-26.
[8] 曹玉华，超声测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用，中国海洋大学硕士学位论文，2007，06.
[9] 王炎、周大威，移动式服务机器人的发展现状及我们的研究，哈尔滨工业大学 电气传动，2000，第四期.
[10] 郑利君，动机器人路径规划和避障算法的研究，浙江理工大学学位论文，07，03-26.
[11] 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势.机器人技术与应用，2001,3:5-16
[12] 邓旭玥, 王 伟, 易建强. 移动机器人导航研究现状及其发展趋势展望.机电工程，2004.
[13] 李庆中，顾伟康，叶秀清.基于遗传算法的移动机器人动态避障路径规划方法.模式识别与人土智能,2002,15(2):161-166
[14] 刘风然，田红芳，王侃.基于单片机的移动机器人自动避障控制系统.中国仪器仪表，2001,3:27-29
[15] 贾莉娜. 高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用.计量与测试技术，2004:23-26.
[16] 杨晶东, 黄庆成, 洪炳镕.双足足球机器人实时避障导航系统研究[J].机器人, 2005, 27(6): 530～534.
[17] 高庆吉, 洪炳熔, 阮玉峰.基于异构双目视觉的全自主足球机器人导航[J].哈尔滨工业大学学报, 2003, 35(9): 1029～1032.
[19] 谭定忠, 王启明, 李金山等.一种光电式机器人路标的研究[J].机床与液压, 2004: 927～928.
作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

作品所处
阶 段
（ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段
D （自填）
技术转让方式

作品可展示的
形 式
þ实物、产品 □模型 □图纸 □磁盘 þ现场演示 □图片 □录像 □样品
使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测
使用说明
对于残疾程度较轻、肢体能动性较高且意识较好的人群，用户可以选择常规的手动控制模态，通过操作杆和按键来控制轮椅的运动。而对于残疾程度较高、肢体能动性较低的人群，用户可以选择通过语音来控制轮椅的运动。新用户只需花上几分钟的时间进行语音训练便可实现对智能轮椅的语音控制。
在日常的生活环境下，用户也可以选择超声波自主导航和图像自主导航模态来完成到目标点的路径规划和移动（如在卧室，客厅，厨房、阳台等地之间的移动）。同时，通过将超声波避障和语音播报技术融合到四种模态当中，轮椅能够自动判断是否能够安全地执行用户给定的命令，并以语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠。
技术特点和优势
1) 简便易用是智能轮椅高效运行的基础，语音控制模态将控制指令简化为五个，并在嵌入式系统的基础上实现了语音的在线训练。新用户只需花上几分钟的时间进行语音训练便可实现对智能轮椅的语音控制。
2) 超声波自主导航模态能够完成到指定目标的路径规划，实现了轮椅的安全避障。视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状的标识线的跟踪。
3) 将超声波避障和语音播报技术融合到四种模态当中，轮椅能够自动判断是否能够安全地执行用户给定的命令，并通过语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全可靠。
4) 基于嵌入式系统的智能轮椅控制器较好的解决了基于通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题，这就向智能轮椅的产业化方向迈进了一大步。
适应范围
在手动控制模态和语音控制模态下，智能轮椅适用于在室内和室外的平整场地下使用；超声波自主避障模态适用于在室内使用；视觉自主导航模态在标记线完好的情况下可以在室内和室外的平整场地下使用。
推广前景的技术性说明
随着嵌入式技术的飞速发展，以嵌入式系统为控制系统的智能产品在我们的日常生活中得到了广泛的应用。由于基于嵌入式系统的智能轮椅控制器较好的解决了基于通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题。因此，我们完全可以相信，在不远的将来，基于嵌入式系统的智能轮椅将可以进入普通家庭，智能轮椅将不再是少数人才能用得起的奢侈品。
市场分析和经济效益预测
根据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。与此同时还有肢体残疾人的人口近6000万。在他们当中，有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活。但对于许多老年人来说，使用普通轮椅不是十分方便，生活质量受到明显的影响。在欧美经济发达国家，老年人、残疾人专用的手动轮椅和普通电动轮椅已出现被逐步淘汰的趋势，取而代之的是性能优越、操作简便、行驶更安全可靠的智能型电动轮椅。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。
发达国家老龄产业已成功地走向市场，老年人的公共支出是年轻人的三倍，己成为占第三产业比重很大的产业。相比而言，我国的老年人产业尚处于启动阶段，发展的空间和潜力很大；再加上今年来我国的经济快速增长，使老年人和残疾人的购买力明显增强，老年市场的巨大购买力将会充分显示出来。
在目前中国智能轮椅市场中，中科院自动化所和香港力劲集团合作研发的智能轮椅，亦采用了多模态的融合技术，由于目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能够使用而难以进入普通家庭。随着嵌入式技术的飞速发展，基于嵌入式系统的智能轮椅控制器将能很好的解决了基于通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题。
而本作品采用的即嵌入式控制系统，除了轮椅本身的机构和动力系统，控制系统的成本、功耗等都是相对很低的，一台智能轮椅的价格，不会比普通电动轮椅高出多少。我们的智能轮椅是运用了用佛山市东方医疗设备厂有限公司的FS110A 型电动轮椅，市场售价在7000到10000元不等，即使将嵌入式芯片、传感器、控制器等硬件的价格计算在内，一台智能轮椅的成本价格亦可控制在10000元左右。这对于使用PC机等作为上位机的智能轮椅而言，价格是十分合理的，易于被普通家庭所接受。
而功能上大致相同的智能轮椅，在国外各科研机构的市场推广下，售价均在几万到几十万不等。同样，若是采用与电动轮椅生产厂商合作的方案，亦能使我国本土的电动轮椅在市场上更有竞争力。

