智能輪椅GPS定位導航系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 通過采用Android操作系統(tǒng)并利用高德地圖LBS開發(fā)平臺設(shè)計了一個用于智能輪椅的GPS導航終端。實現(xiàn)了對輪椅位置的實時定位，輪椅行進中的姿態(tài)判定。同時規(guī)劃出當前位置距離目的地的最佳路徑，并提供相應的路徑移動操作提示，從而達到為智能輪椅導航的目的。

關(guān)鍵詞： 智能輪椅； 安卓系統(tǒng)； 高德地圖； 全球定位系統(tǒng)； 定位導航

中圖分類號： TN967.1?34； TP368 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）11?0161?03

Abstract： A GPS navigation terminal applied to the intelligent wheelchair was designed by adopting Android operating system and LBS development platform of Amap. The real?time positioning of the wheelchair′s location and posture judgement while wheelchair moving were implemented. This system can plan the optimal path from the current position to the destination， and provide the corresponding prompting message for the path′s movement operation to reach the goal of intelligent wheelchair navigation.

Keywords： intelligent wheelchair； Android system； Amap； GPS； positioning and navigation

0 引 言

輪椅作為一項代步工具自面世以來一直扮演著服務老弱病殘認識的重要角色，為腿腳不便的人士提供了許多方便。人工智能技術(shù)與機器人技術(shù)在近幾年迅猛發(fā)展，使得傳統(tǒng)機械輪椅將被智能輪椅逐步替代。智能輪椅不同于傳統(tǒng)軟椅的是用智能化的操作方式代替了人工手動實現(xiàn)了對輪椅的控制，并能實現(xiàn)多模態(tài)操作。除了傳統(tǒng)的手柄操作輪椅的方式以外，加入了鍵盤按鍵操作，語音操作，自主控制等多種控制方式并能在多種控制方式之間切換。

智能輪椅導航技術(shù)是智能輪椅研究的熱點。通過智能輪椅導航技術(shù)可以為使用者的出行提供方便，特別是在服務于一些年長的老人時，當使用者獨自出行到自己不熟悉道路的地域時，智能輪椅上的GPS導航終端可以令使用者準確認識自己現(xiàn)在所處的位置。并能通過簡單的操作，使GPS終端為使用者規(guī)劃出回家的運行路徑，避免用戶出門在外迷路的風險。

具有半自主導航功能的智能輪椅能通過輪椅自帶的傳感器，識別行進環(huán)境，按照標示線行走。而后針對“go to goal”的問題提出了一系列運行策略使使用者可以在人機通信界面上標出目標點，智能輪椅可以完成運行路徑的規(guī)劃與行進指令提示[1]。而未來智能輪椅導航應該向基于網(wǎng)絡(luò)的云計算系統(tǒng)發(fā)展。通過網(wǎng)絡(luò)后臺的服務器完成對數(shù)據(jù)的處理，以實現(xiàn)路況信息的實時顯示，以及地圖的實時更新，從而實現(xiàn)更加人性化和智能化的導航。

本文對智能輪椅上的GPS導航終端進行了設(shè)計開發(fā)。首先搭建了該終端硬件系統(tǒng)，并利用高德地圖LBS開發(fā)平臺設(shè)計了軟件系統(tǒng)并闡述了主要的功能模塊，最后給出了系統(tǒng)運行的結(jié)果。

1 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)

選用一款具有多模態(tài)操作的智能輪椅，該輪椅除了傳統(tǒng)的手柄操作輪椅的方式以外，加入了鍵盤按鍵操作，語音操作，自主控制等多種控制方式并能在多種控制方式之間切換，同時引入了避障模塊可以實現(xiàn)輪椅運行過程中的自主避障。通過連接輪椅自帶的直流電源，并設(shè)計了24 V轉(zhuǎn)5 V轉(zhuǎn)換電路為該終端供電。

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

采用三星S5PV210為主控核心，這是一款基于ARM Cortex?A8內(nèi)核的高性能高集成度處理器。該芯片被廣泛用于平板電腦和上網(wǎng)本。由于其出色的處理性能，因此選其作為操作系統(tǒng)的CPU。

