文丨三胖有话讲

编辑丨三胖有话讲

前言

非机动手动操作轮椅广泛应用于医院、福利设施等地，用于运送身体残疾和年老患者。通常情况下，这些轮椅需要医护人员在旁边来推动。为了减轻医院等场所工作人员的负担，科研人员开发了一种具有自主行驶能力的电动轮椅，应用了机器人学和机电一体化技术。

我们相信，我们的研究成果将有助于减少护理人员的体力劳动，并促进轮椅使用者的独立性。

在之前的研究中，曾经开发过具有自主行驶能力的智能轮椅，采用了视觉系统、激光测距仪等进行导航。然而，由于安全、可靠性和高成本等问题，这些轮椅并不实用。

今天给大家介绍了一种具有自主行驶能力的智能轮椅，称为“TAO Aicle”。该轮椅可以利用内部传感器以及周围环境包括全球定位系统和射频识别的辅助，准确确定自身的位置和方向。

为了确保安全行驶，我们利用了来自环境的辅助，尤其是RFID，这是本研究的独特特点。关于使用环境中的RFID信息进行移动机器人的自主导航，已经有一些研究报道。

在这些研究中，RFID被安装在墙壁上的特定点位，比如目的地。当移动机器人接近RFID时，它会检测到它们，并知道已经到达了目的地。这种用法似乎侧重于确定到达的位置。

在我们的系统中，位置信息由RFID提供，轮椅直接使用它来控制其轨迹。类似的研究中，在室内环境中，移动机器人可以使用地板上的被动RFID标签和天花板上的主动RFID标签的位置信息进行行驶。

在这项研究中，机器人需要高密度排列RFID标签以进行精确定位。另一方面，在科研人员的研究中，他们提出了一种使用包括在路面上局部排列的RFID标签在内的位置信息的补偿方法。还通过轨迹跟踪的高性能确认了这种补偿方法的有效性。

在EXPO场地建立的实验系统的系统配置。轮椅和服务器通过无线局域网持续连接。定位数据和轮椅状态数据从TAO Aicle发送到服务器，而地图数据、路径数据和与位置相关的信息数据则从服务器发送到每个TAO Aicle。

在服务器显示上，可以监控每个轮椅的位置以及重要的状态信息，比如剩余电量。因此，TAO Aicle的智能功能并不是由机器人自身实现的，而是通过与基础设施和服务器的交互来实现的。

智能轮椅机器人“TAO Aicle”

TAO Aicle是爱信精机株式会社目前商业可购买的“TAO Light II”电动轮椅的改进版本。轮椅的硬件、内部和外部传感器、计算机等，以实现自主行驶。TAO Aicle采用轻量化的框架和驱动装置进行设计和制造。

这些框架是“TAO Light II”使用的加强版，以承受频繁的试乘试用。同时，通过将一个电池分配给计算机供电，另一个电池用于电机驱动，电池的容量得到了增加。安装在轮椅背部的长棒状物体是GPS天线，机器人可以通过GPS准确确定自己的位置。

前右侧安装有激光测距传感器，机器人可以探测前方的障碍物。用户界面设备安装在右扶手的前端。为了用户的安全，还安装了紧急停止按钮、轮胎罩、防翻倒和安全带。表格1显示了TAO Aicle的规格。

右侧和左侧的轮子由带减速齿轮的直流伺服电机驱动，这是与“TAO Light II”相同的驱动系统。每个轮子独立控制，使得通过右侧和左侧轮子之间的旋转角度差异来控制转向。整个轮椅的尺寸与“TAO Light II”相近，不包括GPS天线。总重约40公斤，比“TAO Light II”重了一倍。电源采用锂离子电池，充满电后的使用时间约为3小时。

TAO Aicle的行驶速度潜在地可以超过6公里/小时，但在爱知世博会场地为了安全演示，我们将最大速度限制在小于2公里/小时。

自主行驶控制器

自主行驶控制器是一个控制单元，驱动右侧和左侧轮子的电动机，并包括一个主板计算机和电机放大器。通过与综合定位单元进行通信，它可以根据GPS、RFID标签和定向罗盘识别轮椅的绝对位置和方向。

结合上述绝对位置信息和通过附加在右侧和左侧轮子上的旋转编码器信号计算的位置和方向，自主行驶控制器可以估算出TAO Aicle的准确位置和方向。

还安装了轨迹跟随控制系统和速度控制系统，以确保安全停车和平稳启动。此外，还在自主行驶控制器上安装了各种功能，例如使用激光测距传感器进行障碍物检测、生成避障轨迹的功能，以及用于检测和避免固定障碍物，并在遇到移动障碍物时停止的控制算法。

通过这些功能，TAO Aicle能够准确地跟随设计的路径，实现安全舒适的行驶。

综合定位单元

综合定位单元整合了GPS和RFID阅读器的位置信息，以及定向罗盘的方向信息。它将这些信息提供给自主行驶控制器。为了与其他单元协同工作，它包括与自主行驶控制器和安全信息提供终端的接口软件，以及与接入点的无线通信软件和与定位服务器的坐标功能。

安全信息提供终端是安装在TAO Aicle扶手上的用户界面。它的基本硬件是富士通的PDA，但经过定制以适应这个轮椅的操作。用户不仅可以通过PDA的触摸面板选择目的地，还可以获取以图像和语音形式提供的各种信息。它还包括终端软件，用于与综合定位单元进行接口，并与接入点进行无线通信。

智能轮椅机器人的辅助系统

在爱知世博会场地的演示中，我们准备了辅助系统，以确保TAO Aicle的安全行驶。在这一部分，我们介绍了典型的辅助系统，包括GPS、RFID和信息提供服务器。

为了能够准确沿着规划的路径行驶，并向用户提供有用且及时的信息，精确的定位至关重要。TAO Aicle可以通过轮子的旋转量来确定自己的位置和方向，这称为“航位推算法”。