专利申报情况

□提出专利申报
申报号

申报日期 年 月 日

□已获专利权批准
批准号
批准日期 年 月 日

þ未提出专利申请

科研管理部门
签 章

年 月 日

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；
2.填写此栏有助于评审。

国外电动轮椅市场现状
随着人们生活水平的提高，在欧美和日本等发达国家，电动轮椅己经逐渐代替普通轮椅，并己经进入稳定发展期。台湾工研院经资中心2003年的调查资料显示，2001年，日本电动轮椅市场已达到45万台，约占其人口总数的0.3%;而欧美国家的情况也与日本基本相同。初步估计，目前全球范围内的电动轮椅市场约为100万台左右。因为电动轮椅的售价较高(一般在4，000一6，000美元之间)，因此，欧美政府通常将对用户给予较大额度的补贴。近年来，为了降低成本，欧美厂商大多委托日本、韩国以及台湾进行代工生产。台湾的电动轮椅和电动代步车OEM产品发展很快，目前己经占有欧美市场的30%左右。
目前在欧美、日本等发达国家中一些公司已经研制开发出智能程度更高、自主能力更强的轮椅机器人产品。例如，美国AetiveMedia公司的Robotscehariot和AppliedAlSystems公司的TAO一7，日本AISIN精机和富士通公司共同研制开发的TAOAicle等。但这些智能轮椅产品基本上采用类似于移动机器人的控制系统，采用通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)作为上位机，驱动控制系统、传感器系统作为下位机，产品体积大、结构复杂、整体成本很高。此外，由于采用智能轮椅采用通用计算机作为上位机，系统自身功耗较高，为了保证系统能够有足够长的工作时间而不得不配置大容量电池，进一步增加了轮椅自身的重量和成本，也使得其产品难以被普通用户接受。因此，此类产品目前价格很高，尚未真正进入市场。
国内电动轮椅市场现状
目前国内的电动轮椅市场还处于早期开发阶段，产品的价格较高。目前国内市场上的电动轮椅的价格大体可分为三个档次:
1) 高档电动轮椅
高档电动轮椅的价位在19，000元以上。高档电动轮椅以美国Pride、台湾必翔、德国奥托博克等厂家的产品为代表，产品为整机进口或主要零部件进口组装，组装地点基本选择在上海地区。
2) 中档电动轮椅
中档电动轮椅的价位在12，000元左右，中档电动轮椅以台湾德林机电的产品为代表，其他厂家也有此价格范围内的产品。
3) 低档电动轮椅
低档电动轮椅的价位在8，000元左右，主要是国内企业的产品，根据其产品的结构而在价格上有一定的差异。国产电动轮椅产品除了控制器采用进口产品外，其它零部件基本上都采用了国内配套产品。由于进口轮椅控制器的价格很高，几乎占电动轮椅总成本的近一半左右，因此国产电动轮椅的价格也居高不下，难以为一般消费者接受，也限制了我国电动轮椅市场的发展。