使用GTS?4E GPS接收模塊，這是一款基于高集成度48通道SIRF?IV芯片超高靈敏度GPS接收模塊。具有高信號捕捉能力，抗干擾能力強，低功耗等優(yōu)點。

該GPS接收機的硬件一般執(zhí)行五個步驟進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)與路徑延遲測量。這五個步驟是射頻下變頻、信號捕獲、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)時鐘恢復、衛(wèi)星時鐘復制和測量發(fā)射一接收時間信息[2]。GPS接收機的工作原理如圖1所示。

本設(shè)計中的時間差異計算是由Android操作系統(tǒng)完成的。采用多通道GPS接收機可以使設(shè)備在同一時刻接收多顆衛(wèi)星信號，并能實現(xiàn)對多顆衛(wèi)星的多普勒跟蹤，因此可以實現(xiàn)快速定位。由于射頻電路對溫度特別敏感，在布線時有意遠離PCB板上的發(fā)熱元器件。將接收器數(shù)字部分朝向PCB板數(shù)字部分，以減少底板其他電路對射頻電路的干擾。本設(shè)計采用有源天線，并且盡可能地減少連接天線線材長度以達到減少信號干擾的目的。

為了確定輪椅的運行姿態(tài)，引入了加速度傳感器、陀螺儀、磁力傳感器。并通過軟件算法能準確地得出輪椅的加速度、速度、前進方向等姿態(tài)信息。

將S5PV210核心板焊接在20 cm×15 cm的底板上。通過底板上的布線連接GPS模塊、電容屏、電池盒、開關(guān)等部件。圖2為智能輪椅GPS終端硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用Android 4.0嵌入式操作系統(tǒng)。Android平臺是在Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用于支持系統(tǒng)的底層服務[3]。Android自身集成豐富的API，并且大部分代碼開源。Android的應用框架采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計簡化了組件之間的重復使用，從而簡化了應用程序的開發(fā)[4]。

高德Android定位SDK為使用者提供了LBS定位功能，開發(fā)者可以通過相應代碼實現(xiàn)應用程序的定位功能。該SDK可以實現(xiàn)全球定位以及多種設(shè)備下的混合定位包括WiFi定位，基站定位，GPS定位。對于使用者的使用環(huán)境高德Android定位SDK能夠自主進行選擇，以更快的響應速度以及更低的耗電量實現(xiàn)精確定位功能。圖3為智能輪椅GPS終端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2 主要功能模塊

2.1 輪椅定位功能實現(xiàn)

Android SDK是進行編程使用的軟件開發(fā)工具包。本設(shè)計用高德地圖提供的Android SDK為實現(xiàn)定位導航相關(guān)功能提供開發(fā)調(diào)用接口。在申請完 API KEY和在文件AndroidManifest.xml 中添加權(quán)限以結(jié)束對工程的配置。程序在實現(xiàn)定位操作時，首先發(fā)送定位請求并注冊監(jiān)聽，期間定位程序會根據(jù)實際情況智能判斷定位的方式。通過類LocationManagerProxy實現(xiàn)相關(guān)定位功能，首先程序會發(fā)送定位請求，然后進行定位回調(diào)，定義對象AMapLocation用于接收返回位置信息。通過位置信息對象AMapLocation可獲取定位點的坐標、定位半徑、定位速度（getSpeed（））、定位方向（getBearing（））等信息。定位流程圖如圖4所示。實現(xiàn)定位功能的部分關(guān)鍵代碼如下：

2.2 輪椅姿態(tài)判定

在硬件端引入加速度傳感器、磁力傳感器。通過處理傳感器提供的各種數(shù)據(jù)，并在軟件端實施計算，從而能計算出輪椅的運行姿態(tài)，包括輪椅運動正前方，輪椅的運行加速度和速度。Android采用OpenGL ES坐標系統(tǒng)，加速度傳感器是反應軸、軸、軸受到地心引力的情況[5]。而磁力傳感器是用來檢測設(shè)備周圍磁場強度的一種傳感器。其原理是通過霍爾效應將磁場的變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出的一種方式[6]。通過處理加速度傳感器與磁力傳感器的數(shù)據(jù)可以計算出設(shè)備目前所處的東、南、西、北方位。

