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基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控制方法及系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:9385671閱讀:643來源:國知局
基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電動輪椅領(lǐng)域,尤其涉及一種基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控 制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會老齡化進(jìn)程的加快以及由于各種因素造成下肢損傷的殘障人數(shù)的增加, 為老年人和殘疾人提供性能優(yōu)越的代步工具已經(jīng)越來越受到社會各界人士的普遍關(guān)注。而 智能輪椅作為一種具有導(dǎo)航、避障、人機交互等多種功能服務(wù)機器人,方便了老年人和殘疾 人的日常生活,使他們重新獲得自理能力和融入社會的可能,因此開展智能輪椅相關(guān)技術(shù) 的研究具有重大的社會價值。此外,運動控制、機器視覺、模式識別、人機交互等多種機器人 研究領(lǐng)域技術(shù)的提高和發(fā)展,使得智能輪椅的交互性、自主性及安全性都得到了很大發(fā)展。 其中,在機器視覺方面,人臉識別由于其無侵害性和對用戶最簡潔、最直觀的方式使其成為 被人們廣泛接受的生物特征識別方式。而在人臉識別領(lǐng)域的眾多研究方向中,人臉朝向分 析一直是少有人涉及的領(lǐng)域,因此將人臉朝向識別和跟蹤運用到智能輪椅的運動控制中將 會是一件非常有意義的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 基于此,本發(fā)明目的在于提供一種基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控制方法 及系統(tǒng),在操縱桿控制輪椅運動方向的基礎(chǔ)上,能夠通過攝像頭采集的人臉圖像識別其朝 向,并根據(jù)其識別結(jié)果控制輪椅的運動方向,實現(xiàn)人機自然交互控制,更給老年人和殘疾人 帶來了方便。
[0004] 本發(fā)明的上述目的通過獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征實現(xiàn),從屬權(quán)利要求以另選或有 利的方式發(fā)展獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征。
[0005] 為達(dá)成上述目的,本發(fā)明提出一種基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控制方 法,該方法包括:
[0006] 響應(yīng)于使用者所選擇的手動模式或智能模式中的一種,控制輪椅運動方向;
[0007] 在手動模式下,響應(yīng)于使用者對操縱桿的操作實現(xiàn)輪椅運動方向的控制;
[0008] 在智能模式下,激活輪椅上的攝像頭,通過一控制器對從攝像頭所獲取的圖像進(jìn) 行預(yù)處理并得到人臉圖像序列,再通過邊緣檢測得到人臉圖譜,接著提取眼部圖譜并對眼 部特征利用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和識別,然后通過人臉朝向識別的結(jié)果來控制輪椅的運 動方向。
[0009] 進(jìn)一步的實施例中,前述方法更加包含:
[0010] 在手動模式或智能模式下,響應(yīng)于使用者的操作決定輪椅的運動速度。
[0011] 進(jìn)一步的實施例中,在所述智能模式下,通過所述攝像頭獲取人臉圖像時,根據(jù)輪 椅所處的環(huán)境自動補光,例如在室內(nèi)和戶外這兩種環(huán)境下光照強度不同,當(dāng)光照強度不夠 時攝像頭可自動補光。
[0012] 進(jìn)一步的實施例中,所述的圖像預(yù)處理包括對獲取圖像格式,尺寸大小的處理, 得到人臉圖像序列:先將人臉真彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像,格式統(tǒng)一為bmp格式,大小為 420*420 ;采集到的部分組人臉朝向分別為:左方、左前方、前方、右前方、右方。
