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专利名称：一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210679391.9

专利申请（专利权）人：东南大学
权利人地址：江苏省南京市玄武区四牌楼2号

专利发明（设计）人：崔建伟,崔林威,尚宇成,黄子正,颜秉雁,杜韩

专利摘要：本发明公开了一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统；其中数据中转云平台包括用户、轮椅列表管理和控制、感知权限管理，实现多个轮椅的集中管理；嵌入式处理器通过WIFI通信模块与云平台对接，实现轮椅感知数据上云，并接收云平台下发的控制指令；开发手机APP程序，可向云平台发送控制数据包，结合嵌入式处理器实现轮椅的远程控制，同时，手机APP可查看轮椅实时状态，包括姿态角、定位和速度信息，以及环境信息，包括温度、湿度、灯光亮度等。本发明结合手机和云平台，数据收发的安全性和稳定性更高，同时有助于实现监护人对多台轮椅的远程监控和控制，提高传统轮椅的智能性和人机交互性能。

主权利要求：
1.一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统，其特征在于：包括远程交互界面、数据中转云平台和终端轮椅系统；
所述远程交互界面包括控制界面和数据界面：控制界面用于控制使用者名下的多台轮椅，包括轮椅编号和控制按钮，控制按钮具体包括脚踏板升起和降下按钮，靠背升起和降下按钮，轮椅前进、后退和停止按钮，左转弯和右转弯方向控制旋钮，移动速度加、减按钮；数据界面查看多台轮椅的状态信息，包括轮椅的经/纬度定位信息、速度信息、姿态角信息、轮椅安全状态，以及环境信息，包括温/湿度、轮椅安装的照明装置亮度；
所述数据中转云平台，包括用户管理、轮椅管理、远程控制子系统、远程感知子系统和权限子系统模块：
（1）用户管理，云平台维护了一份包含N个用户的用户列表，包括用户名和其名下的多台轮椅，用户名按照在云平台上的注册顺序进行排序；
（2）轮椅管理，云平台维护了一份轮椅列表，并与用户名进行绑定，且每名用户可在上述云平台上绑定m台轮椅；
（3）远程控制子系统，该系统包含对数据的接收、解析、转发三个模块，数据接收模块负责接收来自远程交互界面发出的控制指令，解析模块解析出发送控制指令的用户名、待控制的轮椅编号以及待执行的指令，然后转发至终端轮椅，完成对指定轮椅的控制；轮椅使用者利用远程交互界面发送针对某一编号轮椅的控制指令，远程控制子系统负责解析控制指令并下发至终端轮椅；
（4）远程感知子系统负责接收终端轮椅发送的感知数据包并转发给手机，该系统包含数据接收、解析、转发三个模块，数据接收模块负责终端轮椅系统发送的感知数据，解析模块解析出轮椅编号和感知数据，并查询用户列表和轮椅列表，获得该轮椅的使用者信息，最后利用转发模块将感知数据发送至使用者的远程交互界面，完成感知数据的实施更新；
（5）权限子系统，用以确定用户是否有控制权限以及接收感知数据的权限；该系统包含执行以下两级权限查询；第一级权限会查找用户列表和轮椅列表，判断用户名所有的轮椅列表中是否存在该轮椅编号，当满足该权限时会进入下一级判断；第二级权限则是判断轮椅当前状态是否支持执行控制指令，具体判断方式如下：1）轮椅速度不为0，此时脚踏板升起和降下指令，靠背升起和降下指令无法执行；2）轮椅在执行脚踏板、靠背控制指令的过程中，轮椅前进、后退和停止指令，左转弯和右转弯方向控制指令，移动速度加、减指令不可执行；如果符合第一级权限和第二级权限，此时远程控制子系统的转发模块将控制指令发送至远程轮椅。
2.根据权利要求1所述的一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统，其特征在于：所述终端轮椅系统，包括嵌入式处理器、通信模块、驱动模块、传感器模组和蓄电池，其中嵌入式处理器利用通信模块连接云平台，接收来自云平台的控制指令，向云平台发送感知数据；轮椅靠背和脚踏板安装有升降装置，嵌入式处理器利用驱动模块驱动升降装置实现靠背和脚踏板的升降，驱动移动轮实现移动速度和方向的控制，驱动照明装置实现照明控制；嵌入式处理器利用传感器模组采集轮椅状态信息和环境信息，具体包括轮椅的经纬度定位信息、速度信息、姿态角以及环境温度、湿度和LED照明灯的光照强度；蓄电池为系统供电。
