多功能服務(wù)型智能老人輪椅

李家棟 鄒存芝 孫園奧 鄧小兵 楊金宇（哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150027）

隨著我國老年人和殘疾人人數(shù)的逐年增加以及社會(huì)所面臨的越來越嚴(yán)重的用工荒問題和快節(jié)奏生活方式，給社會(huì)和家庭養(yǎng)老造成了巨大的壓力。隨之家庭對老年人和殘疾人陪伴看護(hù)時(shí)間和次數(shù)逐漸減少，老年人和殘疾人出行還不方便，使老年人和殘疾人或多或少產(chǎn)生孤獨(dú)寂寞等負(fù)面情緒。輪椅是這些人的出行方式也是他們?nèi)粘Ｉ畹谋匦杵?。多功能服?wù)型智能老人輪椅系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)老年人和殘疾人的出行方便、位移記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)控等一系列人性化設(shè)計(jì)，使老年人在無人陪伴時(shí)也可以放心出門散心。

1 多功能服務(wù)型智能老人輪椅的整體框架

模塊化設(shè)計(jì)是由一個(gè)相對復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)可以單獨(dú)管理的模塊，模塊之間便能通過特定的方式進(jìn)行交互協(xié)作，為各個(gè)子模塊分配相對應(yīng)的職責(zé)和功能，并且能順利實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。本論文研究的多功能服務(wù)型智能老人輪椅根據(jù)平衡車體感設(shè)計(jì)思維方式，在現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上增加了智能檢測模塊以及輪椅驅(qū)動(dòng)模塊。其中有穩(wěn)定的底盤、環(huán)境感知、超聲波避障、輪椅驅(qū)動(dòng)方式等多個(gè)子模塊相互合作完成。還有無線通訊塊模塊，在接收到人機(jī)交互接口所傳達(dá)的的指令，從而能做出智能決策，并控制輪椅平穩(wěn)安全到達(dá)目的地，完成一系列智能行駛?cè)蝿?wù)。整體框架圖如圖1。

圖1

2 硬件系統(tǒng)

2.1 輪椅驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)輪椅的兩個(gè)前輪，通過繼電器的作用將5V 的電壓來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。四個(gè)按鈕分別為前進(jìn)按鈕，后退按鈕，左轉(zhuǎn)按鈕，右轉(zhuǎn)按鈕。兩個(gè)前輪的驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)整個(gè)多功能服務(wù)型智能老人輪椅的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)后輪在前輪的引導(dǎo)下隨之運(yùn)動(dòng)，為整個(gè)多功能服務(wù)型智能老人輪椅提供更加穩(wěn)固的平衡性。直流電機(jī)通過程序向用戶提供控制行駛的方向和行駛的速度。老年人能通過這幾個(gè)按鈕來控制行駛的方向以及前后。

2.2 超聲波避障模塊

避障的功能是通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的，超聲波傳感器的空連、觸發(fā)輸入、回波輸出，傳感器采集的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，通過單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后反饋給用戶，最遠(yuǎn)可以測得輪椅周圍五米左右的障礙物，如果障礙物的距離過近會(huì)通過喇叭提醒用戶及時(shí)避讓，并且通過指示燈對用戶提醒。環(huán)境感知模塊和電機(jī)模塊的結(jié)合，如果接近障礙物時(shí)會(huì)停止電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，保障老人的行駛安全。

2.3 環(huán)境感知模塊

采用了溫濕度傳感器DHT11 實(shí)現(xiàn)了環(huán)境感知的能力，DHT11 的數(shù)據(jù)傳輸端，將測的的數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋給單片機(jī)，DHT11 溫濕度傳感器通過內(nèi)部取值, 將反饋傳給警示模塊，將所傳達(dá)的警示功能傳達(dá)給用戶。直接進(jìn)行取值和運(yùn)算的功能,因此性能穩(wěn)定、可靠。將采集到的溫濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量,DHT11 傳感器內(nèi)含了溫濕度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能, 可以將校準(zhǔn)后的溫濕度數(shù)字送入自帶的緩存中, 進(jìn)行存儲, 待和單片機(jī)建立通訊后, 可以將這些數(shù)據(jù)送入芯片中進(jìn)行通訊。DHT11 的信號傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)快, 性價(jià)比高。溫濕度傳感器將檢測的信息通過單片機(jī)的處理將數(shù)據(jù)傳給面板顯示，為用戶提供了所需的環(huán)境信息。周圍的環(huán)境因素會(huì)直接導(dǎo)致老年人的各種決定乃至老年人的安全駕駛。老年人可以通過溫濕度傳感器提供的信息在人機(jī)交互界面查看信息，并作出自己的決定，進(jìn)一步保障了老年人的安全行駛。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

多功能服務(wù)型智能老人輪椅內(nèi)部還設(shè)計(jì)了定位功能，構(gòu)造了基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號測距的多功能服務(wù)型智能老人輪椅無線定位硬件平臺，完成多功能服務(wù)型智能老人輪椅定位算法設(shè)計(jì)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了定位模塊的可行性。在多功能服務(wù)型智能老人輪椅控制方面主要實(shí)現(xiàn)了觸摸屏和遙感雙重控制輪椅行為以及通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)有效避障的功能。其次在多功能服務(wù)型智能老人輪椅的監(jiān)控方面主要實(shí)現(xiàn)圖像的采集與顯示。本系統(tǒng)通過OV7670 圖像傳感器實(shí)現(xiàn)了對多功能服務(wù)型智能老人輪椅后方環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。還有輪椅跌倒遠(yuǎn)程警報(bào)功能。利用蘭軸加速度陀螺儀的特性實(shí)現(xiàn)了在輪椅跌倒的情況下通過智能手機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)客戶端與微處理器的通信進(jìn)行遠(yuǎn)程警報(bào)?，F(xiàn)已經(jīng)運(yùn)用CAD 技術(shù)，完成對多功能服務(wù)型智能老人輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并通過模擬完成了對所設(shè)計(jì)的多功能服務(wù)型智能老人輪椅的功能驗(yàn)證。流程圖如圖2。

圖2

4 結(jié)論

多功能服務(wù)型智能老人輪椅與普通輪椅相比具有如下幾個(gè)優(yōu)勢：

4.1 分析了多功能服務(wù)型智能老人輪椅的研究背景、目的和意義，在此基礎(chǔ)上還充分對比了國內(nèi)外智能輪椅的現(xiàn)狀和主要研究內(nèi)容并分析了現(xiàn)有研究的不足之處，提出了一種多功能智能老人輪椅的概念。

4.2 多功能服務(wù)型智能老人輪椅極大地提高了傳統(tǒng)輪椅的安全性、智能性、便利性，具有良好市場前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4.3 在多功能服務(wù)型智能老人輪椅的監(jiān)控方面主要實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)有障礙物報(bào)警功能，并及時(shí)通過電機(jī)使得輪椅停止并遠(yuǎn)離障礙物。本設(shè)計(jì)在溫濕度傳感器的監(jiān)控下能夠完成對多功能服務(wù)型智能老人輪椅周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控及反饋。并且將所采集的信息經(jīng)過智能處理之后展示給使用者。