挑戰(zhàn)杯國(guó)賽一等獎(jiǎng)?wù)撐模呵度胧蕉嗄B(tài)人機(jī)交互智能輪椅

1、序號(hào)： 編碼： 第十一屆第十一屆“挑戰(zhàn)杯挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽作品申報(bào)書(shū)作品申報(bào)書(shū)作品名稱(chēng)：作品名稱(chēng)： 嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅 學(xué)校全稱(chēng)：學(xué)校全稱(chēng)： 南昌大學(xué) 申報(bào)者姓名申報(bào)者姓名 （集體名稱(chēng)）：（集體名稱(chēng)）： 夏嘉廷 范冰飛 吳松林 程鳴 類(lèi)別：類(lèi)別：自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類(lèi)社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作 A 類(lèi) 科技發(fā)明制作 B 類(lèi) 報(bào)送方式：省級(jí)報(bào)送作品高校直送作品說(shuō) 明1申報(bào)者應(yīng)在認(rèn)真閱讀此說(shuō)明各項(xiàng)內(nèi)容后按要求詳細(xì)填寫(xiě)。2申報(bào)者在填寫(xiě)申報(bào)作品情況時(shí)只需根據(jù)個(gè)人項(xiàng)目或集體項(xiàng)目填寫(xiě) A1 或 A2 表，根據(jù)作品類(lèi)別（自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)

2、論文、哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類(lèi)社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文、科技發(fā)明制作）分別填寫(xiě) B1、B2 或 B3 表。所有申報(bào)者可根據(jù)情況填寫(xiě) C 表。3表內(nèi)項(xiàng)目填寫(xiě)時(shí)一律用鋼筆或打印，字跡要端正、清楚，此申報(bào)書(shū)可復(fù)制。4序號(hào)、編碼由第十一屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽江西賽區(qū)組委會(huì)辦公室填寫(xiě)。5學(xué)術(shù)論文、社會(huì)調(diào)查報(bào)告及所附的有關(guān)材料必須是中文（若是外文，請(qǐng)附中文本） ，請(qǐng)以 4 號(hào)楷體打印在 A4紙上，附于申報(bào)書(shū)后，字?jǐn)?shù)在 8000 字左右（文章版面尺寸 14.522cm） 。6各高校應(yīng)按照贛青聯(lián)發(fā)20098 號(hào)文件中規(guī)定的“作品數(shù)額分配方案”統(tǒng)一申報(bào)作品，每件作品一式五份，并按組委會(huì)規(guī)定的時(shí)間用特快專(zhuān)

3、遞寄至或直接送至省組委會(huì)辦公室。7其他參賽事宜請(qǐng)向團(tuán)省委學(xué)校部或南昌工程學(xué)院團(tuán)委咨詢(xún)。8作品寄送地址：南昌市天祥大道 289 號(hào)南昌工程學(xué)院團(tuán)委第十一屆“挑戰(zhàn)杯”中國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽組委江西賽區(qū)會(huì)辦公室聯(lián) 系 人：夏志紅、趙麗芬聯(lián)系電話(huà)：07912086213傳 真：07918126683郵政編碼：330099A2 申報(bào)者情況（集體項(xiàng)目）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人按要求填寫(xiě)；2申報(bào)者代表必須是作者中學(xué)歷最高者，其余作者按學(xué)歷高低排列；3本表中的學(xué)籍管理部門(mén)簽章視為申報(bào)者情況的確認(rèn)。姓名夏嘉廷（5901205093）性別男出生年月1985-3-27學(xué)校南昌大學(xué)系別、專(zhuān)業(yè)、年級(jí)機(jī)電工程學(xué)院

4、機(jī)制 054 班學(xué)歷在讀本科學(xué)制4 年入學(xué)時(shí)間2005-9作品名稱(chēng)嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅畢業(yè)論文題目基于 430 單片機(jī)的微型機(jī)器人遙操作控制研究分析郵政編碼330031通訊地址江西省南昌市紅谷灘新區(qū)學(xué)府大道 999 號(hào)南昌大學(xué)前湖校區(qū) 27 棟 1123 室辦公電政編碼330031申報(bào)者代表情況常住地通訊地址江西省南昌市紅谷灘新區(qū)學(xué)府大道 999 號(hào)南昌大學(xué)前湖校區(qū) 27 棟 1123 室住宅電 名性別年齡學(xué)歷所在單位范冰飛(5901105028)男22本科南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院吳松林(5902105045)男22本科南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)

5、院程鳴(5902405002)女21本科南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院其他作者情況學(xué)校學(xué)籍管理部門(mén)意見(jiàn)以上作者是否為 2009 年 7 月 1 日前正式注冊(cè)在校的全日制非成人教育、非在職的高等學(xué)校中國(guó)籍專(zhuān)科生、本科生、碩士研究生或博士研究生。是否 （部門(mén)簽章）年 月 日資格認(rèn)定院、系負(fù)責(zé)人或?qū)熞庖?jiàn)本作品是否為課外學(xué)術(shù)科技或社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)成果是否負(fù)責(zé)人簽名：年 月 日B3申報(bào)作品情況（科技發(fā)明制作）說(shuō)明：1必須由申報(bào)者本人填寫(xiě)；2本部分中的科研管理部門(mén)簽章視為對(duì)申報(bào)者所填內(nèi)容的確認(rèn)； 3本表必須附有研究報(bào)告，并提供圖表、曲線(xiàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、 原理結(jié)構(gòu)圖、外觀(guān)圖（照片）,也可附鑒定證書(shū)和應(yīng)用證書(shū)； 4作品分類(lèi)請(qǐng)

6、按照作品發(fā)明點(diǎn)或創(chuàng)新點(diǎn)所在類(lèi)別填報(bào)。作品全稱(chēng)嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅作品分類(lèi)（ A ）A機(jī)械與控制（包括機(jī)械、儀器儀表、自動(dòng)化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技術(shù)（包括計(jì)算機(jī)、電信、通訊、電子等） C數(shù)理（包括數(shù)學(xué)、物理、地球與空間科學(xué)等） D生命科學(xué)（包括生物、農(nóng)學(xué)、藥學(xué)、醫(yī)學(xué)、健 康、衛(wèi)生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化學(xué)、化 工、生態(tài)、環(huán)保等）作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路，創(chuàng)新點(diǎn)，技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)目的為了幫助殘疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會(huì)。為了使智能輪椅能夠適用于各類(lèi)用戶(hù)和使用場(chǎng)所，在基于嵌入式系統(tǒng)（SPC

7、E061A 單片機(jī)）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了具有手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、超聲波自主導(dǎo)航和視覺(jué)自主導(dǎo)航四種功能的多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅。設(shè)計(jì)基本思路設(shè)計(jì)基本思路1）語(yǔ)音控制模態(tài)對(duì)于輪椅的控制，語(yǔ)音控制無(wú)非是最自然、最便捷的控制方式。語(yǔ)音控制模態(tài)采用凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 作為系統(tǒng)核心，先通過(guò) MIC 訓(xùn)練語(yǔ)音命令，提取出特征參數(shù)并導(dǎo)入到FLASH 中構(gòu)成語(yǔ)音模型庫(kù)。識(shí)別過(guò)程中，利用庫(kù)函數(shù)將待測(cè)語(yǔ)音信號(hào)與語(yǔ)音模型庫(kù)中的模型進(jìn)行相似度比較，識(shí)別成功智能輪椅則進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。2）超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)采用超聲波傳感器作為外界信息感知傳感器實(shí)現(xiàn)輪椅避障控制。超聲波由發(fā)射端發(fā)出，遇