3.根据权利要求1所述的一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统的远程控制流程，其特征在于：包括以下步骤：
用户在远程交互界面点击控制按钮后，向云平台的后台发送控制数据包，控制数据包包括：用户信息、轮椅编号和控制指令；云平台的远程控制子系统在接收到控制数据包后，解析数据包获得用户信息和轮椅编号，查询用户列表和轮椅列表，如果权限匹配则向对应编号的轮椅发送控制指令；轮椅端的嵌入式处理器接收到控制指令后，利用驱动模块完成轮椅的模块控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统的远程感知流程，其特征在于：包括以下步骤：
轮椅侧的嵌入式处理器实时采集轮椅的状态信息和环境信息，并实时发送到云平台，感知数据包括轮椅的经度、纬度、速度、翻滚角、俯仰角、偏航角以及温度、湿度和灯光强度数据；云平台的远程感知模块接收到数据后，发送给手机，从而完成数据的实时更新。
5.根据权利要求4所述的一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统的远程感知流程，其特征在于：所述轮椅侧的通信模块采用WIFI模块。 说明书 : 一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统技术领域[0001] 本发明属于智能设备控制与感知领域，具体涉及一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统。背景技术[0002] 我国老龄化问题日益严峻，正在逐步转变为老龄社会，老年人和残障人士的生活自理问题日益突出。目前老年人和残障人士多采用传统的无动力式轮椅和电动式轮椅，在面对复杂的室外环境时，仅依靠使用者无法保障安全出行，无法满足使用者的出行需求；同时轮椅使用者的监护人也无法远程获取轮椅的位置信息、安全状态等重要信息，因此有必要开发智能轮椅，提高轮椅的使用体验和信息交互性能。[0003] 近年来，智慧城市、物联网技术发展迅速，相关的感知硬件也得以快速发展，各式传感器在轮椅上得到了应用，包括摄像头、超声波雷达、激光雷达、IMU等智能硬件，使得轮椅各模块的功能趋向于智能化，设备变得更加智能，人机交互性能也得到了进一步的提高。但还存在一些不足：轮椅作为老年人、残障人士的重要出行工具，他们在独自使用时，监护人无法远程获取轮椅的状态信息，使用安全得不到保证；部分老年人手部力量不足，无法利用操纵杆或按动遥控器实现轮椅的移动控制、靠背控制等，我们可以结合云平台、触屏以及多种传感器实现轮椅的远程控制和信息感知，从而提升轮椅的使用体验。发明内容[0004] 为解决上述问题，本发明公开了一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统，结合手机和云平台，数据收发的安全性和稳定性更高，同时有助于实现监护人对多台轮椅的远程监控和控制，提高传统轮椅的智能性和人机交互性能。[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：[0006] 一种基于云服务的轮椅集群远程感知与控制系统，包括远程交互界面、数据中转云平台和终端轮椅系统。[0007] 进一步的，所述远程交互界面包括控制界面和数据界面：控制界面用于控制使用者名下的多台轮椅，包括轮椅编号和控制按钮，控制按钮具体包括脚踏板升起和降下按钮，靠背升起和降下按钮，轮椅前进、后退和停止按钮，左转弯和右转弯方向控制旋钮，移动速度加、减按钮；数据界面可以查看多台轮椅的状态信息，包括轮椅的经/纬度定位信息、速度信息、姿态角信息、轮椅安全状态，以及环境信息，包括温/湿度、轮椅安装的照明装置亮度。[0008] 进一步的，所述数据中转云平台，包括用户管理、轮椅管理、远程控制子系统、远程感知子系统和权限子系统模块：[0009] （1）用户管理，云平台维护了一份包含N个用户的用户列表，包括用户名和其名下的多台轮椅；[0010] （2）轮椅管理，云平台维护了一份轮椅列表，并与用户名进行绑定；[0011] （3）远程控制子系统，轮椅使用者利用远程交互界面发送针对某一编号轮椅的控制指令，远程控制子系统负责解析控制指令并下发至终端轮椅；[0012] （4）远程感知子系统，负责接收终端轮椅发送的感知数据包，并转发给手机；[0013] （5）权限子系统，用以确定用户是否有控制权限以及接收感知数据的权限。