D.推荐者情况及对作品的说明
说明：1．由推荐者本人填写；
2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品
相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组
集体推荐亦可）；
3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；
4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。

推荐者情况
姓 名
黄菊花
性别
女
年龄
46
职称
教授
工作单位
南昌大学
通讯地址
南昌大学前湖校区
邮政编码
330031
单位电话
3969623
住宅电话

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
申请者所设计并研制的“嵌入式多模态人机交互智能轮椅”经过实际运行，达到了预期的设计目标，所提交的材料内容真实、可靠。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
该作品不仅适用于各类用户和使用场所，而且与其他智能轮椅相比，成本降低很多，与普通电动轮椅相比，成本增加不多，因此具有良好的应用前景和推广价值。
其它说明

D.推荐者情况及对作品的说明
说明：1．由推荐者本人填写；
2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品
相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组
集体推荐亦可）；
3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；
4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。

推荐者情况
姓 名
刘莹
性别
女
年龄
52
职称
教授、博导
工作单位
南昌大学机电工程学院
通讯地址
南昌市红谷滩新区
学府大道999号
邮政编码
330031
单位电话
3969636
住宅电话

推荐者所在
单位签章

（签章） 年 月 日
请对申报者申报情况的真实性作出阐述
所提交的材料真实、可靠。
请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价
基于嵌入式系统的智能轮椅较好的解决了基于通用计算机系统存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题，有良好的应用前景和推广价值。
其它说明

各高校评审
委员会初评意见

评委签名： 年 月 日

学校组织协调机构确认并盖章

（团委代章） 年 月 日

学校主管领导意见、学校行政确认盖章

主管领导签章： 学校行政签章

年 月 日

E．全省组织委员会办公室资格和形式审查意见

组委会办公室资格审查意见

审查人（签名）
年 月 日

组委会办公室形式审查意见

审查人（签名）
年 月 日

组委会办公室审查结果

□合格 □不合格

负责人（签名）
年 月 日

F．参赛作品打印处
嵌入式多模态人机交互智能轮椅
设计者：夏嘉廷 范冰飞 吴松林 程鸣
指导老师：刘继忠 吴斌 徐建宁
(南昌大学机电工程学院 南昌 330031)
摘要
随着世界老年人和残疾人人口的日益增加，智能轮椅作为比普通电动轮椅运行更安全、更稳定、使用更方便、性能更优越的代步工具，可以帮助残疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会，体现出社会和谐。
为了使智能轮椅能够适用于各类用户和使用场所，本文根据实际情况，在基于嵌入式系统（SPCE061A单片机）的基础上，设计并研制了具有手动控制、语音控制、超声波自主导航和视觉自主导航四种功能的多模态人机交互智能轮椅。用户不仅可以选择常规的手动控制模态，通过操作杆控制轮椅运动，还可以在语音控制模态下口头输入命令控制轮椅运动。超声波自主导航模态能够完成到指定目标的路径规划和移动。视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状的标识线的跟踪。同时，将超声波避障和语音播报技术融合到四种模态当中，轮椅能够自动判断是否能够安全地执行用户给定的命令，并通过语音播报的形式将信息反馈给用户。使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠。
关键词：智能轮椅 人机交互 语音识别 超声波避障 视觉导航 SPCE061A