然而，这种方法可能导致积累在综合值中的测量误差。这意味着需要频繁地获取绝对值。其中一种方法是使用GPS定位。TAO Aicle配备了精确的GPS接收器，可以精确地确定自己的绝对位置。

在EXPO场地，我们在演示路线附近安装了GPS参考站，以提高使用差分GPS方法的定位精度。

使用GPS进行精确定位的系统。安装在TAO Aicle上的流动接收器通过无线局域网接入点连接到定位服务器。流动接收器每秒向定位服务器发送原始数据。定位服务器接收来自流动接收器的原始数据，同时也接收来自附近安装的参考站的数据。

服务器实时计算所有接收器的准确位置，并将定位数据发送到TAO Aicle。通过处理L1码数据和载波相位数据，实现了精确的定位。定位服务器上进行了差分GPS和RTK计算。

在室内定位时，GPS并不适用。即使在室外，如果GPS传感器离建筑物太近，很难获得准确的位置信息。因此，为了定位，我们提出使用RFID技术，这种技术最近在商店中用于识别产品。

TAO Aicle配备了一个安装在座位下方的RFID阅读器和天线。在运行过程中，它可以读取安装在地板板块下方的RFID标签。每个RFID标签都有一个唯一的代码，通过查询数据库定位表，可以将代码转换为位置数据。

这种被动式RFID是富士通有限公司的产品，频率为13.56 MHz。RFID天线也来自富士通有限公司，是一种中程类型的天线。天线在正交垂直平面上的检测区域的剖面图。

这些区域是通过在保持它们的面平行的同时，三维改变RFID和天线之间的相对位置来进行实验测量的。有一个中央的检测空间，其形状是一个椭球体。主要的检测空间被图中显示的子空间所包围。

当RFID和天线之间的距离较短时，例如5厘米，检测区域相对较大。为了稳定检测，RFID和天线之间的距离应在10到25厘米之间，此时检测区域的大小约为20 x 30厘米。

如果只使用一个RFID，定位的分辨率约为天线的大小。当多个RFID同时被检测到时，通过对检测到的位置数据进行平均，可以降低定位的分辨率。由于天线最大能同时检测的RFID数量为16个，通过在地面上布置RFID来细化定位的分辨率是可行的。

在科研人员的定位实验中，天线在间隔90毫米的排列RFID上移动时，天线同时检测到一个至三个RFID，而定位的偏差约为40毫米，小于90毫米间隔的一半。这个结果表明，多个RFID的检测有助于提高定位的分辨率。RFID的检测速率约为5赫兹。在天线附着在轮椅上移动时，它不会错过在检测区域内检测到的RFID。

我们为TAO Aicle设计了RFID地标，以便它能够在其上移动并获取定位信息，同时也能够轻松地更改行驶路线。RFID地标由多个RFID垂直设置在规律间隔的路径上。通过比较天线的大小和Eco-rock的大小，RFID的最大同时检测数量约为四个，定位误差约为5到10厘米，具体取决于测量的方向。

信息提供服务器

对于智能轮椅的用户，信息提供是必不可少的。智能轮椅根据各种条件自动启动、停止和转向。除非出现紧急情况，用户通常不会直接控制轮椅，如果信息不足，用户可能会感到不安。目前提供的信息示例如下：“轮椅正在穿过马路。”“轮椅将很快左转。”“您已到达目的地。”

每条信息都在轮椅到达指定位置时提供。可以使用LBS，基于位置的服务技术来实现这一点。富士通有限公司已经在2003年开发了旅游信息系统，并在京都著名的旅游胜地进行了演示。我们将该技术应用于TAO Aicle。

当TAO Aicle正常移动时，屏幕上的信息主要显示轮椅的状态，如速度、方向和电池状态。另一方面，当它执行特定动作时，屏幕上的信息显示当前情况或动作的原因。

语音信息告诉用户轮椅正在做什么或下一步将做什么，终端设备持续接收来自综合定位单元的准确定位数据，使得在轮椅到达预定位置时终端可以及时播放适当的语音数据。

信息提供系统的框图

信息服务器的主要作用是存储控制轮椅所需的信息，并向用户提供信息。服务器保存与相关道路条件有关的信息，并显示每条道路的可用性。在轮椅控制器的请求下，服务器通过终端设备向轮椅控制器传递这些可用性信息。

控制器根据每条道路的可用性确定路径。服务器还返回每个轮椅所需的与位置相关的信息。轮椅终端根据轮椅的位置向用户提供这些信息。交通信号状态由信号控制器发送给服务器，然后立即发送给轮椅控制器。

利用信号状态数据，轮椅可以在信号灯为红色时停下。服务器的次要作用是监控每个轮椅的位置和状态。它持续接收每个轮椅的状态数据，并在区域地图上显示出来。监控人员可以轻松了解每个轮椅的情况，并在发生紧急情况时立即得到通知。

结语

为了实现准确的轨迹跟随，TAO Aicle轮椅的准确当前位置和方向是必需的。在我们的实验设置中，GPS的位置信息每秒发送一次给控制器，而RFID的位置信息在TAO Aicle经过RFID时发送给控制器。

轨迹跟随控制包括使用GPS和RFID的位置信息对位置和方向进行补偿的卡尔曼滤波方法，如前面所述。科研人员采用了传统的轨迹跟随方法，如果考虑了轮椅的当前位置和方向，确定了与规划路径上最近的点，在低级控制器中安装了速度反馈控制系统，以实现轨迹跟随控制。