[0014] 进一步的，所述终端轮椅系统，包括嵌入式处理器、通信模块、驱动模块、传感器模组和蓄电池，其中嵌入式处理器利用通信模块连接云平台，接收来自云平台的控制指令，向云平台发送感知数据；轮椅靠背和脚踏板安装有升降装置，嵌入式处理器可利用驱动模块驱动升降装置实现靠背和脚踏板的升降，驱动移动轮实现移动速度和方向的控制，驱动照明装置实现照明控制；嵌入式处理器利用传感器模组采集轮椅状态信息和环境信息，具体包括轮椅的经纬度定位信息、速度信息、姿态角（俯仰角、翻滚角、偏航角），以及环境温度、湿度和LED照明灯的光照强度；蓄电池为系统供电。[0015] 一种基于云服务的轮椅集群的远程控制流程，包括以下步骤：[0016] 用户在远程交互界面点击控制按钮后，向云平台的后台发送控制数据包，控制数据包包括：用户信息、轮椅编号和控制指令；云平台的远程控制子系统在接收到控制数据包后，解析数据包获得用户信息和轮椅编号，查询用户列表和轮椅列表，如果权限匹配则向对应编号的轮椅发送控制指令；轮椅端的嵌入式处理器接收到控制指令后，利用驱动模块完成轮椅的模块控制；[0017] 一种基于云服务的轮椅集群的远程感知流程，包括以下步骤：[0018] 轮椅侧的嵌入式处理器实时采集轮椅的状态信息和环境信息，并实时发送到云平台，感知数据包括轮椅的经度、纬度、速度、翻滚角、俯仰角、偏航角以及温度、湿度和灯光强度数据；云平台的远程感知模块接收到数据后，发送给手机，从而完成数据的实时更新；[0019] 进一步的，所述轮椅侧的通信模块采用WIFI模块。[0020] 本发明的有益效果为：[0021] 1、本方法采用基于云服务的物联网轮椅远程感知与控制系统，用户在手机上采用触摸的形式控制轮椅的脚踏板、靠背和轮椅的移动，是对操纵杆或者遥控器控制方式的补充，能够提升轮椅的使用体验。[0022] 2、本方法采用基于云服务的物联网轮椅远程感知与控制系统，借助云平台，监护人在手机上监控家庭多台轮椅的状态，并下发远程协助指令，进一步提高了轮椅使用的安全性。附图说明[0023] 图1为本发明的系统结构图。[0024] 图2为本发明所述的远程交互界面图。[0025] 图3为本发明所述的云平台的多用户管理示意图。[0026] 图4为本发明所述的嵌入式处理器控制与感知结构图。[0027] 图5为本发明的控制指令图。[0028] 图6为本发明的远程控制图。[0029] 图7为本发明的感知数据图。[0030] 图8为本发明的远程感知图。具体实施方式[0031] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。[0032] 一、如图所示，本发明中远程交互界面和轮椅之间的控制指令和感知数据，均通过数据中转云平台进行间接传输，实现远程交互。[0033] 数据中转云平台，包括用户管理、轮椅管理、远程控制子系统、远程感知子系统和权限子系统等模块。[0034] （1）用户管理，云平台维护了一份包含N个用户的用户列表，包括用户名和其名下的多台轮椅，用户名按照在云平台上的注册顺序进行排序；[0035] （2）轮椅管理，云平台维护了一份轮椅列表，并与用户名进行绑定，每个用户最多可在云平台绑定m辆轮椅；[0036][0037] （3）远程控制子系统，包括数据接收、解析、转发三个部分，数据接收模块负责接收远程交互界面发送的控制指令，解析模块解析出发送控制指令的用户名、待控制的轮椅编号以及待执行的指令，然后转发至终端轮椅，完成指定轮椅的控制。[0038] （4）远程感知子系统，包括数据接收、解析、转发三个部分，数据接收模块负责终端轮椅系统发送的感知数据，解析模块解析出轮椅编号和感知数据，并查询用户列表和轮椅列表，获得该轮椅的使用者信息，最后利用转发模块将感知数据发送至使用者的远程交互界面，完成感知数据的实施更新。[0039] 负责接收终端轮椅发送的感知数据包，并转发给手机；[0040] （5）权限子系统，包括控制权限模块和感知权限模块，控制权限模块用以确定发送控制指令的用户是否有控制权限，远程控制子系统的解析模块在解析出用户名、待控制的轮椅编号以及待执行的指令后，执行以下两级权限查询：[0041] 权限1，查找用户列表和轮椅列表，判断用户名所有的轮椅列表中是否存在该轮椅编号，如果存在则转至第二级权限；[0042] 权限2，轮椅当前状态是否支持执行控制指令，具体如下：1）轮椅速度不为0，此时脚踏板升起和降下指令，靠背升起和降下指令无法执行；2）轮椅在执行脚踏板、靠背控制指令的过程中，轮椅前进、后退和停止指令，左转弯和右转弯方向控制指令，移动速度加、减指令不可执行；[0043] 如果符合权限1和权限2，此时远程控制子系统的转发模块将控制指令发送至远程轮椅。