多傳感器的智能輪椅設(shè)計(jì)

趙曉艷 高喻達(dá) 成慧翔 李凱麗

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省晉中市 030800）

1 緒論

我國(guó)擁有著世界上最多的老年人口數(shù)，面對(duì)如此強(qiáng)大的老年人群體，老年人的行動(dòng)不便尤為突出，為了幫助他們重新走出家門(mén)，增加他們的幸福感，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大量的人力物力的大量投入我國(guó)的智能輪椅研究正處于穩(wěn)步上升階段[1]。越來(lái)越多的醫(yī)療器械的企業(yè)與科研單位參與其研究中。未來(lái)智能輪椅的發(fā)展在人機(jī)交互方面和功能的全面性方面智能輪椅讓老年人和一些殘障人士體驗(yàn)巨大便利。中國(guó)科學(xué)院研制的智能輪椅，在具備輪椅基本前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向功能的同時(shí)，還可以通過(guò)語(yǔ)音來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本文通過(guò)對(duì)智能輪椅的研究，輪椅在工作的過(guò)程中配合使用者采用多種傳感器對(duì)四周環(huán)境進(jìn)行信息采集并控制其實(shí)現(xiàn)避障的功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于使用單一傳感器所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)得到的信息是比較片面，同時(shí)單一傳感器的所提供的信息存在一定誤差；而智能輪椅要完成幫助用戶安全快捷達(dá)到目的地的任務(wù)，所處的環(huán)境信息是十分復(fù)雜的，所以在對(duì)智能輪椅的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選擇多個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)輪椅周?chē)恼系K物來(lái)提高輪椅安全性能。智能輪椅是在普通輪椅上安裝多種傳感器以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)行走控制和自主避障功能。按照輪椅的功能可以對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)：外部環(huán)境感知、主控制、動(dòng)力提供部分以及顯示報(bào)警。

3 智能輪椅硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控制器模塊

主控制器就類似于人的大腦一樣，整個(gè)智能輪椅的核心關(guān)鍵部分就是主控制器模塊，智能輪椅所需要的控制功能以及復(fù)雜的運(yùn)算都需要它來(lái)實(shí)現(xiàn)。智能輪椅主控芯片的選擇非常重要，是輪椅智能控制的關(guān)鍵，智能輪椅的工作都是通過(guò)它來(lái)控制。在這里選擇使用STC89C52 單片機(jī)。各個(gè)傳感器所收集到的信息最終都會(huì)匯聚在這里。信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后在傳輸給硬件系統(tǒng)的其他部分。循環(huán)往復(fù)完成工作。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

現(xiàn)如今電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片種類非常齊全。設(shè)計(jì)中選擇使用L298N驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片除了可以驅(qū)動(dòng)多種類電機(jī)，最常用的四步控制法來(lái)控制一個(gè)四相電機(jī)?；蛘呖赏瑫r(shí)控制兩個(gè)直流電機(jī)。相對(duì)于其他的驅(qū)動(dòng)板。它的供電電壓范圍最高可以達(dá)到36 伏。功率更強(qiáng)，電流更大?？梢越档惋柡蛪?。內(nèi)含兩個(gè)雙H 橋驅(qū)動(dòng)器。內(nèi)部具有高溫保護(hù)功能。使用先進(jìn)的PWM 技術(shù)可以提高電機(jī)工作效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的分壓調(diào)速技術(shù)。可以使電機(jī)做到充分轉(zhuǎn)動(dòng)，減少發(fā)熱量。通過(guò)單片機(jī)控制IN1 和IN2 的高低電平以及脈沖寬度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制[2]。

圖1：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

圖2：遇到障礙物調(diào)試結(jié)果

L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作時(shí)，OUT1——OUT4 分別為輸出信號(hào)端，IN1——IN4 為輸入控制端。輸入端與輸出端電平相對(duì)應(yīng)。當(dāng)IN1 為高電平時(shí)，OUT1 也同樣；反之依然。當(dāng)控制兩個(gè)電機(jī)時(shí)，IN1-IN2 控制左電機(jī)；IN3-IN4 控制右電機(jī)。所以為了控制輪椅進(jìn)行前后左右移動(dòng)，采用2 個(gè)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，如圖1 所示。

