智能輸液架的研究與設(shè)計(jì)

陳逸涵 楊尚昀 馮宇航 王思超

摘要：針對(duì)病人輸液時(shí)移動(dòng)難的問(wèn)題，提出了一款集移動(dòng)，避障，自動(dòng)跟隨病人功能為一體的智能輸液架。該智能輸液架以STM32和樹(shù)莓派為核心，以驅(qū)動(dòng)模塊，視覺(jué)模塊，避障模塊為基礎(chǔ)構(gòu)成自動(dòng)跟隨系統(tǒng)，上位機(jī)樹(shù)莓派通過(guò)yolo算法分析病人與輸液架的相對(duì)位置關(guān)系，下位機(jī)STM32控制移動(dòng)速度和方向，做到輸液架自動(dòng)跟隨病人并保持距離恒定，實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)療。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟隨;STM32;樹(shù)莓派;yolo算法;智慧醫(yī)療

目前現(xiàn)有的輸液架大都是固定的無(wú)法移動(dòng)的，少部分考慮到病人移動(dòng)難問(wèn)題的輸液架也只是簡(jiǎn)單的加上輪子或通過(guò)電機(jī)助力，并沒(méi)有從根本上解決病人移動(dòng)的問(wèn)題，還會(huì)造成鼓針等問(wèn)題。我們?cè)O(shè)計(jì)的智能輸液架利用MOSSE算法和底盤(pán)技術(shù)識(shí)別自動(dòng)跟隨病人，保證了病人在輸液的過(guò)程中的移動(dòng)。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）主控芯片

本設(shè)計(jì)的智能輸液架的主控芯片選取意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32位的STM32F103C8T6微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64KB，具有性能高，功耗低，集成度大的特點(diǎn)。

（二）底盤(pán)模塊

移動(dòng)模塊主要使用三輪全向輪底盤(pán)，三輪配置的承載能力和穩(wěn)定性都要優(yōu)于四輪配置的底盤(pán)，全向輪具有較好的承重能力，并且能夠在室內(nèi)空間里發(fā)揮最大的轉(zhuǎn)彎能力，適合于室內(nèi)的移動(dòng)。三輪全向輪移動(dòng)平臺(tái)是三輪軸線成120度角，全向輪中心分布在同一個(gè)圓上，輪子軸心指向平臺(tái)中心，每個(gè)全向輪含9個(gè)小輪。

（三）自動(dòng)跟隨模塊

自動(dòng)跟隨模塊主要由攝像頭和樹(shù)莓派器件配合運(yùn)動(dòng)模塊共同組成。由攝像頭獲取圖像通過(guò)樹(shù)莓派進(jìn)行圖像預(yù)處理后采用MOSSE算法跟蹤目標(biāo)。

（四）避障模塊

避障模塊采用超聲波模塊HC-SR04，該模塊可提供2-400cm的測(cè)量范圍，模塊由超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路三部分組成。模塊采用IO觸發(fā)測(cè)距，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波并檢測(cè)是否有信號(hào)返回;有信號(hào)返回，通過(guò)I0輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）整體功能設(shè)計(jì)

攝像頭對(duì)貼有標(biāo)簽的跟蹤目標(biāo)進(jìn)行圖像采集，將信息傳至上位機(jī)樹(shù)莓派，并利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，保持跟蹤目標(biāo)的標(biāo)簽始終位于攝像頭采集圖片的中心位置，對(duì)在目標(biāo)身上的標(biāo)簽進(jìn)行分析，不斷調(diào)整智能輸液架的角度，當(dāng)目標(biāo)標(biāo)簽偏圖像左側(cè)時(shí)說(shuō)明輸液架需要向左移動(dòng)，右側(cè)反之。若目標(biāo)標(biāo)簽在圖像中的面積變小，說(shuō)明輸液架遠(yuǎn)離了目標(biāo)。上位機(jī)樹(shù)莓派利用串口通信與下位機(jī)STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，確定與輸液架的相對(duì)位置來(lái)控制輸液架的速度、與病人的距離以及姿態(tài)方向。在識(shí)別特定病人后，不斷重復(fù)運(yùn)行上述操作，以達(dá)到實(shí)時(shí)跟隨的效果。

