基于嵌入式系统的残疾人智能轮椅综合导航系统讲解

项目可行性报告：基于嵌入式系统的残疾人智能轮椅综合导航系统一．立项的背景和意义背景介绍：∙世界上大约有10%的人口即六亿五千万是残疾人。

他们是世界上最大的少数群体。

∙世界卫生组织称残疾人的数量随着人口的增长、医疗的进步以及老龄化在持续增长。

∙在预期寿命超过70岁的国家中，平均每人有8年、11.5%的生命是在残疾中度过的。

∙联合国开发计划署数据显示，80%的残疾人生活在发展中国家。

∙世界银行估计，世界上最贫穷的人当中20%是残疾人，他们在各自所在社区里是最为弱势的群体。

∙在英国，伦敦证券交易所金融时报指数超过100的公司，其网站75%没有达到无障碍的基本要求，因此失去了1亿4千7百万美元的利润。

全国现有8000万残疾人，60岁以上的老年人口已达到1.43亿。

老年人口，特别是高龄、病残老年人口的迅速增长，带来了老年产品和服务方面的巨大需求。

但是，我国目前养老服务和康复服务业发展明显滞后，根据对2003年至2005年老年市场需求的调查，市场需求每年在6000亿元人民币以上；而市场仅能提供1000亿元的商品。

“十五”期间，全国有1100多万残疾人得到了不同程度的康复，供应各类残疾人辅助器具539万余件。

但是，目前康复服务的基础还不高，我国城镇残疾人辅助器具配备率只有10%，也就是说全国城镇的残疾人能够得到辅助器具帮助的还不超过10%；农村地区这个比率更低。

加快开发老年人和残疾人用品及服务产业是社会的急需，蕴藏着巨大的商机。

辅助技术是指为改善功能障碍者所面临的问题而构想和利用的装置、服务、策略和训练。

辅助技术分为两类：辅助技术装置和辅助技术服务。

辅助技术装置是指任何能解决残疾人日常生活、工作、娱乐和生活自理中的问题，能给用户提供更多的选择、增加用户的参与性、使用户有更多的控制力或耐受力、获得更多的娱乐和自主能力的装置。

辅助技术装置的特点有三个：1）广泛性：它包括市场现有的、改进型的或定做的；2）强调对功能能力的补偿，这是唯一用来衡量辅助技术装置的成功与否的标准；3)个体性：每一种装置的应用都是独立的，特殊的。

而我们这个项目要完成的工作就是设计一个这样的辅助技术装置——智能轮椅，来帮助残疾人，使他们的工作、生活变的容易，甚至可以完全弥补他们在某些方面的缺陷。

我想这也是我们政府应该为残疾人所考虑的，让残疾人能更好的融入社会，所以这应该也是合谐社会的一部分。

本项目将采用16位的嵌入式系统为核心。

嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、自适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，即操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。

嵌入式系统具有以下特性：执行特定功能、以微处理器及其外围为核心、严格的时序与高稳定性、全自动操作循环，是一种软件与硬件的有机结合体，且特别强调“量身定做”的原则，即基于某一种特殊用途开发出特定的系统，因而提高嵌入式系统的应用水平是极其重要的。

目前，嵌入式系统已经应用到社会的很多方面，诸如汽车电子，楼宇自动化，军事工业等许多领域，在新兴的嵌入式系统产品中，常见的有手机，PDA，GPS，Set-TOP-Box或是嵌入式伺服器(embedded server)及精简型终端设备(thin client)等。

同样，在辅助技术装置和设备方面，随着辅助技术装置功能不断增强、设备的复杂度不断增大，同时对辅助装置的自动化、智能化程度也要求越来越高，使得嵌入式系统在残疾人辅助装置方面的应用也是越来越广泛。

本项目主要是研究辅助装置中的嵌入式系统应用，实际的研究和应用对象：智能轮椅。

二．国内外研究开发现状和发展趋势机器人轮椅关键技术是安全导航问题，采用的基本方法是靠超声波和红外测距，个别也采用了口令控制。

超声波和红外导航的主要不足在于可控测范围有限，视觉导航可以克服这方面的不足。

在机器人轮椅中，轮椅的使用者应是整个系统的中心和积极的组成部分。

对使用者来说，机器人轮椅应具有与人交互的功能。

这种交互功能可以很直观地通过人机语音对话来实现。

尽管个别现有的移动轮椅可用简单的口令来控制，但真正具有交互功能的移动机器人和轮椅尚不多见。

国内外同类研究工作状况：国外在这方面发展比较迅速，如：瑞典吕勒奥大学研究人员正在研制一种轮椅，特别适用于不能直接操纵轮椅的严重伤残者。

他们可以利用头部动作向感应器发出指令，如“继续直行”、“向左转”等，并通过电脑程序来控制轮椅运动，此外，这种轮椅今后经过改进后还可用来为盲人和弱视者导航。

因为其使用的“MICA移动互联网连接助手”导航系统能为轮椅绘制出行进线路图，而轮椅上的距离测量传感器可以帮轮椅了解前方路况，以便越过各种障碍.而在国内，现在在智能机器人轮椅的研发中也有了很大的进步，但还是面临着很多问题，如一些技术上的难题等。