3.3 紅外避障模塊

紅外傳感器通過(guò)利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具有以下特點(diǎn)；它可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，而且還不會(huì)受到電磁波的影響；同時(shí)紅外線可以24 小時(shí)進(jìn)行測(cè)量，不受可見(jiàn)光的干擾[3]。但美中不足的是由于紅外線容易受到各種顏色的影響。所以在測(cè)量中可能會(huì)出現(xiàn)偏差。本文中所使用到的是優(yōu)信電子科技有限公司的紅外線避障傳感器。

該傳感器可在各種光照條件下正常工作。通過(guò)一對(duì)接收管和發(fā)射管共同組成。對(duì)比其他種類傳感器，它工作更加穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)距離時(shí)，只需要調(diào)節(jié)電位器即可實(shí)現(xiàn)，方便易用。可以通過(guò)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器來(lái)達(dá)到減小設(shè)定值的目的，反之則會(huì)增大。

該傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)送至控制模塊IO 口，這樣控制模塊就可以對(duì)傳輸過(guò)來(lái)信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)接通供電電壓與接地端之后。會(huì)發(fā)射一段定頻紅外線，同時(shí)LED 發(fā)光。光線反射回來(lái)被CDD 接收之后，接著電壓比較器會(huì)處理接收到的信號(hào)。信號(hào)被處理過(guò)之后，會(huì)轉(zhuǎn)換成一個(gè)低電平信號(hào)，同時(shí)LED 管變?yōu)榫G色。通常情況下黑色物體吸光能力比較強(qiáng)，會(huì)吸收大部分紅外線；只有一小部分會(huì)反射回來(lái)。因此檢測(cè)到的間距會(huì)非常小。而相對(duì)于黑色物體，白色吸光能力弱；檢測(cè)到的間距也會(huì)隨之變大。體積越大的物體反射越好；因此測(cè)得間距較遠(yuǎn)。反之，測(cè)得間距會(huì)變小。

在紅外避障模塊電路中，通過(guò)滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)模擬傳感器與障礙物之間的距離；在電壓比較器中“+”表示同向端“-”表示反向端；當(dāng)同向端電壓值大于反向端電壓時(shí)輸出高電平，同時(shí)將信號(hào)傳輸給報(bào)警模塊啟動(dòng)，反之若輸出低電壓，報(bào)警模塊則不啟動(dòng)。

3.4 超聲波測(cè)距模塊

為了避免輪椅和周?chē)矬w發(fā)生碰撞，在設(shè)計(jì)中利用超聲波來(lái)探測(cè)輪椅和周?chē)矬w之間的距離。根據(jù)聲波在空氣中傳播的時(shí)間，就能夠輕易得出距離。當(dāng)傳感器啟動(dòng)時(shí)左側(cè)探頭會(huì)向外發(fā)射一束超聲波；當(dāng)遇到不能穿透的障礙時(shí)會(huì)按照原方向扇形散射；此時(shí)右側(cè)探頭會(huì)不斷檢測(cè)是否有感應(yīng)到回來(lái)的聲波。則記錄總用時(shí)，通過(guò)公式計(jì)算距離。雖然它具有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在一些情況下還是會(huì)受到溫度濕度的影響。

采用的超聲波測(cè)距傳感器是優(yōu)信電子科技有限公司HC-SR04超聲波模塊CS100A。HC-SR04 測(cè)距范圍至少達(dá)到6 米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般超聲波測(cè)距模塊，采用CS-100A 超聲測(cè)距SOC 芯片它具有著高性能、工業(yè)級(jí)、低價(jià)格等等這些優(yōu)點(diǎn)。HC-SR04 工作電壓為直流3V-5.5V，工作電流為5.3mA。有效工作溫度范圍廣。輸出方式為GPI0，探測(cè)角度小于15 度。

調(diào)節(jié)靈敏度和感應(yīng)角度的下拉電阻，可以調(diào)節(jié)測(cè)距靈敏度與感應(yīng)角度。增大這個(gè)電阻可以得到更遠(yuǎn)的測(cè)量距離，但也會(huì)對(duì)周?chē)∥矬w的回波信號(hào)更加敏感；減小這個(gè)電阻，可以調(diào)小感應(yīng)角度，但是測(cè)量范圍會(huì)變近。

3.5 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)是在傳感器檢測(cè)到車(chē)輪與前方物體之間的距離超過(guò)危險(xiǎn)距離時(shí)開(kāi)始報(bào)警。一旦輪椅進(jìn)入到危險(xiǎn)距離之內(nèi)，單片機(jī)會(huì)在最短時(shí)間內(nèi)將信號(hào)傳給報(bào)警電路。蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀、嘀”聲響。做到提醒用戶已經(jīng)進(jìn)入到危險(xiǎn)距離。距離越近，“嘀嘀”聲會(huì)更加急促。

3.6 液晶顯示模塊

設(shè)計(jì)中加入顯示模塊，將系統(tǒng)內(nèi)部的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，用戶可通過(guò)顯示器模塊直觀的看到輪椅運(yùn)行的狀態(tài)以及輪椅與障礙物之間的距離。液晶顯示選用LM016L 字符型；在接入的過(guò)程中增加排阻作為單片機(jī)的上拉電阻使得該IO 口的初始電平為高電平。

3.7 人機(jī)接口模塊

在按鍵電路中，按鍵一端接入IO 口，另外一端接入GND。當(dāng)使用者按下按鍵之后，輸出端會(huì)給出一個(gè)低電平信號(hào)[4]。因?yàn)榘存I的輸入端會(huì)被單片機(jī)持續(xù)監(jiān)測(cè)。所以當(dāng)監(jiān)測(cè)到啟動(dòng)按鍵的低電平信號(hào)時(shí)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)停止按鍵的低電平被系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)。若使用者遇到的轉(zhuǎn)彎的情況，則可以按下左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)按鍵。電機(jī)同樣通過(guò)差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

4 系統(tǒng)仿真及調(diào)試

使用C 語(yǔ)言對(duì)主控制器已經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用Keil uVision4 軟件進(jìn)行調(diào)試，首先查看工程文件能否正常運(yùn)行，如果出現(xiàn)問(wèn)題對(duì)錯(cuò)誤和BUG 必須進(jìn)行一次次的修改和檢驗(yàn)。

當(dāng)要開(kāi)始工作后，如果監(jiān)測(cè)人機(jī)接口的啟動(dòng)鍵動(dòng)作后，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)超聲波測(cè)距模塊開(kāi)始運(yùn)行，檢測(cè)的距離會(huì)顯示在屏幕上。當(dāng)兩者間距超過(guò)給定值時(shí)，輪椅繼續(xù)前行。系統(tǒng)測(cè)距模塊循環(huán)測(cè)距。當(dāng)距離小于給定值時(shí)，報(bào)警電路開(kāi)始報(bào)警，紅外避障模塊開(kāi)始工作，兩個(gè)電機(jī)開(kāi)始差速主動(dòng)。一直往復(fù)循環(huán)直到檢測(cè)到按下停止按鍵。

通過(guò)調(diào)試對(duì)這些失誤進(jìn)行修改參數(shù)或者進(jìn)行調(diào)整，使得系統(tǒng)的性能得以提高，從而達(dá)到預(yù)先設(shè)定的功能，圖2 為遇到障礙物后的調(diào)速結(jié)果圖。

5 結(jié)論

本文的研究通過(guò)對(duì)輪椅進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以單片機(jī)控制模塊作為整個(gè)智能輪椅核心；針對(duì)輪椅在工作時(shí)對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)做到輪椅智能避障，本文在智能輪椅設(shè)計(jì)時(shí)分別設(shè)計(jì)了主控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外避障模塊、超聲波測(cè)距模塊、顯示報(bào)警模塊、人機(jī)接口模塊，結(jié)合了軟硬件進(jìn)行了仿真和調(diào)試，驗(yàn)證了輪椅的避障性能良好。未來(lái)科技的發(fā)展，完善人機(jī)交互功能，使其更加便捷和智能，例如語(yǔ)音識(shí)別等。