基于單片機(jī)的聲控智能輪椅

周炳 朱寒 趙宗月

摘 要：殘疾人出行主要靠輪椅，但是目前市場上或輪椅不夠智能，或稍微智能一點(diǎn)輪椅價(jià)格昂貴，而且目前市場上的智能輪椅的功能都不夠全面。所以基于單片機(jī)的全面智能輪椅是需要的，而且加入更能滿足殘疾人群的需要的聲控模塊，避障模塊，GPS導(dǎo)航模塊等會讓輪椅更加智能化和實(shí)用化。聲控模塊能使不熟悉輪椅操作的老年人適應(yīng)輪椅的使用；避障模塊能夠在存在盲區(qū)的情況下避免意外的發(fā)生；GPS模塊能夠讓家人隨時(shí)掌握使用人的位置，讓家人放心。

關(guān)鍵詞：語音識別模塊； 避障模塊 ；GPS模塊； 51單片機(jī)

根據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查的數(shù)據(jù)公報(bào)顯示，全國各類殘疾人總數(shù)為8296萬人，占全國總?cè)丝诘?.34%。無論是老年人還是殘疾人，由于肢體功能障礙，他們的日常生活都受到很大的制約，生存質(zhì)量和生活自由度都有很大程度的降低。不僅給家人帶來了護(hù)理負(fù)擔(dān)，還有許多方面需要不斷地求助于人。輪椅作為一種輔助代步工具，無論是老年人還是肢體功能障礙的殘疾人對其的需求都十分迫切。手動輪椅和簡的電動輪椅由于功能單一已漸漸無法滿足使用者的需求。

在前期調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)雖然市場已經(jīng)有類似本產(chǎn)品功能的產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品都沒有全面的考慮到殘疾人的需要。有的產(chǎn)品并沒有聲控功能，讓一些不熟悉操作的人很難適應(yīng)輪椅的使用；有的產(chǎn)品沒有避障的功能，這對于殘疾人來說將是一個(gè)很大的隱患，在使用輪椅的時(shí)候不可避免的存在一些盲區(qū)。

所以我們在設(shè)計(jì)聲控智能輪椅的初始就想到了這些問題并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模塊來克服這些缺點(diǎn)。所以我們不僅加入聲控功能，同時(shí)加入了行為模塊，可以使殘疾人通過手機(jī)或者其他智能設(shè)備來操作輪椅的行動。

1.智能輪椅的總體設(shè)計(jì)

智能輪椅的組成包括主要有四個(gè)模塊，即語音識別模塊，避障模塊，GPS導(dǎo)航模塊，驅(qū)動模塊。其中語音模塊檢測到的語音數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作。避障模塊利用光電傳感器探測實(shí)現(xiàn)避障。GPS導(dǎo)航模塊利用北斗雙模模塊作為定位接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。驅(qū)動模塊利用全橋驅(qū)動原理設(shè)計(jì)動力電機(jī)驅(qū)動電路和方向電機(jī)控制電路兩個(gè)部分。

2.智能輪椅的語音識別模塊

本設(shè)計(jì)中語音識別模塊起著檢測識別語音的作用，語音模塊檢測到的語音數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動作。這個(gè)模塊采用的語音識別芯片是 LD3320、語音通過麥克風(fēng)輸送到 LD3320，LD3320 將收到的語音進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后傳到單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，然后給電機(jī)驅(qū)動模塊指令，使輪椅做出相應(yīng)的反應(yīng)（啟動，關(guān)閉，前進(jìn)，后退，向左，向右等）關(guān)系圖如下圖所示

語音識別程序設(shè)計(jì)中采用中斷的工作方式，首先是進(jìn)行初始化，根據(jù)LD3320 相應(yīng)的操作，保證 LD3320 完成語音識別功能；然后寫入關(guān)鍵詞列表，不同的關(guān)鍵詞對應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的代碼，代碼可以相同，但是這個(gè)代碼的值限定在 00H-FFH，支持50 個(gè)識別代碼，每一個(gè)代碼都是標(biāo)準(zhǔn)的普通話漢語拼音，漢語拼音之間用空格隔開；將相應(yīng)的寄存器設(shè)置好了之后就可以開始語音識別，首先是設(shè)置麥克風(fēng)的輸入通道及其增益值，這個(gè)增益值可以設(shè)定為00H-7FH，一般要設(shè)置在50H左右，可以提高麥克風(fēng)的音量、從而提高識別的靈敏度，但相應(yīng)的誤識別概率也會相應(yīng)的增加，增益值越小麥克風(fēng)音量也就越小，但是其誤識別率也就比較小，而且只有近距離的情況下才能完成語的輸入，否則的話麥克風(fēng)將無數(shù)據(jù)輸入； 當(dāng)麥克風(fēng)有數(shù)據(jù)輸入，就會產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)處理信號，進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)算函數(shù)對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，得到相應(yīng)的語音數(shù)據(jù)。

