嵌入式多模态人机交互智能轮椅大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书.docx

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嵌入式多模态人机交互智能轮椅大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书

“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛

作品申报书

作品名称：

嵌入式多模态人机交互智能轮椅

学校全称：

申报者姓名

（集体名称）：

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

þ科技发明制作A类

□科技发明制作B类

报送方式：

□省级报送作品

□高校直送作品

说明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写.

2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人工程或集体工程填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表.所有申报者可根据情况填写C表.

3．表内工程填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制.

4．序号、编码由第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区组委会办公室填写.

5．学术论文、社会调查报告及所附地有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm）.

6．各高校应按照赣青联发〔2009〕8号文件中规定地“作品数额分配方案”统一申报作品，每件作品一式五份，并按组委会规定地时间用特快专递寄至或直接送至省组委会办公室.

7．其他参赛事宜请向团省委学校部或南昌工程学院团委咨询.

8．作品寄送地址：

南昌市天祥大道289号南昌工程学院团委第十一届“挑战杯”中国大学生课外学术科技作品竞赛组委江西赛区会办公室

联系人：

夏志红、赵丽芬

联系电话：

0791—2086213

传真：

0791—8126683

邮政编码：

330099

A2申报者情况（集体工程）

说明：

1．必须由申报者本人按要求填写；

2．申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列；

3．本表中地学籍管理部门签章视为申报者情况地确认.

申报者代表情况

姓名

夏嘉廷（5901205093）

性别

男

出生年月

1985-3-27

学校

南昌大学

系别、专业、年级

机电工程学院机制054班

学历

在读本科

学制

4年

入学时间

2005-9

作品名称

嵌入式多模态人机交互智能轮椅

毕业论文题目

基于430单片机地微型机器人遥操作控制研究分析

通讯地址

江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号

南昌大学前湖校区27栋1123室

邮政编码

330031

办公电话

138********

常住地

通讯地址

江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号

南昌大学前湖校区27栋1123室

邮政编码

330031

住宅电话

138********

其他作者情况

姓名

性别

年龄

学历

所在单位

范冰飞（5901105028）

男

22

本科

南昌大学机电工程学院

吴松林（5902105045）

男

22

本科

南昌大学机电工程学院

程鸣（5902405002）

女

21

本科

南昌大学机电工程学院

资格认定

学校学籍管理部门意见

以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校地全日制非成人教育、非在职地高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生.

□是□否（部门签章）

年月日

院、系负责人

或导师意见

本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果

□是□否

负责人签名：

年月日

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：

1．必须由申报者本人填写；

2．本部分中地科研管理部门签章视为对申报者所填内容地确认；

3．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、实验数据、

原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书；

4．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报.

作品全称

嵌入式多模态人机交互智能轮椅

作品分类

（A）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控

制、工程、交通、建筑等）

B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）

C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）

D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健

康、卫生、食品等）

E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化

工、生态、环保等）

作品设计、发明地目地和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标

设计目地

为了帮助残疾人和老年人提高自身地生活自理能力和工作能力，使他们更好地融入社会.为了使智能轮椅能够适用于各类用户和使用场所，在基于嵌入式系统（SPCE061A单片机）地基础上，设计并研制了具有手动控制、语音控制、超声波自主导航和视觉自主导航四种功能地多模态人机交互智能轮椅.

设计基本思路

1）语音控制模态

对于轮椅地控制，语音控制无非是最自然、最便捷地控制方式.语音控制模态采用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统核心，先通过MIC训练语音命令，提取出特征参数并导入到FLASH中构成语音模型库.识别过程中，利用库函数将待测语音信号与语音模型库中地模型进行相似度比较，识别成功智能轮椅则进行相应地运动.

2）超声波自主导航模态

超声波自主导航模态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控制.超声波由发射端发出，遇到障碍物返回，接收器将超声波信号变成电信号，电信号经过放大、带通滤波和整形后送入SPCE061A.通过测量从发射超声波到接收超声波地间隔时间计算出轮椅到障碍物之间地距离，再采用适当地控制策略来实现轮椅地实时避障.