目 录
第一章 绪论 1
1.1 作品研究的现实意义 1
1.2 国内外智能轮椅研究现状与发展趋势 1
1.3 智能轮椅的市场分析和经济效益预测 3
第二章 多模态融合与人机交互设计 4
2.1 智能轮椅实物图 4
2.2 智能轮椅的特点 4
2.3 智能轮椅的结构 5
2.4 模态选择与切换设计 6
2.5 人机交互设计 8
第三章 语音控制模态设计 9
3.1 语音控制系统硬件设计 9
3.1.1 SPCE061A 开发板 9
3.2 语音控制系统软件设计 10
3.2.1 语音录放 11
3.2.2 语音训练 11
3.2.3 语音识别 13
第四章 超声波自主避障模态设计 15
4.1 超声波测距系统的分析与硬件设计 15
4.1.1避障测距系统的总体设计方案 15
4.1.2测距系统的发射电路的设计 15
4.1.3超声波接收电路 16
4.1.4多通道超声波测距系统的设计 17
4.1.5电路板的制作 17
4.2 避障算法的设计 19
4.2.1避障策略 19
4.2.2避障流程图及说明 21
第五章 视觉导航模态设计 24
5.1 引言 24
5.2 设计思想 24
5.3 视觉导航系统的机械模块 24
5.3.1 智能轮椅的机构模型 24
5.3.2 视觉传感器的安装 24
5.3.3 视觉导航环境 25
5.4 视觉导航系统的硬件设计 26
5.4.1 视觉传感器的选择 26
5.4.2 图像采集的工作原理 26
5.4.3 图像采集方法的选择 28
5.4.4 OV6620数字摄像头 29
5.4.5 控制对象 30
5.5 视觉导航系统的软件设计 31
5.5.1 系统总体设计 31
5.5.2黑线提取算法 32
参考文献 33
附录1 智能轮椅硬件电路图 34
附录2 SPCE061AI/O资源分配表 35
附录3 实验数据 36