3.智能輪椅的避障模塊

我們選擇四路紅外探測光電傳感器模塊為智能輪椅和機(jī)器人等自動化機(jī)械裝置提供一種多用途的紅外線探測系統(tǒng)的解決方案。它使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（可以加入遲滯電路讓它更加穩(wěn)定）作為核心器件構(gòu)中控電路。此系統(tǒng)具有多種探測功能較大的滿足各種自動化、智能化小型系統(tǒng)的應(yīng)用，并且此模塊具有易于安裝、使用簡便的特點(diǎn)。

該傳感器中的4 路分別獨(dú)立工作，工作時(shí)不受數(shù)量限制；中控板與探頭分開，安裝位置不受限制； 模塊高度≤10毫米；安全工作電壓范圍在3伏特至6伏特之間，驅(qū)動電流10-20mA。

4. GPS導(dǎo)航模塊

4.1 定位

（1）通過定位導(dǎo)航服務(wù)，確定輪椅的具體位置。

（2）定位從安全性與可靠性考慮，此項(xiàng)目采用深圳市百年科技的BD-228款GPS北斗雙模模塊，它支持北斗二代和GPS的高性能集成模塊，此模塊是單天線衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具有GPS模塊和BD模塊及混合模式共三種定位模式，能滿足全方位定位要求以及各類定位設(shè)備的需求，在一定程度上有助于提高定位的精度與穩(wěn)定性。（如圖3）

4.2 路徑規(guī)劃

（1）路徑規(guī)劃根據(jù)對環(huán)境的（局部）未知或已知分成全部路徑規(guī)劃和部分路徑規(guī)劃，全部路徑規(guī)劃方法：柵格法、自由空間法、拓?fù)浞?；部分路徑?guī)劃方法：人工勢場法、模糊邏輯算法。

（2）基于GPS定位以及超聲波避障方式的組合實(shí)現(xiàn)智能輪椅的安全行駛，勘探環(huán)境，采用這種組合方式的導(dǎo)航，能夠使輪椅更好的安全、有效的到達(dá)目的地。

（3）通過路徑規(guī)劃的比較，確定最優(yōu)路徑，之后通過語音播報(bào)告知輪椅主人的下一步路徑和安全躲避身邊障礙物的方法，安全到達(dá)目的地。

5.智能輪椅的驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊利用全橋驅(qū)動原理設(shè)計(jì)動力電機(jī)驅(qū)動電路和方向電機(jī)控制電路兩個(gè)部分。

5.1動力電機(jī)驅(qū)動電路

動力驅(qū)動由后輪驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)小車的直線方向運(yùn)動。后輪驅(qū)動電路是一個(gè)全橋驅(qū)動電路。由四個(gè)三極管組成四個(gè)橋臂， 控制四個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制后輪電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)和后退。

5.2方向電機(jī)控制電路

方向控制由前輪驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，包括左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，前輪驅(qū)動電路也是一個(gè)全橋驅(qū)動電路， 控制前輪電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，當(dāng)前輪電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車前輪朝左偏轉(zhuǎn)；反之朝右偏轉(zhuǎn)，當(dāng)前輪電機(jī)停轉(zhuǎn)，在彈簧作用下前輪被拉回到中間位置，保持直向。

6.結(jié)論

本研究完成了一種可躺、可立智能聲控輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功研制了語音控制模塊包括硬件和軟件部分，實(shí)現(xiàn)了通過聲音控制輪椅姿勢轉(zhuǎn)換和行駛。結(jié)合實(shí)驗(yàn)對輪椅的聲控性能和成功率進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該語音模塊可以較好地用于輪椅的聲控，在一定程度上方便了患者的使用。另外，此模塊可以作為后續(xù)智能導(dǎo)航的基礎(chǔ)，通過加裝超聲傳感器進(jìn)行測距、圖像傳感器進(jìn)行地形捕捉，配合語音信號控制，完成多功能智能輪椅車的自主避障與自動導(dǎo)航。

參考文獻(xiàn)：

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