[发明专利]一种智能轮椅床系统的床椅自动对接方法

说明书

技术领域

本发明涉及视觉伺服及运动控制领域，特别涉及智能轮椅床控制系统的床椅自动对接方法。

背景技术

随着社会老龄化问题的日益严峻，各类残疾人和长期卧床病人大量存在并持续增长，使医疗和护理工作面临前所未有的压力，助老助残问题正日益成为一个重大的社会问题。基于床椅一体化设计的智能轮椅床系统，能够为老年人和残疾人提供更强的独立生活能力，降低护理人员的工作强度，对于提高老年人和残疾人的生活质量，确保社会持续稳定发展具有重要的现实意义。

智能轮椅床系统中的一个关键性问题是智能轮椅与辅助床体的对接问题。根据采用方法的不同，可以分为机械式和自动对接式。机械式对接方法主要是依靠特定的机械导向机构，完成智能轮椅与床体的对接。小飞哥电动车公司开发的一种智能轮椅床系统，其床体采用U形开口设计，在床体下端安装对接导轨。智能轮椅后部下端安装了导向轮，在对接时用户操作轮椅缓慢倒向床体，在导向轮进入导轨之后，即可顺利完成床椅对接。这种对接方式实现起来比较简单，但是用户在倒向床体的过程中，无法看到后方的具体情况，很难顺利控制导向轮进入导轨，因此实用度不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于具有人工路标和视觉感知系统的智能轮椅床系统，提出了一种面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，该方法通过智能轮椅的自主定位和运动规划实现床椅对接，具有较高的自主性和鲁棒性。

本发明技术方案基于以下智能轮椅床系统而提出的：在辅助床体上安装人工路标，在智能轮椅后方安装视觉感知系统；由视觉感知系统识别固定在辅助床体上的人工路标，并将信息传输给嵌入式上位机。嵌入式上位机根据人工路标信息完成智能轮椅自主定位和运动规划，并控制智能轮椅电机驱动单元完成与辅助床体的自主对接。其中人工路标由红外发光二极管组成，安装于辅助床体床头正下方，固定在床体上。视觉感知系统包括一个摄像机、一块智能图像采集处理卡，所述摄像机设置有滤光片用于滤除红外光以外的有色光，安装于轮椅后部下方。摄像机用于感知轮椅后方的环境图像；智能图像采集处理卡通过视频线与摄像机连接，用以接收摄像机发送来的图像信号，并根据图像信号识别出辅助床体上的人工路标信息，发送至嵌入式上位机。

本发明面向智能轮椅床系统的床椅自动对接方法，包括以下步骤：

步骤1：在辅助床体上安装人工路标，在智能轮椅后方安装用于识别人工路标的视觉感知系统；

步骤2：通过视觉感知系统采集轮椅后部图像，并进行阈值分割和连通域分析，得到图像中人工路标的图像坐标；

步骤3:依据人工路标的图像坐标，通过智能轮椅的嵌入式上位机计算出智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角；

步骤4：智能轮椅的嵌入式上位机依据智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角，进行自动对接路径规划；

步骤5：根据自动对接路径规划，通过智能轮椅的嵌入式上位机设计出智能轮椅自动对接运动的运动学模型，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

优选的，智能轮椅相对于人工路标的位置和姿态角的计算，包括以下步骤：

步骤31：在人工路标上建立世界坐标系，通过测量获得人工路标在世界坐标系下的坐标，标定摄像机内参；

步骤32：利用点透视问题的解法计算出摄像机外参；

步骤32：标定摄像机坐标系与智能轮椅坐标系之间的单应性矩阵，依据摄像机外参计算出智能轮椅在世界坐标系下的位置和姿态角。

优选的，对接运动步骤包括：

步骤A1：通过对人工路标的识别计算智能轮椅初始位置坐标，设定辅助床体边缘中心点位置坐标后，进行路径规划，通过闭环控制算法运动至辅助床体纵向边缘中心点位置坐标处；

步骤A2：构建一个处于对接状态下的虚拟智能轮椅，建立其延辅助床体纵中轴线匀速移出的运动模型，计算出移出过程中各时刻采集点下智能轮椅的位姿信息；

步骤A3：利用上述的位姿信息计算智能轮椅当前位置和姿态角的反馈误差，控制智能轮椅平滑运动到虚拟智能轮椅移出后的位置坐标；

步骤A4：再次通过对人工路标进行识别计算智能轮椅当前位置坐标，消除之前航迹推演导航阶段的累积误差；

步骤A5：进行自动对接路径规划，采用闭环控制算法实现智能轮椅与辅助床体的对接。

优选的，人工路标设置于辅助床体床头正下方。

优选的，人工路标由红外发光二极管组成。

优选的，红外发光二极管有三个，分别设置于一个边长为10cm的等腰直角三角形的顶点。