Thiết kế và thực hiện xe lăn điện điều khiển bằng mắt

Design and implementation of an eye-gaze controlled electric wheelchair

PGS.TS. Huỳnh Thái Hoàng Trường Đại học Bách Khoa TPHCM  *  E-Mail: ngvana@gmail.com

Phản biện 1: TS. Phạm Minh Tuấn, Viện Công  nghệ Vũ trụ , Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Phản biện 2: PGS. TS. Tạ Cao Minh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt

Bài báo trình bày một thiết kế mới xe lăn điện điều khiển bằng mắt giúp hỗ trợ người khuyết tật và người già di chuyển. Xe lăn được truyền động dùng hai động cơ DC không chổi than gắn vào hai bánh xe sau, vận tốc động cơ được điều khiển PID bằng mạch công suất dựa trên vi điều khiển. Xe lăn được trang bị các loại cảm biến như encoder, la bàn điện tử, GPS và cảm biến siêu âm để định vị và phát hiện chướng ngại vật. Thông tin từ các cảm biến sẽ được xử lý kết hợp với hướng nhìn của mắt giúp người sử dụng điều khiển xe lăn bằng mắt dễ dàng, linh hoạt và an toàn. Một camera được lắp đặt phía trước ghế ngồi của xe lăn để thu ảnh mặt người sử dụng. Kỹ thuật xử lý ảnh được sử dụng để tách ra vùng chứa ảnh mắt người. Mạng thần kinh với ngõ vào là các đặc trưng đặc trưng PCA của ảnh mắt được sử dụng để xác định hướng nhìn của mắt. Một giao thức điều khiển tiện dụng được đưa ra giúp người sử dụng thay đổi tín hiệu đặt vận tốc tới và vận tốc xoay của xe lăn, giúp người sử dụng điều khiển dễ dàng và linh hoạt tương tự như dùng cần điều khiển. Kết quả thử nghiệm cho thấy xe lăn điều khiển bằng mắt hoạt động tốt, an toàn trong nhà cũng như ngoài trời.

Abstract:

The paper presents the design and implemetation of a new eye-gaze controlled eletric wheelchair for disabled and elderly people who have difficulty in mobility.  The wheelchair is driven by two brushless DC motors attached to the rear wheels, the velocity of the motors are PID-controlled by microcontroller-based power circuits. The wheelchair is equiped with different types of sensors such as encoder, electronic compass, GPS sensor and ultra-sonic sensors for positioning and obstacle detection. Information from the sensors will be processed and combined with eye gaze to help the user control the wheelchair easily, flexibly and safely. A camera is installed in front of the wheelchair to capture the user's face. Image processing techniques are employed to extract the eye regions. Neural networks with the input being the PCA features of the eye images are used to determine the eye gaze. A convinient control protocol is developed to allow the user change the desired forward velocity and rotational velocity of the wheelchair in the same way as to use a joytick. Experiment results show that the wheelchair operates well and safely in indoor and outdoor enviroment.

1.      Giới thiệu

Những năm gần đây, nhiều dự án nghiên cứu xe lăn thông minh đã được các nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện nhằm mục đích chế tạo ra loại xe lăn điều khiển tự động tiện dụng, an toàn, thân thiện với người sử dụng, góp phần giúp người khuyết tật và người già hòa nhập với cuộc sống cộng đồng dễ dàng hơn, từ đó giảm nhẹ gánh nặng cho xã hội. Xe lăn thông minh phải có giao tiếp thân thiện với người dùng, có khả năng trợ giúp hoạch định đường đi và tự động điều khiển giúp người sử dụng xe lăn không phải liên tục ra lệnh điều khiển trong quá trình di chuyển, có khả năng phát hiện và cảnh báo rủi ro trong quá trình di chuyển.

Một trong những hướng nghiên cứu xe lăn thông minh là phát triển giao tiếp điều khiển xe lăn bằng mắt để hỗ trợ những người không thể sử dụng cần điều khiển bằng tay. Nghiên cứu [1] thiết kế xe lăn điều khiển bằng mắt, trong đó hướng nhìn được xác định bằng cách đo điện mắt. Việc đo điện mắt rất bất tiện vì phải gắn nhiều điện cực quanh mắt của người sử dụng. Tiếp cận xác định hướng nhìn theo cách xử lý hình ảnh, các công trình [2-4] thiết kế các xe lăn điều khiển bằng mắt sử dụng camera đội đầu để thu ảnh mắt. Thiết kế này nhằm thu được ảnh mắt có độ phân giải cao, giảm ảnh hưởng bởi nhiễu nhờ đó dễ dàng hơn trong việc xử lý ảnh để xác định hướng nhìn. Tuy nhiên, phương án thiết kế này cũng gây khó chịu cho người sử dụng vì lúc nào cũng phải mang một camera gắn vào vào nón đội đầu. Gần đây, công trình nghiên cứu [5] điều khiển xe lăn bằng mắt sử dụng camera gắn cố định vào khung xe ở phía trước người sử dụng. Camera cận hồng ngoài (Near Infrared camera) được sử dụng để thu ảnh mặt người, nhờ đó mà vị trí con ngươi được xác định dễ dàng, từ đó có thể xác định được hướng nhìn của mắt để ra lệnh điều khiển xe lăn.

Bài báo này đề xuất một thiết kế mới cho xe lăn điện điều khiển bằng mắt sử dụng webcam thông thường gắn cố định vào khung xe để thu ảnh mặt người. Phần cứng của xe lăn gồm động cơ không chổi than, các

Số 146 (3/2013)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay