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1、多功能智能轮椅设计功能模块的开发设计学 院： 工业自动化学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 谢岸榆 学号： 160404102520 指导老师： 文豪 职称： 讲师 中国珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计多功能智能轮椅设计功能模块的开发设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日多功能智能轮椅设计功能模块的开发设计摘 要全球正在步入一个老龄化的阶段，无论是发达或者是发展中国家，几乎每个国家都在面临着老龄化的问题。对于很多年迈的老人或者残疾人来说，普通
2、的轮椅无法自己操控，通常还是需要在他人的协助下才可以有效移动。因此针对轮椅操作方便和运行安全可靠的要求，电动轮椅是比较理想的选择。然而目前一般的电动轮椅并不具有导航定位和主动避障等功能，电动轮椅的相关功能仍有待持续研究及智能升级。本次选题面向多功能的智能轮椅，对其中的功能模块进行了开发设计，实现了处理器环境的搭建配置、导航系统与语音识别系统的开发设计。其中，使用树莓派搭建了ROS机器人环境，通过激光雷达进行数据收集，采用使用自动与手动控制结合的控制模式，人机交互的操作，实现了智能轮椅自动定位导航和实时避障的功能。此外，智能轮椅可按照使用者的控制/语音指令进行目标点的路线规划，并在自驱动时不断检
3、测周围环境的数据信息，避开障碍物，实时修正移动路线，确保智能轮椅能够安全准确到达目标地点。关键词：智能轮椅；树莓派；激光雷达；自动导航；语音识别Multi-functional intelligent wheelchair design -the development and design of functional modulesAbstractThe world is entering a stage of aging, whether developed or developing countries, almost every country is facing the proble
4、m of aging. For many elderly people and people with disabilities, a normal wheelchair cannot operate on its own and often requires the help of others to move effectively. Thus, the requirements for ease of use and reliability of wheelchairs are a relatively ideal solution. However, at present, the g
5、eneral electric wheelchair does not have the functions of navigation, positioning and active obstacle avoidance. This topic focuses on the multifunctional intelligent wheelchair, setting and designing function modules, as well as the structure and configuration of the processor, and the construction
6、 and configuration of the processor environment. The development and design of the navigation system and the speech recognition system are realized. Among them, raspberry PI is used to build ROS robot environment, data collection is carried out through lidar, control mode combining automatic and man
7、ual control is adopted, and man-machine interactive operation is adopted to realize the functions of automatic positioning and navigation of intelligent wheelchair and real-time obstacle avoidance. In addition, the intelligent wheelchair can plan the route of the target point according to the users
8、control/voice command, continuously detect the data information of the surrounding environment, avoid obstacles, and modify the movement route in real time during the self-drive to ensure that the intelligent wheelchair can reach the target site safely and accurately.Keywords: intelligent wheelchair
9、; Raspberry pie; Lidar; self-navigation; Speech recognition 目 录1绪论11.1智能轮椅研究意义11.2发展历程和研究现状11.3本文的研究思路32导航系统的整体方案42.1导航系统的工作原理42.2导航系统硬件设备42.3软件平台选择62.4SLAM技术83室内地图的构建123.1树莓派环境搭建123.2ROS环境配置及功能包的安装133.3建立地图144路径规划与控制214.1全局路径规划234.2本地实时规划254.3机器人配置264.4代价地图Costmap285语音识别系统设计335.1工作原理335.2语音识别配置335.