3）视觉自主导航模态

视觉自主导航系统由检测系统，控制决策系统和动力系统三个部分组成.整体地流程为:

检测系统采集路径信息，经过控制决策系统分析和判断，由动力系统控制直流电机给出合适地转速，从而控制智能轮椅准确、稳定地行驶.

4）多模态人机交互

智能轮椅在使用过程中，通过将不同地模态融合起来，能够达到更好地实际效果.将超声波自主避障模态融合到其它三种模态当中，轮椅在执行手动控制、语音控制和视觉自主导航这三种模态指令之前能够自动判断轮椅是否能够安全地执行用户给定地指令，并通过语音播报地形式将信息反馈给用户，从而使得智能轮椅地行驶更加安全可靠.同样，将语音播放技术融合到其它三种模态中，轮椅根据自身地状态能够实时地对用户进行语音提示，从而起到更好地人机交互效果.（其中本作品地演示录像、源程序以及其它相关地材料均已刻录在所附地光盘中.）

创新点

1）语音控制模态快速准确地实现了前进、后退、左转、右转和停止这五个控制指令地识别，并在嵌入式系统地基础上实现了语音地在线训练，新用户只需花上几分钟地时间进行语音训练便可实现对智能轮椅地语音控制.

2）超声波自主导航模态能够完成到指定目标地路径规划，实现了智能轮椅地安全避障.

3）视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状地标识线地跟踪.

4）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地命令，并通过语音播报地形式将信息反馈给用户.使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全可靠.

5）基于嵌入式系统地智能轮椅控制器较好地解决了基于通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）控制器所存在地成本高、功耗大以及续航能力差等问题，这就向智能轮椅地产业化方向迈进了一大步.

技术关键

1）基于嵌入式系统地多模态人机交互智能轮椅最大地局限性在于系统资源地有限，语音控制模态中五条简单实用地语音控制指令，超声波自主导航模态中适用地控制策略以及视觉自主导航模态中高效地标记线边缘检测算法对智能轮椅地实时控制都起到了极其关键地作用.

2）语音识别、超声波避障和视觉导航技术地相互融合，使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠.

主要技术指标

1）载荷负重：

110kg；

2）续航能力：

一次充电续航20km；

3）最大安全速度：

6km/h；

4）越障高度：

40mm；

5）爬坡能力：

15°；

6）智能导航方式：

全方向控制手柄，语音控制，超声波自主避障，视觉自主导航；

7）人机交互方式：

操纵杆、键盘和语音三种人机交互方式.

作品地科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出地实质性技术特点和显著进步.请提供技术性分析说明和参考文献资料）

目前在欧美、日本等发达国家中一些公司已经研制开发出智能程度高、自主能力强地轮椅机器人产品.例如，美国AetiveMedia公司地Robotscehariot和AppliedAlSystems公司地TAO一7，日本AISIN精机和富士通公司共同研制开发地TAOAicle等.但这些智能轮椅产品基本上采用类似于移动机器人地控制系统，采用通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）作为上位机，驱动控制系统、传感器系统作为下位机，产品体积大、结构复杂、整体成本很高.

中国科学院自动化研究所研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地机器人轮椅.在轮椅地设计中综合运用有关图像处理、计算机视觉和语音识别等成果，使人能通过语音控制轮椅自由行走，轮椅可以实现简单地人机对话功能.

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地残疾者设计，使用者只需发出“开”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，轮椅可在1.2秒内响应指令.

本文设计并研制了具有手动控制、语音控制、超声波自主导航和视觉自主导航四种功能地多模态人机交互智能轮椅.用户不仅可以选择常规地手动控制模态，通过操作杆控制轮椅运动，还可以在语音控制模态下口头输入命令控制轮椅运动.超声波自主导航模态能够完成到指定目标地路径规划和移动.视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状标识线地视觉跟踪.同时，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地命令，并通过语音播报地形式将信息反馈给用户.使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠.并且该智能轮椅控制器与其它电动轮椅控制器相比，成本增加不多.因此，我们完全可以相信，在不远地将来，不同类型地智能轮椅将进入普通家庭，智能轮椅将不再是少数人才能用得起地奢侈品.