8、到障礙物返回，接收器將超聲波信號(hào)變成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、帶通濾波和整形后送入 SPCE061A。通過(guò)測(cè)量從發(fā)射超聲波到接收超聲波的間隔時(shí)間計(jì)算出輪椅到障礙物之間的距離，再采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的實(shí)時(shí)避障。3）視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)視覺(jué)自主導(dǎo)航系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)，控制決策系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)三個(gè)部分組成。整體的流程為:檢測(cè)系統(tǒng)采集路徑信息，經(jīng)過(guò)控制決策系統(tǒng)分析和判斷，由動(dòng)力系統(tǒng)控制直流電機(jī)給出合適的轉(zhuǎn)速，從而控制智能輪椅準(zhǔn)確、穩(wěn)定地行駛。4）多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅在使用過(guò)程中，通過(guò)將不同的模態(tài)融合起來(lái)，能夠達(dá)到更好的實(shí)際效果。將超聲波自主避障模態(tài)融合到其它三種模態(tài)當(dāng)中，輪椅在執(zhí)行手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制和視

9、覺(jué)自主導(dǎo)航這三種模態(tài)指令之前能夠自動(dòng)判斷輪椅是否能夠安全的執(zhí)行用戶(hù)給定的指令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)，從而使得智能輪椅的行駛更加安全可靠。同樣，將語(yǔ)音播放技術(shù)融合到其它三種模態(tài)中，輪椅根據(jù)自身的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)用戶(hù)進(jìn)行語(yǔ)音提示，從而起到更好的人機(jī)交互效果。(其中本作品的演示錄像、源程序以及其它相關(guān)的材料均已刻錄在所附的光盤(pán)中。)創(chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)新點(diǎn)1) 語(yǔ)音控制模態(tài)快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止這五個(gè)控制指令的識(shí)別，并在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的在線(xiàn)訓(xùn)練，新用戶(hù)只需花上幾分鐘的時(shí)間進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練便可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅的語(yǔ)音控制。2) 超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)能夠完成到指定目標(biāo)的路徑

10、規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了智能輪椅的安全避障。3) 視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)不同燈光環(huán)境下對(duì)不同走向和形狀的標(biāo)識(shí)線(xiàn)的跟蹤。4) 將超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到四種模態(tài)當(dāng)中，輪椅能夠自動(dòng)判斷是否能夠安全地執(zhí)行用戶(hù)給定的命令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)。使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全可靠。5) 基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器較好的解決了基于通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))控制器所存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題，這就向智能輪椅的產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)了一大步。技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵1) 基于嵌入式系統(tǒng)的多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅最大的局限性在于系統(tǒng)資源的有限，語(yǔ)音控制模態(tài)中五條簡(jiǎn)單實(shí)用的語(yǔ)

11、音控制指令，超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)中適用的控制策略以及視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)中高效的標(biāo)記線(xiàn)邊緣檢測(cè)算法對(duì)智能輪椅的實(shí)時(shí)控制都起到了極其關(guān)鍵的作用。2) 語(yǔ)音識(shí)別、超聲波避障和視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)的相互融合，使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定可靠。主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)1) 載荷負(fù)重：110kg；2) 續(xù)航能力：一次充電續(xù)航 20km；3) 最大安全速度：6km/h；4) 越障高度：40mm；5) 爬坡能力：15；6) 智能導(dǎo)航方式：全方向控制手柄，語(yǔ)音控制，超聲波自主避障，視覺(jué)自主導(dǎo)航；7) 人機(jī)交互方式：操縱桿、鍵盤(pán)和語(yǔ)音三種人機(jī)交互方式。作品的科學(xué)性先進(jìn)性（必須說(shuō)明與現(xiàn)有技術(shù)相比、該作品是否具

12、有突出的實(shí)質(zhì)性技術(shù)特點(diǎn)和顯著進(jìn)步。請(qǐng)?zhí)峁┘夹g(shù)性分析說(shuō)明和參考文獻(xiàn)資料）目前在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家中一些公司已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)出智能程度高、自主能力強(qiáng)的輪椅機(jī)器人產(chǎn)品。例如，美國(guó)AetiveMedia 公司的 Robotscehariot 和 AppliedAlSystems公司的 TAO 一 7，日本 AISIN 精機(jī)和富士通公司共同研制開(kāi)發(fā)的 TAOAicle 等。但這些智能輪椅產(chǎn)品基本上采用類(lèi)似于移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，采用通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))作為上位機(jī)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)作為下位機(jī)，產(chǎn)品體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體成本很高。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了一種具有視覺(jué)和口令導(dǎo)航功能

13、并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的機(jī)器人輪椅。在輪椅的設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用有關(guān)圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等成果，使人能通過(guò)語(yǔ)音控制輪椅自由行走，輪椅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話(huà)功能。上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)成功一種聲控輪椅，主要是為四肢全部喪失功能的殘疾者設(shè)計(jì)，使用者只需發(fā)出“開(kāi)” 、 “前” 、“后” 、 “左” 、 “右” 、 “快” 、 “慢” 、 “停”等指令，輪椅可在1.2 秒內(nèi)響應(yīng)指令。本文設(shè)計(jì)并研制了具有手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、超聲波自主導(dǎo)航和視覺(jué)自主導(dǎo)航四種功能的多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅。用戶(hù)不僅可以選擇常規(guī)的手動(dòng)控制模態(tài)，通過(guò)操作桿控制輪椅運(yùn)動(dòng)，還可以在語(yǔ)音控制模態(tài)下口頭輸入命令控制輪椅運(yùn)動(dòng)。超聲波自主導(dǎo)航模

14、態(tài)能夠完成到指定目標(biāo)的路徑規(guī)劃和移動(dòng)。視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)不同燈光環(huán)境下對(duì)不同走向和形狀標(biāo)識(shí)線(xiàn)的視覺(jué)跟蹤。同時(shí)，將超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到四種模態(tài)當(dāng)中，輪椅能夠自動(dòng)判斷是否能夠安全地執(zhí)行用戶(hù)給定的命令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)。使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定可靠。并且該智能輪椅控制器與其它電動(dòng)輪椅控制器相比，成本增加不多。因此，我們完全可以相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，不同類(lèi)型的智能輪椅將進(jìn)入普通家庭，智能輪椅將不再是少數(shù)人才能用得起的奢侈品。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 原魁. 智能輪椅技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，第一屆北京國(guó)際康復(fù)醫(yī)學(xué)論壇論文集 2006 年.2

15、徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001,3:5-16.3 鄧旭玥, 王 偉, 易建強(qiáng). 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)展望.機(jī)電工程，2004.4 李慶中，顧偉康，葉秀清.基于遺傳算法的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障路徑規(guī)劃方法.模式識(shí)別與人土智能,2002,15(2):161-166.5 劉風(fēng)然，田紅芳，王侃.基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng).中國(guó)儀器儀表，2001,3:27-29.6 O. HORN and A. COURCELLE，Interpretation of Ultrasonic Readings for Autonomous Robot Local

16、ization，Journal of Intelligent and Robotic Systems 39: 265285, 2004.7 賈莉娜. 高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2004:23-26.8 曹玉華，超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用，中國(guó)海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，06.9 王炎、周大威，移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣傳動(dòng)，2000，第四期.10 鄭利君，動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃和避障算法的研究，浙江理工大學(xué)學(xué)位論文，07，03-26.11 徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，20