（二）底盤(pán)運(yùn)動(dòng)原理

為實(shí)現(xiàn)三輪底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)控制，將三輪底盤(pán)中心點(diǎn)的位移轉(zhuǎn)化為每個(gè)全向輪上各自的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步得到三輪底盤(pán)的速度和方向與三個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)速關(guān)系，整體由STM32控制三個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)速信息。

為平臺(tái)體旋轉(zhuǎn)的角速度，為逆時(shí)針?lè)较颍瑸槠脚_(tái)中心到輪子中心的垂直中心投影距離。根據(jù)速度分解可得：

（三）跟隨精度的提升與摔倒檢測(cè)

為提高跟隨精度并加入摔倒檢測(cè)功能，使用openpose對(duì)跟隨目標(biāo)人體進(jìn)行關(guān)節(jié)點(diǎn)提取，由于人體摔倒，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等動(dòng)作主要依賴于頭部，軀干，四肢的狀態(tài)，因此使用18個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)形成人體骨架圖，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)出左，右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作以達(dá)到更高的跟隨精度，并在跟蹤目標(biāo)摔倒時(shí)報(bào)警，獲得最佳搶救時(shí)間。

（四）自動(dòng)跟隨算法

視覺(jué)跟蹤在視頻處理中應(yīng)用廣泛，目標(biāo)被成功跟蹤的每一幀都提供了目標(biāo)的信息。跟蹤算法比在每幀上運(yùn)行一個(gè)對(duì)象檢測(cè)器使用更少的計(jì)算資源，因此采用基于相關(guān)濾波的跟蹤算法。目標(biāo)的初始選擇是基于第一幀中以目標(biāo)為中心的小跟蹤窗口。從此點(diǎn)開(kāi)始，跟蹤和過(guò)濾訓(xùn)練同時(shí)開(kāi)始。通過(guò)在下一幀的搜索窗口中關(guān)聯(lián)過(guò)濾器來(lái)跟蹤目標(biāo)，不斷在線更新。由于基于深度學(xué)習(xí)的跟隨算法訓(xùn)練周期長(zhǎng)，啟動(dòng)慢，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。因此選擇了基于相關(guān)濾波的MOSSE算法，實(shí)時(shí)性更好，啟動(dòng)快，部署方便。MOSSE算法可概括為以下三步：

（a）輸入圖像f，理想輸出g。變換到頻域中。

（b）尋找合適的濾波器h：利用求導(dǎo)找到最優(yōu)解。

（c）在線更新。

傳統(tǒng)自動(dòng)跟隨模塊利用超聲波傳感器，結(jié)合三邊定位算法和超聲波測(cè)距的原理，預(yù)測(cè)與跟隨目標(biāo)的相對(duì)距離，調(diào)整速度和方向信息，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨。但基于超聲波傳感器的自動(dòng)跟隨模塊更容易受外界障礙的干擾，跟隨精度更低，如果應(yīng)用于輸液架的話，很容易產(chǎn)生鼓針，出血等危險(xiǎn)情況，因此選擇基于視覺(jué)識(shí)別的精度更高的自動(dòng)跟隨模塊。

三、結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)主要是基于STM32單片機(jī)和樹(shù)莓派進(jìn)行的，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跟隨輸液病人，跟蹤精度高，檢測(cè)病人周?chē)系K物并發(fā)出提醒，病人摔倒及時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警的功能，以便病人輸液時(shí)的移動(dòng)。且本設(shè)計(jì)識(shí)別速度較快，跟蹤精度較高，具有一定的推廣價(jià)值。

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項(xiàng)目資助：天津市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：“智能輸液架的研究與設(shè)計(jì)”（項(xiàng)目編號(hào)：202110058044）。