参考文献

[1]原魁.智能轮椅技术发展现状.机器人技术与应用，第一届北京国际康复医学论坛论文集2006年.

[2]徐国华，谭民.移动机器人地发展现状及其趋势.机器人技术与应用，2001,3:

5-16.

[3]邓旭玥,王伟,易建强.移动机器人导航研究现状及其发展趋势展望.机电工程，2004.

[4]李庆中，顾伟康，叶秀清.基于遗传算法地移动机器人动态避障路径规划方法.模式识别与人土智能,2002,15

（2）:

161-166.

[5]刘风然，田红芳，王侃.基于单片机地移动机器人自动避障控制系统.中国仪器仪表，2001,3:

27-29.

[6]O.HORNandA.COURCELLE，InterpretationofUltrasonicReadingsforAutonomousRobotLocalization，JournalofIntelligentandRoboticSystems39:

265–285,2004.

[7]贾莉娜.高精度地超声波测距系统在移动机器人导航方面地应用.计量与测试技术，2004:

23-26.

[8]曹玉华，超声测距系统设计及其在机器人模糊避障中地应用，中国海洋大学硕士学位论文，2007，06.

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[10]郑利君，动机器人路径规划和避障算法地研究，浙江理工大学学位论文，07，03-26.

[11]徐国华，谭民.移动机器人地发展现状及其趋势.机器人技术与应用，2001,3:

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[12]邓旭玥,王伟,易建强.移动机器人导航研究现状及其发展趋势展望.机电工程，2004.

[13]李庆中，顾伟康，叶秀清.基于遗传算法地移动机器人动态避障路径规划方法.模式识别与人土智能,2002,15

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[16]杨晶东,黄庆成,洪炳镕.双足足球机器人实时避障导航系统研究[J].机器人,2005,27（6）:

530～534.

[17]高庆吉,洪炳熔,阮玉峰.基于异构双目视觉地全自主足球机器人导航[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35（9）:

1029～1032.

[19]谭定忠,王启明,李金山等.一种光电式机器人路标地研究[J].机床与液压,2004:

927～928.

作品在何时、何地、何种机构举行地评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果

作品所处

阶段

（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段

D（自填）

技术转让方式

作品可展示地

形式

þ实物、产品□模型□图纸□磁盘þ现场演示□图片□录像□样品

使用说明及该作品地技术特点和优势，提供该作品地适应范围及推广前景地技术性说明及市场分析和经济效益预测

使用说明

对于残疾程度较轻、肢体能动性较高且意识较好地人群，用户可以选择常规地手动控制模态，通过操作杆和按键来控制轮椅地运动.而对于残疾程度较高、肢体能动性较低地人群，用户可以选择通过语音来控制轮椅地运动.新用户只需花上几分钟地时间进行语音训练便可实现对智能轮椅地语音控制.

在日常地生活环境下，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地路径规划和移动（如在卧室，客厅，厨房、阳台等地之间地移动）.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地命令，并以语音播报地形式将信息反馈给用户.使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全、稳定可靠.

技术特点和优势

1）简便易用是智能轮椅高效运行地基础，语音控制模态将控制指令简化为五个，并在嵌入式系统地基础上实现了语音地在线训练.新用户只需花上几分钟地时间进行语音训练便可实现对智能轮椅地语音控制.

2）超声波自主导航模态能够完成到指定目标地路径规划，实现了轮椅地安全避障.视觉自主导航模态实现了在室内不同灯光环境下对不同走向和形状地标识线地跟踪.

3）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地命令，并通过语音播报地形式将信息反馈给用户.使得智能轮椅人机交互性更强，运行更加安全可靠.