17、01,3:5-1612 鄧旭玥, 王 偉, 易建強(qiáng). 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)展望.機(jī)電工程，2004.13 李慶中，顧偉康，葉秀清.基于遺傳算法的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障路徑規(guī)劃方法.模式識(shí)別與人土智能,2002,15(2):161-16614 劉風(fēng)然，田紅芳，王侃.基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng).中國(guó)儀器儀表，2001,3:27-2915 賈莉娜. 高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用.計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2004:23-26.16 楊晶東, 黃慶成, 洪炳镕.雙足足球機(jī)器人實(shí)時(shí)避障導(dǎo)航系統(tǒng)研究J.機(jī)器人, 2005, 27(6): 530534.17 高慶吉, 洪炳熔

18、, 阮玉峰.基于異構(gòu)雙目視覺(jué)的全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航J.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 35(9): 10291032.19 譚定忠, 王啟明, 李金山等.一種光電式機(jī)器人路標(biāo)的研究J.機(jī)床與液壓, 2004: 927928.作品在何時(shí)、何地、何種機(jī)構(gòu)舉行的評(píng)審、鑒定、評(píng)比、展示等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)及鑒定結(jié)果作品所處階 段（ A ）A 實(shí)驗(yàn)室階段 B 中試階段 C 生產(chǎn)階段D （自填）技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式作品可展示的形 式 實(shí)物、產(chǎn)品 模型 圖紙 磁盤(pán) 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片 錄像 樣品使用說(shuō)明及該作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提供該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明及市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)使用說(shuō)明使用說(shuō)明對(duì)于殘疾程度較輕

19、、肢體能動(dòng)性較高且意識(shí)較好的人群，用戶(hù)可以選擇常規(guī)的手動(dòng)控制模態(tài)，通過(guò)操作桿和按鍵來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于殘疾程度較高、肢體能動(dòng)性較低的人群，用戶(hù)可以選擇通過(guò)語(yǔ)音來(lái)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。新用戶(hù)只需花上幾分鐘的時(shí)間進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練便可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅的語(yǔ)音控制。在日常的生活環(huán)境下，用戶(hù)也可以選擇超聲波自主導(dǎo)航和圖像自主導(dǎo)航模態(tài)來(lái)完成到目標(biāo)點(diǎn)的路徑規(guī)劃和移動(dòng)（如在臥室，客廳，廚房、陽(yáng)臺(tái)等地之間的移動(dòng)） 。同時(shí)，通過(guò)將超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到四種模態(tài)當(dāng)中，輪椅能夠自動(dòng)判斷是否能夠安全地執(zhí)行用戶(hù)給定的命令，并以語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)。使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定可靠。技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

20、技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)1) 簡(jiǎn)便易用是智能輪椅高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，語(yǔ)音控制模態(tài)將控制指令簡(jiǎn)化為五個(gè)，并在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的在線(xiàn)訓(xùn)練。新用戶(hù)只需花上幾分鐘的時(shí)間進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練便可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能輪椅的語(yǔ)音控制。2) 超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)能夠完成到指定目標(biāo)的路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了輪椅的安全避障。視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)不同燈光環(huán)境下對(duì)不同走向和形狀的標(biāo)識(shí)線(xiàn)的跟蹤。3) 將超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到四種模態(tài)當(dāng)中，輪椅能夠自動(dòng)判斷是否能夠安全地執(zhí)行用戶(hù)給定的命令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)。使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全可靠。4) 基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器較好的解決了基于通用計(jì)算機(jī)(

21、筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))控制器所存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題，這就向智能輪椅的產(chǎn)業(yè)化方向邁進(jìn)了一大步。適應(yīng)范圍適應(yīng)范圍在手動(dòng)控制模態(tài)和語(yǔ)音控制模態(tài)下，智能輪椅適用于在室內(nèi)和室外的平整場(chǎng)地下使用；超聲波自主避障模態(tài)適用于在室內(nèi)使用；視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)在標(biāo)記線(xiàn)完好的情況下可以在室內(nèi)和室外的平整場(chǎng)地下使用。推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，以嵌入式系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的智能產(chǎn)品在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。由于基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器較好的解決了基于通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))控制器所存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題。因此，我們完全

22、可以相信，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅將可以進(jìn)入普通家庭，智能輪椅將不再是少數(shù)人才能用得起的奢侈品。市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)根據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè) ，1990-2020 年世界老齡人口平均年1增速度為 2.5%，同期我國(guó)老齡人口的遞增速度為 3.3%，老齡化速度快于世界老齡化速度。與其他國(guó)家相比，中國(guó)社會(huì)人口老齡化程度高，已逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)。許多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近 20%。與此同時(shí)還有肢體殘疾人的人口近 6000 萬(wàn)。在他們當(dāng)中，有相當(dāng)多的人因行走不便不得不依靠輪椅才能夠正常生活。但對(duì)于許多老年人來(lái)說(shuō)，使用普通輪椅不是十分方便，生活質(zhì)量受到明顯的影

23、響。在歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，老年人、殘疾人專(zhuān)用的手動(dòng)輪椅和普通電動(dòng)輪椅已出現(xiàn)被逐步淘汰的趨勢(shì)，取而代之的是性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便、行駛更安全可靠的智能型電動(dòng)輪椅。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，我國(guó)對(duì)高檔電動(dòng)輪椅也將有十分旺盛的需求。發(fā)達(dá)國(guó)家老齡產(chǎn)業(yè)已成功地走向市場(chǎng)，老年人的公共支出是年輕人的三倍，己成為占第三產(chǎn)業(yè)比重很大的產(chǎn)業(yè)。相比而言，我國(guó)的老年人產(chǎn)業(yè)尚處于啟動(dòng)階段，發(fā)展的空間和潛力很大；再加上今年來(lái)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，使老年人和殘疾人的購(gòu)買(mǎi)力明顯增強(qiáng)，老年市場(chǎng)的巨大購(gòu)買(mǎi)力將會(huì)充分顯示出來(lái)。在目前中國(guó)智能輪椅市場(chǎng)中，中科院自動(dòng)化所和香港力勁集團(tuán)合作研發(fā)的智能輪椅，

24、亦采用了多模態(tài)的融合技術(shù)，由于目前的智能輪椅基本上采用與移動(dòng)機(jī)器人相同的技術(shù)方案，因而成本很高，只有一些特殊人群才能夠使用而難以進(jìn)入普通家庭。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器將能很好的解決了基于通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))控制器所存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題。而本作品采用的即嵌入式控制系統(tǒng)，除了輪椅本身的機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的成本、功耗等都是相對(duì)很低的，一臺(tái)智能輪椅的價(jià)格，不會(huì)比普通電動(dòng)輪椅高出多少。我們的智能輪椅是運(yùn)用了用佛山市東方醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)有限公司的FS110A 型電動(dòng)輪椅，市場(chǎng)售價(jià)在 7000 到 10000 元不等，即使將嵌入式芯片、傳

25、感器、控制器等硬件的價(jià)格計(jì)算在內(nèi)，一臺(tái)智能輪椅的成本價(jià)格亦可控制在 10000 元左右。這對(duì)于使用 PC 機(jī)等作為上位機(jī)的智能輪椅而言，價(jià)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輪椅，在國(guó)外各科研機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)推廣下，售價(jià)均在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等。同樣，若是采用與電動(dòng)輪椅生產(chǎn)廠(chǎng)商合作的方案，亦能使我國(guó)本土的電動(dòng)輪椅在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力。專(zhuān)利申報(bào)情況提出專(zhuān)利申報(bào) 申報(bào)號(hào) 申報(bào)日期 年 月 日已獲專(zhuān)利權(quán)批準(zhǔn) 批準(zhǔn)號(hào) 批準(zhǔn)日期 年 月 日 未提出專(zhuān)利申請(qǐng)科研管理部門(mén)簽 章 年 月 日C.當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類(lèi)課題研究水平概述 說(shuō)明：1.申報(bào)者可根據(jù)作品類(lèi)別和情況填寫(xiě)； 2.填寫(xiě)此欄有助于評(píng)審。國(guó)外