[0013] 進(jìn)一步的實施例中,所述的邊緣檢測方法為基于查找的方法,該方法通過尋找圖 像一階導(dǎo)數(shù)中的最大和最小值來檢測邊界,將邊界定位在梯度最大的方向,并利用sobel 算子得到人臉的圖譜。
[0014] 進(jìn)一步的實施例中,所述的sobel算子包含兩組3*3的矩陣,分別為橫向及縱向, 將之與圖像作平面卷積,即可分別得出橫向及縱向的亮度差分近似值;如果以A代表原始 圖像,Gy及分別代表經(jīng)縱向及橫向邊緣檢測的圖像,其公式如下:
[0015]
[0016]圖像的每一個像素的橫向及縱向梯度近似值用以下的公式給合,來計算梯度G的 大小:
[0017] t
,
[0018] 然后可用以下公式計算梯度方向0 :
[0019]
[0020] 如果0等于零,即代表圖像該處擁有縱向邊緣,左方較右方暗。
[0021] 進(jìn)一步的實施例中,所述提取眼部圖譜的方法包括:將整幅圖像的畫面劃分成6 行8列,人眼的位置信息用第2行的8個子矩陣來描述,邊緣檢測后8個子矩陣中的值為 "1"的像素點個數(shù)人臉朝向有直接關(guān)系,分別統(tǒng)計出第二行的8個子矩陣中的值為"1"的像 素點即可。
[0022] 進(jìn)一步的實施例中,提取眼部圖譜并對眼部特征利用LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和識 另IJ,然后通過人臉朝向識別的結(jié)果來控制輪椅的運動方向,包括:
[0023] 從圖像庫中選取一定數(shù)量的人臉圖像并提取其眼部特征作為訓(xùn)練集數(shù)據(jù)來訓(xùn)練 LVQ網(wǎng)絡(luò),基于訓(xùn)練好的LVQ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),根據(jù)前述通過攝像頭獲取人臉圖像并提取的眼部圖 譜來進(jìn)行人臉朝向的識別,基于識別的結(jié)果控制輪椅的運動方向。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn),還提出一種基于人臉朝向識別與跟蹤的智能輪椅控制系統(tǒng), 該智能輪椅控制系統(tǒng)包括:車體、嵌入車體中的控制器模塊以及與控制器模塊相連的電源 模塊、按鍵模塊、操縱桿模塊、攝像頭模塊、電磁剎車模塊、電機驅(qū)動模塊和報警顯示模塊, 其中:
[0025] 車體包括車架,電機,以及安裝在車架上的相對設(shè)置的左右驅(qū)動后輪、左右隨動前 輪、左右防后傾輪及左右腳踏板;所述電機具有兩組,分別驅(qū)動所述相對設(shè)置的左右驅(qū)動后 輪,左右隨動前輪隨動;
[0026] 其中,控制器模塊包括DSP控制器和故障保護(hù)電路,以DSP控制器為核心,通過總 線與故障保護(hù)電路連接,并與操縱桿模塊、攝像頭模塊、按鍵模塊、報警指示模塊、電機驅(qū)動 模塊及電磁剎車模塊相連,接收操縱桿模塊、攝像頭模塊、按鍵模塊的信息,并向電機驅(qū)動 模塊傳輸運動控制命令,向電磁剎車模塊傳輸剎車控制指令,向報警指示模塊傳輸聲光報 警控制命令;
[0027] 所述電源模塊用于為智能輪椅控制系統(tǒng)供電;
[0028] 其中,所述按鍵模塊包含電源按鍵、喇叭按鍵、加、減速按鍵及模式按鍵,其中電源 按鍵用于控制系統(tǒng)的啟動和停止;喇叭按鍵對周邊行人起警示作用;加、減速按鍵用于對 輪椅運行速度的調(diào)控;模式按鍵用于控制系統(tǒng)手動模式和智能模式之間的切換;
[0029] 其中,所述操縱桿模塊包括霍爾操縱桿和STM8S903K核心電路,霍爾操縱桿輸輸 出的信號經(jīng)STM8S903K核心電路轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)信息并經(jīng)過串口傳輸至控制器模塊,實現(xiàn)通過 操縱桿對輪椅運動方向的控制;
[0030] 其中,所述攝像頭模塊作為人機交互傳感器,包含一人臉定位及跟蹤的攝像頭,采 集人臉圖像信息并傳輸至所述控制器模塊;
[0031] 其中,所述電磁剎車模塊采用型號電磁剎車,使得輪椅具有剎車功能;
[0032] 其中,所述報警指示模塊包含指示燈,顯示當(dāng)前電量和檔速信息,并根據(jù)不同故障 閃爍不同數(shù)量的LED燈起到燈光報警提示;
[0033] 其中,所述電機驅(qū)動模塊包含橋式驅(qū)動電路,用于接收所述控制器模炔基于攝像 頭所采集的人臉圖像信息而輸出的輪椅控制信號,驅(qū)動所述電機的運行。
[0034] 進(jìn)一步的實施例中,所述攝像頭模塊更加包含一補光燈和光敏元件,其中:
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