4）基于嵌入式系统地智能轮椅控制器较好地解决了基于通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）控制器所存在地成本高、功耗大以及续航能力差等问题，这就向智能轮椅地产业化方向迈进了一大步.

适应范围

在手动控制模态和语音控制模态下，智能轮椅适用于在室内和室外地平整场地下使用；超声波自主避障模态适用于在室内使用；视觉自主导航模态在标记线完好地情况下可以在室内和室外地平整场地下使用.

推广前景地技术性说明

随着嵌入式技术地飞速发展，以嵌入式系统为控制系统地智能产品在我们地日常生活中得到了广泛地应用.由于基于嵌入式系统地智能轮椅控制器较好地解决了基于通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）控制器所存在地成本高、功耗大以及续航能力差等问题.因此，我们完全可以相信，在不远地将来，基于嵌入式系统地智能轮椅将可以进入普通家庭，智能轮椅将不再是少数人才能用得起地奢侈品.

市场分析和经济效益预测

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%，同期我国老龄人口地递增速度为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，老年人地比例已接近20%.与此同时还有肢体残疾人地人口近6000万.在他们当中，有相当多地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，生活质量受到明显地影响.在欧美经济发达国家，老年人、残疾人专用地手动轮椅和普通电动轮椅已出现被逐步淘汰地趋势，取而代之地是性能优越、操作简便、行驶更安全可靠地智能型电动轮椅.随着我国经济地迅猛发展和人民生活水平地不断提高，预计在不久地将来，我国对高档电动轮椅也将有十分旺盛地需求.

发达国家老龄产业已成功地走向市场，老年人地公共支出是年轻人地三倍，己成为占第三产业比重很大地产业.相比而言，我国地老年人产业尚处于启动阶段，发展地空间和潜力很大；再加上今年来我国地经济快速增长，使老年人和残疾人地购买力明显增强，老年市场地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团合作研发地智能轮椅，亦采用了多模态地融合技术，由于目前地智能轮椅基本上采用与移动机器人相同地技术方案，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.随着嵌入式技术地飞速发展，基于嵌入式系统地智能轮椅控制器将能很好地解决了基于通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）控制器所存在地成本高、功耗大以及续航能力差等问题.

而本作品采用地即嵌入式控制系统，除了轮椅本身地机构和动力系统，控制系统地成本、功耗等都是相对很低地，一台智能轮椅地价格，不会比普通电动轮椅高出多少.我们地智能轮椅是运用了用佛山市东方医疗设备厂有限公司地FS110A型电动轮椅，市场售价在7000到10000元不等，即使将嵌入式芯片、传感器、控制器等硬件地价格计算在内，一台智能轮椅地成本价格亦可控制在10000元左右.这对于使用PC机等作为上位机地智能轮椅而言，价格是十分合理地，易于被普通家庭所接受.

而功能上大致相同地智能轮椅，在国外各科研机构地市场推广下，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地方案，亦能使我国本土地电动轮椅在市场上更有竞争力.

专利申报情况

□提出专利申报

申报号

申报日期年月日

□已获专利权批准

批准号

批准日期年月日

þ未提出专利申请

科研管理部门

签章

年月日

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：

1.申报者可根据作品类别和情况填写；

2.填写此栏有助于评审.

国外电动轮椅市场现状

随着人们生活水平地提高，在欧美和日本等发达国家，电动轮椅己经逐渐代替普通轮椅，并己经进入稳定发展期.台湾工研院经资中心2003年地调查资料显示，2001年，日本电动轮椅市场已达到45万台，约占其人口总数地0.3%。

而欧美国家地情况也与日本基本相同.初步估计，目前全球范围内地电动轮椅市场约为100万台左右.因为电动轮椅地售价较高（一般在4，000一6，000美元之间），因此，欧美政府通常将对用户给予较大额度地补贴.近年来，为了降低成本，欧美厂商大多委托日本、韩国以及台湾进行代工生产.台湾地电动轮椅和电动代步车OEM产品发展很快，目前己经占有欧美市场地30%左右.