26、電動(dòng)輪椅市場(chǎng)現(xiàn)狀國(guó)外電動(dòng)輪椅市場(chǎng)現(xiàn)狀隨著人們生活水平的提高，在歐美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，電動(dòng)輪椅己經(jīng)逐漸代替普通輪椅，并己經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定發(fā)展期。臺(tái)灣工研院經(jīng)資中心 2003 年的調(diào)查資料顯示，2001 年，日本電動(dòng)輪椅市場(chǎng)已達(dá)到 45 萬(wàn)臺(tái)，約占其人口總數(shù)的 0.3%;而歐美國(guó)家的情況也與日本基本相同。初步估計(jì)，目前全球范圍內(nèi)的電動(dòng)輪椅市場(chǎng)約為 100 萬(wàn)臺(tái)左右。因?yàn)殡妱?dòng)輪椅的售價(jià)較高(一般在 4，000 一 6，000 美元之間)，因此，歐美政府通常將對(duì)用戶(hù)給予較大額度的補(bǔ)貼。近年來(lái)，為了降低成本，歐美廠(chǎng)商大多委托日本、韓國(guó)以及臺(tái)灣進(jìn)行代工生產(chǎn)。臺(tái)灣的電動(dòng)輪椅和電動(dòng)代步車(chē) OEM 產(chǎn)品發(fā)展很快，目前

27、己經(jīng)占有歐美市場(chǎng)的 30%左右。目前在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家中一些公司已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)出智能程度更高、自主能力更強(qiáng)的輪椅機(jī)器人產(chǎn)品。例如，美國(guó) AetiveMedia 公司的 Robotscehariot和 AppliedAlSystems 公司的 TAO 一 7，日本 AISIN 精機(jī)和富士通公司共同研制開(kāi)發(fā)的 TAOAicle 等。但這些智能輪椅產(chǎn)品基本上采用類(lèi)似于移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，采用通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))作為上位機(jī)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)作為下位機(jī)，產(chǎn)品體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整體成本很高。此外，由于采用智能輪椅采用通用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，系統(tǒng)自身功耗較高，為了保證系統(tǒng)能夠有足

28、夠長(zhǎng)的工作時(shí)間而不得不配置大容量電池，進(jìn)一步增加了輪椅自身的重量和成本，也使得其產(chǎn)品難以被普通用戶(hù)接受。因此，此類(lèi)產(chǎn)品目前價(jià)格很高，尚未真正進(jìn)入市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅市場(chǎng)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)電動(dòng)輪椅市場(chǎng)現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)的電動(dòng)輪椅市場(chǎng)還處于早期開(kāi)發(fā)階段，產(chǎn)品的價(jià)格較高。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電動(dòng)輪椅的價(jià)格大體可分為三個(gè)檔次:1) 高檔電動(dòng)輪椅高檔電動(dòng)輪椅的價(jià)位在 19，000 元以上。高檔電動(dòng)輪椅以美國(guó) Pride、臺(tái)灣必翔、德國(guó)奧托博克等廠(chǎng)家的產(chǎn)品為代表，產(chǎn)品為整機(jī)進(jìn)口或主要零部件進(jìn)口組裝，組裝地點(diǎn)基本選擇在上海地區(qū)。2) 中檔電動(dòng)輪椅中檔電動(dòng)輪椅的價(jià)位在 12，000 元左右，中檔電動(dòng)輪椅以臺(tái)灣德林機(jī)電的產(chǎn)品為代表，

29、其他廠(chǎng)家也有此價(jià)格范圍內(nèi)的產(chǎn)品。3) 低檔電動(dòng)輪椅低檔電動(dòng)輪椅的價(jià)位在 8，000 元左右，主要是國(guó)內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品，根據(jù)其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)而在價(jià)格上有一定的差異。國(guó)產(chǎn)電動(dòng)輪椅產(chǎn)品除了控制器采用進(jìn)口產(chǎn)品外，其它零部件基本上都采用了國(guó)內(nèi)配套產(chǎn)品。由于進(jìn)口輪椅控制器的價(jià)格很高，幾乎占電動(dòng)輪椅總成本的近一半左右，因此國(guó)產(chǎn)電動(dòng)輪椅的價(jià)格也居高不下，難以為一般消費(fèi)者接受，也限制了我國(guó)電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的發(fā)展。 D.推薦者情況及對(duì)作品的說(shuō)明說(shuō)明：1由推薦者本人填寫(xiě)； 2推薦者必須具有高級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)職稱(chēng)，并是與申報(bào)作品 相同或相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組 集體推薦亦可） ； 3推薦者填寫(xiě)此部分，即視為同意推薦；

30、4推薦者所在單位簽章僅被視為對(duì)推薦者身份的確認(rèn)。姓 名黃菊花性別女年齡46職稱(chēng)教授工作單位南昌大學(xué)通訊地址南昌大學(xué)前湖校區(qū)郵政編碼330031推薦者情況單位電話(huà)3969623住宅電話(huà)推薦者所在單位簽章 （簽章） 年 月 日請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況的真實(shí)性作出闡述申請(qǐng)者所設(shè)計(jì)并研制的“嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅”經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所提交的材料內(nèi)容真實(shí)、可靠。請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景作出您的評(píng)價(jià)該作品不僅適用于各類(lèi)用戶(hù)和使用場(chǎng)所，而且與其他智能輪椅相比，成本降低很多，與普通電動(dòng)輪椅相比，成本增加不多，因此具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。其它說(shuō)明D.推薦者情況及對(duì)作品

31、的說(shuō)明說(shuō)明：1由推薦者本人填寫(xiě)； 2推薦者必須具有高級(jí)專(zhuān)業(yè)技術(shù)職稱(chēng)，并是與申報(bào)作品 相同或相關(guān)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者或?qū)I(yè)技術(shù)人員（教研組 集體推薦亦可） ； 3推薦者填寫(xiě)此部分，即視為同意推薦； 4推薦者所在單位簽章僅被視為對(duì)推薦者身份的確認(rèn)。姓 名劉瑩性別女年齡52職稱(chēng)教授、博導(dǎo)工作單位南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院通訊地址南昌市紅谷灘新區(qū)學(xué)府大道 999 號(hào)郵政編碼330031推薦者情況單位電話(huà)3969636住宅電話(huà)推薦者所在單位簽章 （簽章） 年 月 日請(qǐng)對(duì)申報(bào)者申報(bào)情況的真實(shí)性作出闡述所提交的材料真實(shí)、可靠。請(qǐng)對(duì)作品的意義、技術(shù)水平、適用范圍及推廣前景作出您的評(píng)價(jià)基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅較好的解決了基

32、于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題，有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。其它說(shuō)明各高校評(píng)審委員會(huì)初評(píng)意見(jiàn) 評(píng)委簽名： 年 月 日學(xué)校組織協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)確認(rèn)并蓋章 （團(tuán)委代章） 年 月 日 學(xué)校主管領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn)、學(xué)校行政確認(rèn)蓋章主管領(lǐng)導(dǎo)簽章： 學(xué)校行政簽章年 月 日E全省組織委員會(huì)辦公室資格和形式審查意見(jiàn)組委會(huì)辦公室資格審查意見(jiàn) 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)辦公室形式審查意見(jiàn) 審查人（簽名） 年 月 日組委會(huì)辦公室審查結(jié)果合格 不合格 負(fù)責(zé)人（簽名） 年 月 日F參賽作品打印處嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅嵌入式多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅設(shè)計(jì)者：夏嘉廷 范冰飛 吳松林 程鳴指導(dǎo)老師：劉繼忠 吳