使用SensorManager組件的getOrientation（）函數(shù)來判斷方位。首先是在Activity的onResume函數(shù)中獲取加速度和磁力傳感器，并注冊獲得數(shù)據(jù)。當傳感器檢測到數(shù)據(jù)更新時，再由onSensorChanged函數(shù)存儲獲取的數(shù)據(jù)，并存入相應的數(shù)組里。然后通過checkOrientation計算出方位信息。最后通過在導航地圖中加入一個指南針控件，可以繪制出一個指南針圖形，并映射在定位的坐標點上以指示出輪椅的運動方向。部分關(guān)鍵代碼如下：

2.3 輪椅路徑規(guī)劃功能實現(xiàn)

本設(shè)計用高德地圖提供的Android SDK為實現(xiàn)路徑規(guī)劃相關(guān)功能提供開發(fā)調(diào)用接口。

輪椅移動的路徑規(guī)劃是使用類RouteSearch中的calculateDriveRouteAsyn（DriveRouteQuery query） 方法對起點和終點間的路徑進行規(guī)劃計算。在 RouteSearch.OnRouteSearchListener 接口回調(diào)方法 void onDriveRouteSearched（DriveRouteResult driveRouteResult，int rCode） 處理駕車路徑規(guī)劃結(jié)果。 并使用DrivingRouteOverlay畫出包括起點和終點在內(nèi)的路線圖層。路徑規(guī)劃流程圖如圖5所示，部分關(guān)鍵代碼如下：

3 系統(tǒng)運行結(jié)果

將設(shè)備調(diào)試好后安裝于智能輪椅上。利用GPS天線上的磁鐵可以將天線固定在輪椅扶手上以達到良好的信號接收效果。將輪椅置于室外開闊地以確保衛(wèi)星信號的正常接收。打開定位程序等待數(shù)秒后可以實現(xiàn)輪椅的定位功能如圖6所示。

將輪椅的朝向改變，可以發(fā)現(xiàn)地圖中所定位圖標的指向也發(fā)生改變，如圖7所示。在設(shè)定起點終點后，系統(tǒng)能繪制出起點到終點之間的規(guī)劃路徑，如圖8所示。經(jīng)過反復測試，該智能輪椅GPS終端對于衛(wèi)星信號接收良好，定位精度較高，能滿足在開闊路面情況下使用者對于智能輪椅定位導航的要求。

4 結(jié) 語

本設(shè)計借助Android嵌入式系統(tǒng)并利用國內(nèi)普及的高德GPS定位服務實現(xiàn)了對智能輪椅的定位和導航功能。使用者可以在圖形界面下設(shè)定目的地。系統(tǒng)可以規(guī)劃出當前位置與目的地之間的最佳路徑，并提供路徑提示。由于智能輪椅面對的是特殊的服務對象，在服務于年長不識路的老人時，定位導航功能的加入可以為使用者提供方便。

參考文獻

[1] 魯濤，原魁，朱海兵.智能輪椅研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機器人技術(shù)與應用，2008（2）：1?5.

[2] DOBERSTWNIN Dan.GPS接收機硬件實現(xiàn)方法[M].王新龍，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2013：62?74.

[3] 代敏.基于Android平臺下手機定位程序的設(shè)計及實現(xiàn)[J].計算機與數(shù)字工程，2012（4）：143?145.

[4] 農(nóng)麗萍，王力虎，黃一平.Android在嵌入式車載導航系統(tǒng)的應用研究[J].計算機工程與設(shè)計，2010（11）：2473?2476.

[5] 黃彬華.Android 4.X應用與開發(fā)實戰(zhàn)手冊：適用Android 4.X?2.X[M].北京：清華大學出版社，2013：301?317.

[6] 李晟暾，詹智安.Android云計算應用開發(fā)入門與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2013：272?290.