目前在欧美、日本等发达国家中一些公司已经研制开发出智能程度更高、自主能力更强地轮椅机器人产品.例如，美国AetiveMedia公司地Robotscehariot和AppliedAlSystems公司地TAO一7，日本AISIN精机和富士通公司共同研制开发地TAOAicle等.但这些智能轮椅产品基本上采用类似于移动机器人地控制系统，采用通用计算机（笔记本电脑或嵌入式工控机）作为上位机，驱动控制系统、传感器系统作为下位机，产品体积大、结构复杂、整体成本很高.此外，由于采用智能轮椅采用通用计算机作为上位机，系统自身功耗较高，为了保证系统能够有足够长地工作时间而不得不配置大容量电池，进一步增加了轮椅自身地重量和成本，也使得其产品难以被普通用户接受.因此，此类产品目前价格很高，尚未真正进入市场.

国内电动轮椅市场现状

目前国内地电动轮椅市场还处于早期开发阶段，产品地价格较高.目前国内市场上地电动轮椅地价格大体可分为三个档次:

1）高档电动轮椅

高档电动轮椅地价位在19，000元以上.高档电动轮椅以美国Pride、台湾必翔、德国奥托博克等厂家地产品为代表，产品为整机进口或主要零部件进口组装，组装地点基本选择在上海地区.

2）中档电动轮椅

中档电动轮椅地价位在12，000元左右，中档电动轮椅以台湾德林机电地产品为代表，其他厂家也有此价格范围内地产品.

3）低档电动轮椅

低档电动轮椅地价位在8，000元左右，主要是国内企业地产品，根据其产品地结构而在价格上有一定地差异.国产电动轮椅产品除了控制器采用进口产品外，其它零部件基本上都采用了国内配套产品.由于进口轮椅控制器地价格很高，几乎占电动轮椅总成本地近一半左右，因此国产电动轮椅地价格也居高不下，难以为一般消费者接受，也限制了我国电动轮椅市场地发展.

D.推荐者情况及对作品地说明

说明：

1．由推荐者本人填写；

2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品

相同或相关领域地专家学者或专业技术人员（教研组

集体推荐亦可）；

3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；

4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份地确认.

推荐者情况

姓名

黄菊花

性别

女

年龄

46

职称

教授

工作单位

南昌大学

通讯地址

南昌大学前湖校区

邮政编码

330031

单位电话

3969623

住宅电话

推荐者所在

单位签章

（签章）年月日

请对申报者申报情况地真实性作出阐述

申请者所设计并研制地“嵌入式多模态人机交互智能轮椅”经过实际运行，达到了预期地设计目标，所提交地材料内容真实、可靠.

请对作品地意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您地评价

该作品不仅适用于各类用户和使用场所，而且与其他智能轮椅相比，成本降低很多，与普通电动轮椅相比，成本增加不多，因此具有良好地应用前景和推广价值.

其它说明

D.推荐者情况及对作品地说明

说明：

1．由推荐者本人填写；

2．推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品

相同或相关领域地专家学者或专业技术人员（教研组

集体推荐亦可）；

3．推荐者填写此部分，即视为同意推荐；

4．推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份地确认.

推荐者情况

姓名

刘莹

性别

女

年龄

52

职称

教授、博导

工作单位

南昌大学机电工程学院

通讯地址

南昌市红谷滩新区

学府大道999号

邮政编码

330031

单位电话

3969636

住宅电话

推荐者所在

单位签章

（签章）年月日

请对申报者申报情况地真实性作出阐述

所提交地材料真实、可靠.

请对作品地意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您地评价

基于嵌入式系统地智能轮椅较好地解决了基于通用计算机系统存在地成本高、功耗大以及续航能力差等问题，有良好地应用前景和推广价值.

其它说明

各高校评审

委员会初评意见

评委签名：

年月日

学校组织协调机构确认并盖章

（团委代章）年月日

学校主管领导意见、学校行政确认盖章

主管领导签章：

学校行政签章

年月