33、斌 徐建寧(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 南昌 330031)摘要摘要隨著世界老年人和殘疾人人口的日益增加，智能輪椅作為比普通電動(dòng)輪椅運(yùn)行更安全、更穩(wěn)定、使用更方便、性能更優(yōu)越的代步工具，可以幫助殘疾人和老年人提高自身的生活自理能力和工作能力，使他們更好地融入社會(huì)，體現(xiàn)出社會(huì)和諧。為了使智能輪椅能夠適用于各類(lèi)用戶(hù)和使用場(chǎng)所，本文根據(jù)實(shí)際情況，在基于嵌入式系統(tǒng)（SPCE061A 單片機(jī)）的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了具有手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、超聲波自主導(dǎo)航和視覺(jué)自主導(dǎo)航四種功能的多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅。用戶(hù)不僅可以選擇常規(guī)的手動(dòng)控制模態(tài)，通過(guò)操作桿控制輪椅運(yùn)動(dòng)，還可以在語(yǔ)音控制模態(tài)下口頭輸入命令控制輪椅運(yùn)動(dòng)。超聲

34、波自主導(dǎo)航模態(tài)能夠完成到指定目標(biāo)的路徑規(guī)劃和移動(dòng)。視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)不同燈光環(huán)境下對(duì)不同走向和形狀的標(biāo)識(shí)線(xiàn)的跟蹤。同時(shí)，將超聲波避障和語(yǔ)音播報(bào)技術(shù)融合到四種模態(tài)當(dāng)中，輪椅能夠自動(dòng)判斷是否能夠安全地執(zhí)行用戶(hù)給定的命令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)。使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：智能輪椅 人機(jī)交互 語(yǔ)音識(shí)別 超聲波避障 視覺(jué)導(dǎo)航 SPCE061A目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論11.1 作品研究的現(xiàn)實(shí)意義 11.2 國(guó)內(nèi)外智能輪椅研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 11.3 智能輪椅的市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 3第二章第二章 多模態(tài)融合與人機(jī)交互設(shè)計(jì)多模態(tài)融合與

35、人機(jī)交互設(shè)計(jì)42.1 智能輪椅實(shí)物圖 42.2 智能輪椅的特點(diǎn) 42.3 智能輪椅的結(jié)構(gòu) 52.4 模態(tài)選擇與切換設(shè)計(jì) 62.5 人機(jī)交互設(shè)計(jì) 8第三章第三章 語(yǔ)音控制模態(tài)設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制模態(tài)設(shè)計(jì)93.1 語(yǔ)音控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 93.1.1 SPCE061A 開(kāi)發(fā)板93.2 語(yǔ)音控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 103.2.1 語(yǔ)音錄放113.2.2 語(yǔ)音訓(xùn)練113.2.3 語(yǔ)音識(shí)別13第四章第四章 超聲波自主避障模態(tài)設(shè)計(jì)超聲波自主避障模態(tài)設(shè)計(jì)154.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的分析與硬件設(shè)計(jì) 154.1.1 避障測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案154.1.2 測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)射電路的設(shè)計(jì)154.1.3 超聲波接收電路164.1.4

36、多通道超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)174.1.5 電路板的制作174.2 避障算法的設(shè)計(jì) 194.2.1 避障策略194.2.2 避障流程圖及說(shuō)明21第五章第五章 視覺(jué)導(dǎo)航模態(tài)設(shè)計(jì)視覺(jué)導(dǎo)航模態(tài)設(shè)計(jì)245.1 引言 245.2 設(shè)計(jì)思想 245.3 視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的機(jī)械模塊 245.3.1 智能輪椅的機(jī)構(gòu)模型245.3.2 視覺(jué)傳感器的安裝245.3.3 視覺(jué)導(dǎo)航環(huán)境255.4 視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 265.4.1 視覺(jué)傳感器的選擇265.4.2 圖像采集的工作原理265.4.3 圖像采集方法的選擇285.4.4 OV6620 數(shù)字?jǐn)z像頭295.4.5 控制對(duì)象305.5 視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 315

37、.5.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)315.5.2 黑線(xiàn)提取算法32參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)33附錄附錄 1 智能輪椅硬件電路圖智能輪椅硬件電路圖34附錄附錄 2 SPCE061AI/O 資源分配表資源分配表35附錄附錄 3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)360第一章第一章 緒論緒論1.1 作品研究的現(xiàn)實(shí)意義作品研究的現(xiàn)實(shí)意義根據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè) ，1990-2020 年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國(guó)老齡人口的遞增速度為 3.3%，老齡化速度快于世界老齡化速度。與其他國(guó)家相比，中國(guó)社會(huì)人口老齡化程度高，已逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)。許多大城市，如上海、北京，老年人的比例已接近 20%。與此同時(shí)還有肢體殘疾人的人口近 6000 萬(wàn)

38、。在他們當(dāng)中，有相當(dāng)多的人因行走不便不得不依靠輪椅才能夠正常生活。但對(duì)于許多老年人來(lái)說(shuō)，使用普通輪椅不是十分方便，生活質(zhì)量受到明顯的影響。在歐美經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家，老年人、殘疾人專(zhuān)用的手動(dòng)輪椅和普通電動(dòng)輪椅已出現(xiàn)被逐步淘汰的趨勢(shì)，取而代之的是性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便、行駛更安全可靠的智能型電動(dòng)輪椅。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，我國(guó)對(duì)高檔電動(dòng)輪椅也將有十分旺盛的需求。因此，為解決人口老齡化等帶來(lái)的重大社會(huì)服務(wù)問(wèn)題，為 2015 年實(shí)現(xiàn)我國(guó)“人人享有康復(fù)服務(wù)”的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐，研究并開(kāi)發(fā)實(shí)用的智能輪椅具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外智能輪椅研

39、究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)外智能輪椅研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)智能輪椅將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅，也稱(chēng)智能輪椅式移動(dòng)機(jī)器人。智能輪椅融合了多個(gè)方向的研究，包括機(jī)器視覺(jué)、智能控制、機(jī)器人導(dǎo)航和定位、多傳感器融合及人機(jī)交互等，涉及控制、計(jì)算機(jī)、電子、電氣、機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域。初期的研究，賦予輪椅的功能一般都是低級(jí)控制，如簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)、速度控制及避障等。隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)大量用于輪椅，智能輪椅有了更好的交互性、適應(yīng)性、自主性。自 1986 年英國(guó)開(kāi)始研制第一輛智能輪椅以來(lái)，許多國(guó)家投入較多資金研究智能輪椅。如美國(guó)麻省理工大學(xué) WHEELESLEY 項(xiàng)目、法國(guó) VAHM 項(xiàng)目、德國(guó)烏爾姆大學(xué)

40、MAID 項(xiàng)目、西班牙 SIAMO 項(xiàng)目、加拿大 AAI 公司 TAO 項(xiàng)目、歐盟 TIDE 項(xiàng)目、KISS 學(xué)院TINMAN 項(xiàng)目、臺(tái)灣中正大學(xué)電機(jī)系 LUOSON 項(xiàng)目等。我國(guó)智能輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國(guó)1外相比有一定差距， 但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)外先進(jìn)水平的智能輪椅。研究單位有中科院自動(dòng)化所、上海交通大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)等。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制了一種具有視覺(jué)和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語(yǔ)音交互的機(jī)器人輪椅。此項(xiàng)研究成果于 2000 年 11 月通過(guò)“863”智能機(jī)器人主題專(zhuān)家組的鑒定，并研制出我國(guó)第一臺(tái)多模態(tài)交互式智能輪椅樣機(jī)。此項(xiàng)研究高度重視了智能