第一章 绪论
1.1 作品研究的现实意义
根据联合国预测 ，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，老龄化速度快于世界老龄化速度。与其他国家相比，中国社会人口老龄化程度高，已逐步进入老龄化社会。许多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近20%。与此同时还有肢体残疾人的人口近6000万。在他们当中，有相当多的人因行走不便不得不依靠轮椅才能够正常生活。但对于许多老年人来说，使用普通轮椅不是十分方便，生活质量受到明显的影响。在欧美经济发达国家，老年人、残疾人专用的手动轮椅和普通电动轮椅已出现被逐步淘汰的趋势，取而代之的是性能优越、操作简便、行驶更安全可靠的智能型电动轮椅。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，预计在不久的将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛的需求。因此，为解决人口老龄化等带来的重大社会服务问题，为2015 年实现我国“人人享有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展提供技术支撑，研究并开发实用的智能轮椅具有非常重要的现实意义。
1.2 国内外智能轮椅研究现状与发展趋势
智能轮椅将智能机器人技术应用于电动轮椅，也称智能轮椅式移动机器人。智能轮椅融合了多个方向的研究，包括机器视觉、智能控制、机器人导航和定位、多传感器融合及人机交互等，涉及控制、计算机、电子、电气、机械等多学科领域。
初期的研究，赋予轮椅的功能一般都是低级控制，如简单的运动、速度控制及避障等。随着机器人控制技术的发展，移动机器人技术大量用于轮椅，智能轮椅有了更好的交互性、适应性、自主性。自1986 年英国开始研制第一辆智能轮椅以来，许多国家投入较多资金研究智能轮椅。如美国麻省理工大学WHEELESLEY项目、法国VAHM 项目、德国乌尔姆大学MAID 项目、西班牙SIAMO 项目、加拿大AAI 公司TAO 项目、欧盟TIDE 项目、KISS 学院TINMAN 项目、台湾中正大学电机系LUOSON 项目等。
我国智能轮椅研究起步较晚，在机构的复杂性和灵活性上和国外相比有一定差距， 但也根据自身特色研制出技术指标接近国外先进水平的智能轮椅。研究单位有中科院自动化所、上海交通大学和第三军医大学等。
中国科学院自动化研究所研制了一种具有视觉和口令导航功能并能与人进行语音交互的机器人轮椅。此项研究成果于2000 年11 月通过“863”智能机器人主题专家组的鉴定，并研制出我国第一台多模态交互式智能轮椅样机。此项研究高度重视了智能轮椅人机控制界面的设计，在轮椅的设计中综合运用模式识别实验室有关图像处理、计算机视觉和语音识别等最新成果，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单的人机对话功能。
上海交通大学开发成功一种声控轮椅，主要是为四肢全部丧失功能的残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在1.2 秒内按指令执行。
应用移动机器人技术于智能轮椅取得了一定的成效，基本上满足了行动不便人士要求，但也要看到智能轮椅目前主要还停留在实验室，并没有真正产业化，所以仍有很大研究空间。未来的研究将会向以下几个方向发展：
1）智能化
智能轮椅要走向实际应用，必须综合应用智能算法，优化算法，增强自助导航能力，如实现语音控制、视觉感知。此外，还应结合计算机通信、网络等技术以适应远程控制的需要。
2）人性化
系统设计者应充分考虑行动不便人士的需求，从细微处出发，设计安全、舒适、合理的智能轮椅。另外可根据实际需要装配人体监测系统，智能轮椅使用者可以实时对自身身体状况进行监控。
3）模块化
智能轮椅要真正被广大用户接受、实现批量生产，必须降低价格。解决方法是采用开放式模块化系统结构，整个系统应由基本模块和各个功能模块构成，每个功能模块负责一种功能，用户可以根据需求选择，配置最合适自身的轮椅。同时模块化也能降低成本，提高性价比。
随着人工智能、电子技术、控制理论、计算机技术和传感器技术的发展，智能轮椅的功能将更为完善、丰富，也将真正进入老年人和残疾人的生活。
1.3 智能轮椅的市场分析和经济效益预测
发达国家老龄产业已成功地走向市场，老年人的公共支出是年轻人的三倍，己成为占第三产业比重很大的产业。相比而言，我国的老年人产业尚处于启动阶段，发展的空间和潜力很大；再加上今年来我国的经济快速增长，使老年人和残疾人的购买力明显增强，老年市场的巨大购买力将会充分显示出来。
在目前中国智能轮椅市场中，中科院自动化所和香港力劲集团合作研发的智能轮椅，亦采用了多模态的融合技术，由于目前的智能轮椅基本上采用与移动机器人相同的技术方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能够使用而难以进入普通家庭。随着嵌入式技术的飞速发展，基于嵌入式系统的智能轮椅控制器将能很好的解决了基于通用计算机(笔记本电脑或嵌入式工控机)控制器所存在的成本高、功耗大以及续航能力差等问题。
而本作品采用的即嵌入式控制系统，除了轮椅本身的机构和动力系统，控制系统的成本、功耗等都是相对很低的，一台智能轮椅的价格，不会比普通电动轮椅高出多少。我们的智能轮椅是运用了用佛山市东方医疗设备厂有限公司的FS110A 型电动轮椅，市场售价在7000到10000元不等，即使将嵌入式芯片、传感器、控制器等硬件的价格计算在内，一台智能轮椅的成本价格亦可控制在10000元左右。这对于使用PC机等作为上位机的智能轮椅而言，价格是十分合理的，易于被普通家庭所接受。
而功能上大致相同的智能轮椅，在国外各科研机构的市场推广下，售价均在几万到几十万不等。同样，若是采用与电动轮椅生产厂商合作的方案，亦能使我国本土的电动轮椅在市场上更有竞争力！
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第二章 多模态融合与人机交互设计
2.1 智能轮椅实物图

图2.1 智能轮椅的实物图
2.2 智能轮椅的特点
1）语音控制模态
对于轮椅的控制，语音控制无非是最自然、最便捷的控制方式。语音控制模态采用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统核心，先通过MIC 训练语音命令，提取出特征参数并导入到FLASH 中构成语音模型库。识别过程中，利用库函数将待测语音信号与语音模型库中的模型进行相似度比较，识别成功则进行智能轮椅相关运动控制。
2）超声波自主导航模态
超声波自主导航模态采用超声波传感器实现轮椅避障控