10、3语音控制346仿真与展示366.1机器人仿真模型366.2Gmapping_slam366.3语音识别与控制387结论与展望40参考文献41致谢42附录43附录1 地图仿真启动文件43附录2 urdf模型的XML文件44附录3 hector_slam启动launch文件46附录4语音启动launch文件、语言识别文件471 绪论1.1 智能轮椅研究意义全球正在步入一个老龄化的阶段，几乎每个国家，无论发达或者是发展中国家都在面临着老龄化的问题，正如社会学家所推测，人口老龄化将很有可能成为21世纪的社会趋势之一，到了2050年，全球约每6个人中就会有一个人的年龄在65岁以上，相比2019年占比由
11、9%上升到16%，老年人口提高了近2.3倍，并且由于各种事故、疾病等因素照成行动不便的残障人士的数量也以较快的速度再逐年上升。对于这一群体的医疗和护理、日常生活问题，将是各界必须面对也是亟待解决的问题。然而，针对目前这一数量日益增长的群体，为他们日常生活提供日常生活护理的人却越来越少，即使在政府的干预下，为老年人和残障人士的提供便利的设施不断增加，社会服务不断完善，但对于老人和残障人士而言，行动不便仍是困扰他们的一大原因。无法自由行动使他们难以融入社会，同时，残障人士由于自身身体缺陷的障碍，影响他们的日常的家庭、社会活动，容易在心理上对他们造成自卑、孤独感。对于这类群体，轮椅的出现为他们提供了
12、极大的便利。但是对于很多年迈的老人或者残疾人来说，普通的轮椅无法自己操控，通常还是需要在他人的协助下才可以活动。因此对于轮椅的选择，要以操作方便，运行安全可靠为准则，电动轮椅是比较理想的选择，但是普遍的电动轮椅不具有导航定位，主动避障的功能，对于部分行动不便的人来说，依旧无法使他们的生活得到改善，而随着智能化时代的到来，人们提出将轮椅也进行智能化。智能轮椅的产生，是为了服务与行动不便的老年人和残障人士这一类群体，智能轮椅利用多种传感器进行信息收集，使用自动与手动控制结合，多模式识别、人机交互的操作，具备自动定位导航功能并且能够主动避障、安全行驶。智能轮椅可以根据使用者的指令进行从当前位置到目的
13、地的路线规划，并在自驱动时不断检测周围环境的信息，避开路障，修正路线确保能过安全准确地到达目标地点。随着老龄化的加剧以及残障人口的比例的逐年增加，智能轮椅的研究对于这一群体而言具有重要的意义。1.2 发展历程和研究现状从上世纪70年代开始，经过40多年的探索，智能轮椅功能越来越完善。1986年，英国首先开始研制出了第一辆智能轮椅，掀开了这场轮椅的智能化浪潮，许多国家开始投入资金涉略这一领域。而目前许多国家都在这一方面取得了突破，研制出来各具特色的智能轮椅。国内外均有取得这一领域重大突破的项目，国外比较典型的有包括但不仅限于以下的项目。这些项目研发的智能轮椅各有各的特色部分。像1989年法国的项
14、目VAHM，它主打的是减少使用者的人为控制，高自主性轮椅。该智能轮椅可以支持3种控制模式：手动控制、半自动控制和全自动控制。可以满足在多种环境下使用者的不同需求。手动控制模式下，使用者可通过人机界面发送控制指令，简单来说就是执行指令。半自动控制下，智能轮椅有一定自主控制能力，比如当轮椅监测到有障碍物但是使用者为给出指令是，它会采取行动，具备避障能力。全自动控制则是完全通过计算机进行控制，与使用者的交互只有接收目的地的指令，其他如路径的选择完全交由计算机选择。相较于法国VAHM项目，西班牙STAMO智能轮椅的控制模式相同，但是有多种不同的操作方式，比如通过人眼运动来发送指令，通过呼吸的方式，基于
15、EOG，基于操纵杆模式、基于语音识别模式。STAMO智能轮融合了多传感器包括激光和CDC摄像头等，多种模式的操作可以满足不同的人群的需求。美国麻省理工的Wheelesl 半自主轮椅机器人可以在不需要全局地图的情况下实现室内导航功能，它在接收到使用者的指令后，可以实时监测环境，并根据环境的变化进行障碍规避。Wheelesl轮椅机器人一共使用了12个红外传感器、4个超声传感器和2 个编码器来实现机器人轮椅的环境检测。MAid智能轮椅则是以高精度的避障功能而闻名。这款轮椅由德国研发。在1998年MAid 智能轮椅因为在人流密集、环境复杂的车站和博览会展厅进行36个小时的障碍物躲避测试，并且成功实现无碰撞驾驶而闻名。它能迅速发现行驶方向上的物体，并自动匹配合适的行驶的路线，绕开障碍