41、輪椅人機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)，在輪椅的設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)室有關(guān)圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等最新成果，使人能通過(guò)語(yǔ)音控制輪椅自由行走，輪椅可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話(huà)功能。上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)成功一種聲控輪椅，主要是為四肢全部喪失功能的殘疾者設(shè)計(jì)，使用者只需發(fā)出“開(kāi)” 、 “前” 、 “后” 、 “左” 、“右” 、 “快” 、 “慢” 、 “?！钡戎噶?，輪椅可在 1.2 秒內(nèi)按指令執(zhí)行。應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)于智能輪椅取得了一定的成效，基本上滿(mǎn)足了行動(dòng)不便人士要求，但也要看到智能輪椅目前主要還停留在實(shí)驗(yàn)室，并沒(méi)有真正產(chǎn)業(yè)化，所以仍有很大研究空間。未來(lái)的研究將會(huì)向以下幾個(gè)方向發(fā)展：1）智能化智能輪椅要走

42、向?qū)嶋H應(yīng)用，必須綜合應(yīng)用智能算法，優(yōu)化算法，增強(qiáng)自助導(dǎo)航能力，如實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制、視覺(jué)感知。此外，還應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)以適應(yīng)遠(yuǎn)程控制的需要。2）人性化系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮行動(dòng)不便人士的需求，從細(xì)微處出發(fā)，設(shè)計(jì)安全、舒適、合理的智能輪椅。另外可根據(jù)實(shí)際需要裝配人體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，智能輪椅使用者可以實(shí)時(shí)對(duì)自身身體狀況進(jìn)行監(jiān)控。3）模塊化智能輪椅要真正被廣大用戶(hù)接受、實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，必須降低價(jià)格。解決方法是采用開(kāi)放式模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)由基本模塊和各個(gè)功能模塊構(gòu)成，每個(gè)功能模塊負(fù)責(zé)一種功能，用戶(hù)可以根據(jù)需求選擇，配置最合適自身的輪椅。同時(shí)模塊化也能降低成本，提高性?xún)r(jià)比。隨著人工智能、電子技術(shù)、控

43、制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅的功能將更為完善、豐富，也將真正進(jìn)入老年2人和殘疾人的生活。1.3 智能輪椅的市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)智能輪椅的市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)發(fā)達(dá)國(guó)家老齡產(chǎn)業(yè)已成功地走向市場(chǎng)，老年人的公共支出是年輕人的三倍，己成為占第三產(chǎn)業(yè)比重很大的產(chǎn)業(yè)。相比而言，我國(guó)的老年人產(chǎn)業(yè)尚處于啟動(dòng)階段，發(fā)展的空間和潛力很大；再加上今年來(lái)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，使老年人和殘疾人的購(gòu)買(mǎi)力明顯增強(qiáng)，老年市場(chǎng)的巨大購(gòu)買(mǎi)力將會(huì)充分顯示出來(lái)。在目前中國(guó)智能輪椅市場(chǎng)中，中科院自動(dòng)化所和香港力勁集團(tuán)合作研發(fā)的智能輪椅，亦采用了多模態(tài)的融合技術(shù)，由于目前的智能輪椅基本上采用與移動(dòng)機(jī)器人相同的技術(shù)方案，

44、因而成本很高，只有一些特殊人群才能夠使用而難以進(jìn)入普通家庭。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，基于嵌入式系統(tǒng)的智能輪椅控制器將能很好的解決了基于通用計(jì)算機(jī)(筆記本電腦或嵌入式工控機(jī))控制器所存在的成本高、功耗大以及續(xù)航能力差等問(wèn)題。而本作品采用的即嵌入式控制系統(tǒng)，除了輪椅本身的機(jī)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的成本、功耗等都是相對(duì)很低的，一臺(tái)智能輪椅的價(jià)格，不會(huì)比普通電動(dòng)輪椅高出多少。我們的智能輪椅是運(yùn)用了用佛山市東方醫(yī)療設(shè)備廠(chǎng)有限公司的 FS110A 型電動(dòng)輪椅，市場(chǎng)售價(jià)在 7000 到 10000 元不等，即使將嵌入式芯片、傳感器、控制器等硬件的價(jià)格計(jì)算在內(nèi)，一臺(tái)智能輪椅的成本價(jià)格亦可控制在 10000元

45、左右。這對(duì)于使用 PC 機(jī)等作為上位機(jī)的智能輪椅而言，價(jià)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輪椅，在國(guó)外各科研機(jī)構(gòu)的市場(chǎng)推廣下，售價(jià)均在幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)不等。同樣，若是采用與電動(dòng)輪椅生產(chǎn)廠(chǎng)商合作的方案，亦能使我國(guó)本土的電動(dòng)輪椅在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力！3第二章第二章 多模態(tài)融合與人機(jī)交互設(shè)計(jì)多模態(tài)融合與人機(jī)交互設(shè)計(jì)2.1 智能輪椅實(shí)物圖智能輪椅實(shí)物圖圖 2.1 智能輪椅的實(shí)物圖2.2 智能輪椅的特點(diǎn)智能輪椅的特點(diǎn)1）語(yǔ)音控制模態(tài)對(duì)于輪椅的控制，語(yǔ)音控制無(wú)非是最自然、最便捷的控制方式。語(yǔ)音控制模態(tài)采用凌陽(yáng) 16 位單片機(jī) SPCE061A 作為系統(tǒng)核心，先通過(guò) MIC 訓(xùn)練語(yǔ)音命令

46、，提取出特征參數(shù)并導(dǎo)入到 FLASH 中構(gòu)成語(yǔ)音模型庫(kù)。識(shí)別過(guò)程中，利用庫(kù)函數(shù)將待測(cè)語(yǔ)音信號(hào)與語(yǔ)音模型庫(kù)中的模型進(jìn)行相似度比較，識(shí)別成功則進(jìn)行智能輪椅相關(guān)運(yùn)動(dòng)控制。2）超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)采用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)輪椅避障控制，由于輪椅要實(shí)現(xiàn)安全避障首先必須對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)，所以該模態(tài)采用分布在不同的方向上的多路超聲波傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知。超聲波由發(fā)射端發(fā)出，遇到障礙物返回，接收器將超聲波信號(hào)變成4電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、帶通濾波和整形送入 SPCE061A。通過(guò)測(cè)量從發(fā)射超聲波到接收超聲波的間隔時(shí)間計(jì)算出輪椅距離障礙物的距離，再通過(guò)采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠?lái)實(shí)現(xiàn)輪椅的實(shí)時(shí)避障。3）

47、視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)視覺(jué)自主導(dǎo)航系統(tǒng)由檢測(cè)系統(tǒng)，控制決策系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中檢測(cè)系統(tǒng)采用 CMOS 圖像傳感器；控制決策系統(tǒng)采用 SPCE061A 作為主控制芯片；動(dòng)力系統(tǒng)主要是控制模擬操作桿產(chǎn)生的四路模擬電壓信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。整體的流程為，檢測(cè)系統(tǒng)采集路徑信息，經(jīng)過(guò)控制決策系統(tǒng)分析和判斷，由動(dòng)力系統(tǒng)控制直流電機(jī)給出合適的轉(zhuǎn)速，從而控制智能輪椅準(zhǔn)確、穩(wěn)定地行駛。4）多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅在使用過(guò)程中，通過(guò)將不同的模態(tài)融合起來(lái)，能夠達(dá)到更好的實(shí)際效果。通過(guò)將超聲波自主避障模態(tài)融合到其它三種模態(tài)當(dāng)中，輪椅在執(zhí)行手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制和視覺(jué)自主導(dǎo)航這三種模態(tài)指令之前能夠自動(dòng)判斷輪椅是否能