[0044] 感知权限模块用以保证轮椅的感知信息只有轮椅的所有人可以看到，具体权限为：远程感知子系统的解析模块解析出轮椅编号后，查询用户列表和轮椅列表，获得轮椅的使用者信息，对于其他使用者则没有权限接收感知信息。[0045] 二、轮椅远程控制[0046] 轮椅远程控制包括轮椅脚踏板、靠背、移动速度、方向和照明控制，本发明设计了基于数据交互云平台和远程交互界面的多台轮椅远程控制。用户利用远程交互界面发送控制指令至云平台，嵌入式处理器接收云平台的数据，执行控制指令。[0047] 1、每个轮椅所有者名下包括多台轮椅，云平台负责对轮椅进行编号，所有者可以在远程交互界面看到其名下的轮椅编号；[0048] 2、所使用的轮椅上安装有2个脚踏板，2个脚踏板连接有升降装置1，采用驱动模块1进行驱动，实现脚踏板的升、降；[0049] 靠背连接有升降装置2，采用驱动模块2进行驱动，实现靠背的升、降；[0050] 轮椅安装有2个移动轮，分别使用驱动模块3和驱动模块4驱动；[0051] 3、嵌入式处理器安装有通信模块，可与云平台进行双向的数据交互。[0052] 4、操作者使用的手机安装有远程交互界面，用于控制使用者名下的多台轮椅，包括轮椅编号和控制按钮，轮椅编号为手机可控制的多台轮椅序号，控制按钮具体包括脚踏板升起和降下按钮，靠背升起和降下按钮，轮椅前进、后退和停止按钮，左转弯和右转弯方向控制旋钮，移动速度加、减按钮；[0053] 5、用户在远程交互界面点击控制按钮后，向云平台的后台发送控制数据包，控制数据包包括：用户信息、轮椅编号和控制指令；云平台的远程控制子系统在接收到控制数据包后，解析数据包获得用户信息和轮椅编号，查询用户列表和轮椅列表，如果权限匹配则向对应编号的轮椅发送控制指令；轮椅端的嵌入式处理器接收到控制指令后，利用驱动模块完成轮椅的模块控制；如图5所示。[0054] 6、嵌入式处理器利用驱动模块完成轮椅各模块的控制，其中：[0055] （1）脚踏板升、降控制：嵌入式处理器向驱动模块1发送两路驱动信号AB，控制脚踏板升降装置。如果AB=01，表示脚踏板升起，如果AB=10，表示脚踏板降下，如果AB=00，表示脚踏板停止移动；[0056] （2）靠背升降控制：嵌入式处理器向驱动模块2发送两路驱动信号CD，控制靠背升降装置。如果CD=01，表示靠背升起，如果CD=10，表示靠背降下，如果CD=00，表示靠背停止移动；[0057] （3）轮椅方向控制，采用差速控制，在手机APP界面旋转转向按钮后，嵌入式处理器根据转弯的角度，利用驱动模块3和驱动模块4分别控制2个移动轮的速度，利用差速实现不同方向角的控制；[0058] （4）轮椅速度控制：包括不同的挡位，挡位从低到高速度依次递增，使用者在远程交互界面点击加、减后可切换挡位，同时设置阈值速度。[0059] （5）轮椅照明控制：嵌入式处理器利用驱动模块5，输入控制电平，控制照明装置的亮灭。如图6所示。[0060] 三、轮椅远程感知[0061] 轮椅远程感知包括自身状态的感知和环境感知两部分。[0062] 1、轮椅上安装有传感器模组，具体包括状态感知传感器和环境感知传感器。[0063] 状态感知传感器包括GPS传感器和陀螺仪传感器，GPS传感器用于监控轮椅实时的经、纬度定位信息和移动速度，陀螺仪传感器用于监控轮椅移动过程中的姿态角，包括俯仰角、翻滚角和偏航角；[0064] 2、环境感知传感器包括温湿度传感器、光照传感器，其中光照传感器用于监控照明装置的亮度，温湿度传感器用于监控轮椅所处环境的温湿度信息；[0065] 3、轮椅侧的嵌入式处理器驱动传感器模组，实时采集轮椅的状态信息和环境信息。完成感知数据包的封装，包括轮椅编号、轮椅的经度、纬度、速度、翻滚角、俯仰角、偏航角以及温度、湿度和灯光强度数据；如图7所示。[0066] 4、嵌入式处理器利用WIFI模块将感知数据发送至云平台，手机APP获取云平台的内容，实现数据的实时更新。如图8所示。[0067] 需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2022-06-16

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115047801B