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1、广西科技计划项目可行性报告n 适用计划类别：重点研发计划、技术创新引导专项项目名称:嵌入式多模态新冠肺炎疫情防护预警智能移动助行器关键技术研发与应用示范申报单位：广西点成金科技有限公司广西国佑电子科学与技术研究院 南宁市第七人民医院项目负责人： 冯泽 联系 电话: 15107717711 起止 年限： 2020年6月-2022年5月 1一、项目申请理由1.1项目的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，
2、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2025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
3、实用的智能轮椅具有非常重要的现实意义。1.2项目的必要性、紧迫性对于残疾程度较轻、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
4、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。因此，设计一种安全系数高、通用性强、小型化、人性化、智能化、成本低的多模态智能轮椅具有很大的实用性和必要性。因此本项目嵌入式多模态智能移动助行器关键技术研究开发与应用示范具有很大的必要性和紧迫性。1.3项目的市场需求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
5、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
6、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
7、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
8、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。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
9、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
10、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！二、项目总体目标、主要内容和考核指标2.1项目总体目标本课题研究针对新冠肺炎防疫易感染人群、病残、老年等群体对疫情防控、隔离治疗、康复移动出行的需求，突破多模态新冠肺炎疫情防控智能移动助行辅具的智能感知、控制与交互技术、人机界面舒适性设计、疫情防
11、控体温监测、环境感知与口罩佩戴识别等关键技术；开发具有自主知识产权的疫情防控预警、控制驱动、座椅支撑、姿态调节、环境感知、自主导航及越障、避障、康复训练等系统模块；研制多模态智能轮椅和助行器，达到模块化组装的便利性、多模态人机交互与操控的易用性、姿态调整和智能驾驶的安全性、座椅使用的舒适性、康复护理、疫情防护与宣传的可扩展性等要求；开展智能移动助行器的疫情防控预警与检测方法、装置和标准研究，搭建防控监测平台，并进行应用验证。2.2项目主要内容2.2.1本项目主要内容如下1.智能智能语音与交互控制驱动系统：智能语音与交互控制技术采用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统核心，利用语音识别技术提
12、取语音特征参数并导入到智能控制中心构成语音模型库，将待测使用者语音信号与语音模型库中的模型进行相似度比较，通过测量轮椅到障碍物之间的距离识别成功智能轮椅做出运动决策，进行运动控制。2.疫情防控体温测量技术：智能轮椅上安装疫情防控红外测量体温设备，实时数据与智能轮椅机载电脑控制中心进行连接，控制中心结合当前所处疫情环境对轮椅使用者进行语音播报提醒户主佩戴口罩及时到相关疫情防控医院就医，监测数据实时通过5G通信技术、云端服务器传输到新冠肺炎疫情防控中心后台。3.视觉环境感知及口罩佩戴识别技术：智能轮椅视觉感知系统能够自主的感知生活环境、能自主通过人脸识别用户是否佩戴口罩，通过防控体温自主监测系统，
13、控制中心自主决策来达到新冠肺炎疫情防控预警目的。预警数据通过5G移动通信与云计算技术实现数据推送给疫情防控管理指挥部或者相关医院值班人员。4.自主避障越障技术：机载电脑控制中心发出超声波自主避障越障技术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与越障自动控制，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，由再采用适当的控制策略来实现轮椅的实时避障。2.2.2项目的具体方案设计智能轮椅由传感器、控制器、执行器和人机交互设备四大部分组成，总体结构如图2.2所示。图2.2 智能轮椅结构图传感器主要包括MIC、超声波传感器和图像传感器。MIC 将语音信号转化为电信号，
14、通过SPCE061A的AD通道进行采集；超声波传感器用来测量轮椅和障碍物之间的距离，实现轮椅自主避障和导航；图像传感器用来对路面信息进行采集，通过AD转换得到数字信号图像，并由SPCE061A单片机完成采集和处理。控制器采用凌阳公司16位单片机SPCE061A，该单片机的资源不仅能够满足本作品的设计要求，而且SPCE061A单片机非常适合语音处理应用领域。控制器实物图见图2.3。图2.3 多模态人机交互智能轮椅控制器执行器为两个24V永磁直流电机，通过差速控制轮椅转向。人机交互设备包括扬声器、LED显示屏及软件控制界面。扬声器用于播放语音提示，实现轮椅和用户之间的语音交互，LCD用于显示当前轮
15、椅自身状态信息，LED则用于指示轮椅当前各种状态。人体温度监测（疫情防控功能），通过红外体温监测语音提醒，根据新冠疫情肺炎防控预警技术要求测量体温，如体温超过37.5则进行语音播报发热预警信息数据并传输到控制中心，再通过云端服务器传输至疫情防控指挥部或者医护管理中心人员手机上。口罩人脸识别（疫情防控功能），据新冠疫情肺炎防控预警技术要求发热人群佩戴口罩，如在测量体温的同时视频传感器进行口罩佩戴识别，如不佩戴口罩则进行语音播报未佩戴口罩预警信息数据并传输到控制中心，再通过云端服务器传输至疫情防控指挥部或者医护管理中心人员手机上。语音识别及指令控制（疫情防控功能），使用者提前录入咳嗽与讲话，前进、
16、后退、停止、左转、右转等语音发声指令，如果使用者一直咳嗽不停，语音控制系统则把数据上传轮椅控制中心，控制中心分析默认有可能是新冠肺炎疫情防控预警信息并将预警信息数据实时发送至疫情防控指挥部或者医护管理中心人员手机上；控制中心对其他使用者语音指令进行训练学习添加及识别，并进行个性化语音操控智能轮椅。2.3智能轮椅子系统设计2.3.1 语音控制系统硬件设计语音控制系统的硬件主要都已集成在SPCE061A开发板上。MIC 将语音信号转化为电信号，AD 转换由SPCE061A片内AD完成。语音播放由扬声器和SPCE061A片内DA 实现。3.1.1 SPCE061A 开发板SPCE061A开发板不仅仅是SPCE061A的最小系统板，板上还集成了语音处理的硬件