48、夠安全的執(zhí)行這些指令，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)的形式將信息反饋給用戶(hù)，從而使得智能輪椅的行駛更加安全可靠。同樣，將語(yǔ)音播放技術(shù)融合到其它三種模態(tài)中，輪椅根據(jù)自身的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)用戶(hù)進(jìn)行語(yǔ)音提示，從而起到更好的人機(jī)交互效果。 （其中本作品的演示錄像、源程序以及其它相關(guān)的材料均已刻錄在所附的光盤(pán)中）2.3 智能輪椅的結(jié)構(gòu)智能輪椅的結(jié)構(gòu)智能輪椅由傳感器、控制器、執(zhí)行器和人機(jī)交互設(shè)備四大部分組成，總體結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。5圖 2.2 智能輪椅結(jié)構(gòu)圖傳感器主要包括 MIC、超聲波傳感器和圖像傳感器。MIC 將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò) SPCE061A 的 AD 通道進(jìn)行采集；超聲波傳感器用來(lái)測(cè)量輪椅和障礙

49、物之間的距離，實(shí)現(xiàn)輪椅自主避障和導(dǎo)航；圖像傳感器用來(lái)對(duì)路面信息進(jìn)行采集，通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)圖像，并由 SPCE061A 單片機(jī)完成采集和處理。控制器采用凌陽(yáng)公司16 位單片機(jī) SPCE061A，該單片機(jī)的資源不僅能夠滿(mǎn)足本作品的設(shè)計(jì)要求，而且 SPCE061A 單片機(jī)非常適合語(yǔ)音處理應(yīng)用領(lǐng)域?？刂破鲗?shí)物圖見(jiàn)圖 2.3。執(zhí)行器為兩個(gè) 24V 永磁直流電機(jī)，通過(guò)差速控制輪椅轉(zhuǎn)向。人機(jī)交互設(shè)備包括揚(yáng)聲器、LCD 和 LED。揚(yáng)聲器用于播放語(yǔ)音提示，實(shí)現(xiàn)輪椅和用戶(hù)之間的語(yǔ)音交互，LCD 用于顯示當(dāng)前輪椅自身狀態(tài)信息，LED 則用于指示輪椅當(dāng)前各種狀態(tài)。2.4 模態(tài)選擇與切換設(shè)計(jì)模態(tài)選擇與切換

50、設(shè)計(jì)用戶(hù)使用該智能輪椅時(shí)，根據(jù)自身情況和實(shí)際場(chǎng)合選擇或切換到相應(yīng)的模態(tài)，圖 2.4 所示的電路可以實(shí)現(xiàn)上述功能。電路中的四個(gè)按鍵分別代表手動(dòng)控制、語(yǔ)音控制、超聲波自主導(dǎo)航和視覺(jué)自主導(dǎo)航四種模態(tài)。各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的模態(tài)見(jiàn)表2.1 所示。圖 2.4 模態(tài)選擇與切換電路圖圖 2.3 多模態(tài)人機(jī)交互智能輪椅控制器6表 2.1 模態(tài)選擇表模態(tài)名稱(chēng)IOB8IOB7手動(dòng)模態(tài)（manual）00語(yǔ)音控制模態(tài)（speech）01超聲波自主導(dǎo)航模態(tài)（ultrasonic）10視覺(jué)自主導(dǎo)航模態(tài)（image）11按下 4 個(gè)鍵中的任意 1 個(gè)，均會(huì)通過(guò) IOB3 觸發(fā) SPCE061A 進(jìn)入外部中斷。通過(guò)在中斷服務(wù)程序中

51、進(jìn)行模態(tài)標(biāo)志位設(shè)置，可以方便的進(jìn)行模態(tài)選擇和切換。并且在三種自動(dòng)模態(tài)程序中，均加入一個(gè)模態(tài)切換判斷函數(shù)，用于判斷按鍵選擇的模態(tài)與當(dāng)前模態(tài)是否一致，如果發(fā)生了模態(tài)切換，則跳出當(dāng)前模態(tài)的控制子程序，并重新根據(jù)模態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行模態(tài)選擇，總體的控制流程圖如圖 2.5 所示，總體的電路圖見(jiàn)附錄 1，I/O 資源分配表見(jiàn)附錄 2。圖 2.5 智能輪椅總體控制流程圖手動(dòng)控制模態(tài)下使用操作桿產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，而其他三種自動(dòng)控制模態(tài)下需要通過(guò) DA 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生該信號(hào)，圖2.6 所示電路就用來(lái)切換輪椅控制器的模擬電壓信號(hào)源。當(dāng)輪椅運(yùn)行在手動(dòng)控制模態(tài)下時(shí)，設(shè)置圖 2.6 直流電機(jī)控制平臺(tái)切換電路7IOB0 為低電平，三

52、極管截至，繼電器處于常閉位置，模擬電壓信號(hào)由操作桿提供；當(dāng)輪椅運(yùn)行在其它三種控制模態(tài)下時(shí)，設(shè)置 IOB0為高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作，模擬電壓信號(hào)由 DA 轉(zhuǎn)換芯片提供。2.5 人機(jī)交互設(shè)計(jì)人機(jī)交互設(shè)計(jì)本作品中主要采用兩種人機(jī)交互方式，一種是單片機(jī)的人機(jī)交互，即通過(guò)鍵盤(pán)、LED、數(shù)碼管、LCD、蜂鳴器等。如圖2.7 所示為 LED 顯示電路，通過(guò) LED 燈輪椅可以將當(dāng)前自身的狀態(tài)指示給用戶(hù)。另一種是語(yǔ)音交互。語(yǔ)音一致被公認(rèn)為是最自然流暢、方便快捷的信息交流方式。本作品實(shí)現(xiàn)了基于 SPCE061A 的特定人小詞量語(yǔ)音識(shí)別，用戶(hù)通過(guò) MIC 向輪椅輸入語(yǔ)音命令，輪椅也可以實(shí)時(shí)地將自身狀態(tài)或外

53、部環(huán)境信息以語(yǔ)音播放的形式通過(guò)揚(yáng)聲器反饋給用戶(hù)。圖 2.7 LED 顯示電路8第三章第三章 語(yǔ)音控制模態(tài)設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制模態(tài)設(shè)計(jì)3.1 語(yǔ)音控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制系統(tǒng)的硬件主要都已集成在 SPCE061A 開(kāi)發(fā)板上。MIC 將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，AD 轉(zhuǎn)換由 SPCE061A 片內(nèi) AD 完成。語(yǔ)音播放由揚(yáng)聲器和 SPCE061A 片內(nèi) DA 實(shí)現(xiàn)。3.1.1 SPCE061A 開(kāi)發(fā)板開(kāi)發(fā)板SPCE061A 開(kāi)發(fā)板不僅僅是 SPCE061A 的最小系統(tǒng)板，板上還集成了語(yǔ)音處理的硬件電路，非常適用于數(shù)字語(yǔ)音應(yīng)用領(lǐng)域。1）專(zhuān)用 10 位 AD 通道和集成有 AGC 電路的 MI

54、C 接口。SPCE061A 片內(nèi)有兩級(jí) OP 運(yùn)放：OPAMP1 和 OPAMP2。MIC 輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)片內(nèi)第一級(jí)運(yùn)放 OPAMP1放大，放大倍數(shù)受 AGC（自動(dòng)增益放大電路）控制，經(jīng)過(guò)帶通濾波，然后再經(jīng)過(guò)第二級(jí)運(yùn)放 OPAMP2 進(jìn)行放大，而二級(jí)放大的信號(hào)會(huì)與系統(tǒng)內(nèi)的定義值進(jìn)行比較，而根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)調(diào)整 OPAMP1 的放大 10 倍數(shù)，這就是 SPCE061A 片內(nèi) AGC的原理。SPCE061A 在 MIC 輸入通道的 CMP、AGC 電路中需要很多外接的阻容元件，電路圖如圖 3.1 所示。2）專(zhuān)用 10 位 DA 通道和揚(yáng)聲器接口SPCE061A 提供了雙通道 DAC 音頻輸出方式