尤其在实际应用中，基本是外国产品霸占市场，基本没有中国自己制造的智能轮椅。

即便有，也只停留在实验室阶段。

如第二届全国大学生机械创新设计大赛中，西北工业大学张君、张保、王开明、赵洪庆四人设计的多功能自助轮椅；哈尔滨工业大学杨会生、王金昌、陈奇、蔡一、梁辉设计的多功能电动轮椅；以及浙江大学周春喜、庹福幸、张峰、唐睿设计的半自动爬楼梯轮椅等。

但无外乎是哪种设计，都没做到真正意义上的智能轮椅。

首先，他们大都只关注于国外已有的技术，并打算以此为创新点；其次西北工大和哈尔滨工业大学的学生则把重心放到了功能的集成上；最后，也是最关键的，他们并不具备真正的全自动导航系统，没有一套合理的算法来作为智能轮椅的核心。

国家高技术研究发展计划（863计划）也发布了项目：先进制造技术领域“服务机器人“重点项目。

项目的总体目标：“十一五”期间，依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《国家高技术研究发展计划（863计划）“十一五”发展纲要》，863计划先进制造技术领域针对国内外社会发展（尤其是老年人和残疾人）对服务机器人不断增长的需求，将研发出高性价比的两类助老/助残机器人系列产品，并依托敬老院和康复中心等构建助老/助残（康复）机器人两个综合演示平台，集中演示助老/助残机器人高技术成果和产品，形成未来老年和残疾人生活的新模式和新概念，引导助老/助残机器人产品的发展，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。

参考文献：[1]陈连坤.嵌入式系统的设计与开发[M].清华大学出版社,2005.7[2]《语音识别基本原理》Rabiner Biing Hwang Juang 著[3] Feedback Control of Dynamic Systems(Fifth Edition) ，by GeneF.Franklin;J.David Powell;Abbas Emami-Naeini[4] 16位单片机及语音嵌入式系统，赵定远著[6] 《残疾人社会学》，浙江省残疾人联合会合作编写[7] Signals and Systems，by Rernd Girod;Rudolf Rabenstein;Alexander Stenger[8] Embedded Systems Design, Second Edition，by Steve Heath[9] 《履带行驶装置原理》А.С.安东诺夫著；魏宸官译[10] 16-Bit Embedded Controller Handbook 1991 (16-Bit Embedded Controller)，by Intel Corporation[11] Near-Infrared Spectroscopy: Principles, Instruments, Applications，by Heinz W. Siesler (Editor), Yukihiro Ozaki (Editor), Satoshi Kawata (Editor), H. MichaelHeise (Editor)[12] 基于红外测距传感器信息的通风管道清扫机器人控制算法研究，作者宋章军; 陈恳; 杨向东，制造业自动化，2006年05期[13] μ′nSP~(TM)系列16位单片机SPCE 061A的实验方法初探，作者陈梅，广西大学学报(哲学社会科学版), 2006年S2期[14] 基于凌阳16位单片机SPCE061 A悬挂运动控制系统，作者贡雪梅; 李新钊; 胡春雷; 钱建松, 西安航空技术高等专科学校学报，2007年第1期[15] 履带车辆的转向控制，作者姚蔚利; 陈慧岩; 农业装备与车辆工程2005年11期[16] Chain Vibration and Dynamic Stress in Three-Dimensional Multibody Tracked Vehicles, by M. Campanelli, A.A. Shabana and J.H. Choi, Multibody System Dynamics,1998/9 V olume 2, Number 3三．项目主要研究开发（产品开发）内容、关键技术以及科研创新的主要方式1）主要研究开发内容：通过红外线测量、电子语音信号处理以及硬件电子电路的设计，并利用电机、话筒采集、遥控器，实现我们设计系统的三种操控方式。

通过设置在轮椅上的遥控器（方向盘），来控制轮椅的前进后退。

在外部较大的噪音扰动，此操控方式更有助于使用者方便的通过轮椅行动。

a) 通过设置在轮椅上的话筒，进行语音对轮椅控制，可以同过简单的指令，例如“前进”、“后退”等，来操控轮椅的行动。

此操控方式能够让使用者更加方便在较为安静的条件下操控轮椅，尤其对手部也不方便的使用者更显得方便。

同时也可以语音遥控家中部分电器。

b)自动导航算法。

通过添加在系统的电子地图，在可触控的LCD液晶显示屏上点击目的地，轮椅可自动计算最短路径，自动在系统控制下到达目的地（误差控制在1米内）。

同时在自动行走过程中，可以通过红外线监测前进方向上距离5米内的障碍物，并且可以智能化的绕过障碍物，对于高小于15厘米的障碍物进行翻越，而高于15厘米的障碍物，在距离2米时执行绕过。

c)而当需要在室外行走时，可以通过由政府铺设的色带来进行导航，方便地到达目的地。

2）主要原理:(1) 语音识别系统原理语音识别的基本过程根据实际中的应用不同，语音识别系统可以分为：特定人与非特定人的识别、独立词与连续词的识别、小词汇量与大词汇量以及无限词汇量的识别。

但无论那种语音识别系统，其基本原理和处理方法都大体类似。

语音识别过程主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部分。

预处理包括预滤波、采样和量化、加窗、端点检测、预加重等过程。