55、。在此方式下，DAC1、DAC2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過(guò) AUD1 和 AUD2輸出，DAC 的輸出端接一個(gè)負(fù)載電阻，將 DAC 輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖 3.1 MIC 接口電路圖圖 3.2 揚(yáng)聲器接口電路圖9硬件電路很簡(jiǎn)單，如圖 3.2 所示。3）音頻元器件布局與布線(xiàn)選用優(yōu)質(zhì)的 MIC 和合理的外圍元器件參數(shù)是音質(zhì)的基本保障。除此之外，良好的 PCB 板布線(xiàn)、布局也是良好音質(zhì)的保證，特別是在語(yǔ)音的 DVR 錄制、即錄即放時(shí)，人耳可以聽(tīng)出差別。SPCE061A 開(kāi)發(fā)板在 PCB 板布線(xiàn)、布局時(shí)，注意了 MIC 電路與音頻輸出電路的分離。3.2 語(yǔ)音控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制系統(tǒng)

56、軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)音控制由語(yǔ)音訓(xùn)練和語(yǔ)音識(shí)別兩部分組成，其總體流程圖如圖 3.3 所示。語(yǔ)音訓(xùn)練為語(yǔ)音識(shí)別提供語(yǔ)音模型庫(kù)，如果語(yǔ)音識(shí)別成功，則輪椅執(zhí)行語(yǔ)音命令相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。語(yǔ)音訓(xùn)練前先判斷輪椅是否已經(jīng)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練。如果已經(jīng)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，則可直接調(diào)用 FLASH 中存儲(chǔ)的語(yǔ)音模型庫(kù)；如果未經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，則執(zhí)行語(yǔ)音訓(xùn)練子函數(shù)。在語(yǔ)音識(shí)別子函數(shù)中，加入重新訓(xùn)練判斷語(yǔ)句，如果用戶(hù)覺(jué)得訓(xùn)練結(jié)果不理想，或需要更換其他用戶(hù)，則可跳出語(yǔ)音識(shí)別子函數(shù)，重新進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練。語(yǔ)音訓(xùn)練和識(shí)別過(guò)程中需要播放提示語(yǔ)音，以反饋用戶(hù)輪椅當(dāng)前訓(xùn)練進(jìn)度和識(shí)別結(jié)果等信息。如圖 3.4 所示，提示語(yǔ)音播放圖 3.3 語(yǔ)音控制流程圖圖 3.4 語(yǔ)音控制

57、各流程關(guān)系圖10采用后臺(tái)方式，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。3.2.1 語(yǔ)音錄放語(yǔ)音錄放語(yǔ)音錄放主要包括語(yǔ)音錄制、語(yǔ)音壓縮和語(yǔ)音播放三個(gè)流程，以語(yǔ)音命令“請(qǐng)開(kāi)始訓(xùn)練”為例，其流程如圖 3.5 所示。圖 3.5 語(yǔ)音錄放流程圖1）語(yǔ)音錄制常用的音頻文件的格式包括*.wav、*.audio、*.mp3、*.rm 等。智能輪椅語(yǔ)音通過(guò)麥克風(fēng)和Windows 環(huán)境下的錄音機(jī)軟件進(jìn)行錄制，如圖 3.6 所示。需注意的是，聲音屬性應(yīng)按圖 3.7 設(shè)置，錄制好的聲音文件為*.wav 格式。2）語(yǔ)音壓縮錄制好的 wav 文件，占用很大的存儲(chǔ)空間，對(duì)于 SPCE061A 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其 FLASH 空間資源有限，想要存

58、儲(chǔ)大量的語(yǔ)音文件顯然是不可能的，這時(shí)我們需要采用語(yǔ)音壓縮技術(shù)。3）語(yǔ)音播放語(yǔ)音壓縮得到的*.48K 文件首先需要添加到 SPCE061A 開(kāi)發(fā)環(huán)境的 ResourceView 中，然后下載到 FLASH 中，最后以資源表的形式在程序中讀取并調(diào)用語(yǔ)音播放庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn) SPCE061A 開(kāi)發(fā)板的語(yǔ)音播放。3.2.2 語(yǔ)音訓(xùn)練由于受到 SPCE061A 內(nèi) SRAM 存儲(chǔ)量的限制，SPCE061A 一次圖 3.6 Windows 錄音機(jī)圖 3.7 錄音機(jī)屬性設(shè)置11只能存儲(chǔ) 5 條命令的語(yǔ)音模型，當(dāng)語(yǔ)音命令多于 5 條時(shí)，需要分組進(jìn)行語(yǔ)音訓(xùn)練和識(shí)別。本作品設(shè)計(jì)了單組命令語(yǔ)音控制系統(tǒng)和多組命令語(yǔ)音控制系

59、統(tǒng)。單組語(yǔ)音命令的包括“輪椅”(停)、 “前進(jìn)” 、“后退” 、 “左轉(zhuǎn)”和“右轉(zhuǎn)”5 條命令，多組命令包括“輪椅” 、“準(zhǔn)備” 、 “前進(jìn)” 、 “后退” 、 “?！?、 “左轉(zhuǎn)” 、 “右轉(zhuǎn)” 、 “增速” 、 “降速”和“音樂(lè)”10 條命令，每 5 條命令一組。其中多組語(yǔ)音訓(xùn)練與識(shí)別是在單組基礎(chǔ)上完成的。本作品中的 10 條命令分成 2 組，每組 5 條指令。設(shè)置第一組命令中的“準(zhǔn)備”命令用于從 FLASH 語(yǔ)音模型庫(kù)中導(dǎo)入第二組命令的語(yǔ)音模型至 SRAM，同樣，設(shè)置第二組命令中的“音樂(lè)”命令用于導(dǎo)入第一組命令的語(yǔ)音模型至 SRAM。圖 3.8 所示為多組命令語(yǔ)音訓(xùn)練流程圖。為方便用戶(hù)，

60、如果已經(jīng)訓(xùn)練過(guò)輪椅，可直接將 FLASH 中存儲(chǔ)的語(yǔ)音模型導(dǎo)入SRAM 中，不需要用戶(hù)重新訓(xùn)練，故程序一開(kāi)始首先判斷輪椅是否已經(jīng)經(jīng)過(guò)用戶(hù)訓(xùn)練。由于識(shí)別過(guò)程是將待測(cè)語(yǔ)音信號(hào)與訓(xùn)練得到的語(yǔ)音模型進(jìn)行相似度比較，因此識(shí)別前需要先通過(guò)訓(xùn)練建立該用戶(hù)的語(yǔ)音模型庫(kù)。如果輪椅還沒(méi)有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，F(xiàn)LASH 中沒(méi)有存儲(chǔ)用戶(hù)語(yǔ)音模型數(shù)據(jù)。訓(xùn)練前需要先擦除語(yǔ)音模型將占用的相應(yīng)FLASH。語(yǔ)音訓(xùn)練通過(guò) int BSR_Train(int CommandID，int Train Mode)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。CommandID 為命令號(hào)，范圍從 0 x100 0 x104，Train Mode為訓(xùn)練次數(shù)，當(dāng)該函數(shù)返回值為 0 時(shí)，