多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設計

摘要：為了提高智能輪椅在復雜環(huán)境下獲取有效信息的能力，提出了一種基于DSP的多傳感器數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括：超聲傳感器、接近開關、自定位傳感器、姿態(tài)傳感器和視覺傳感器。本文主要對系統(tǒng)構架、組件設計進行了分析和闡述。

0 引言

智能輪椅的任務是安全、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務。在運動過程中，輪椅既需要接受用戶的指令，又需結合環(huán)境信息啟動自身避障、導航等功能模塊，與移動機器人不同的是，在使用過程中，輪椅與用戶成為一個協(xié)同工作的系統(tǒng)。這就要求在設計之初就把人這個因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應成為智能輪椅設計中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設計為一個功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統(tǒng)，而模塊化最能體現系統(tǒng)多功能化的特征，每個用戶都能根據其自身殘障類型和程度選擇適當的模塊集成，且設計者可以在現有基礎上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進行改進。本文著重就智能輪椅模塊化設計進行了闡述。

1 傳感器系統(tǒng)總體結構設計

智能輪椅的總功能可以分為以下幾個子功能：環(huán)境感知及導航功能、控制功能、驅動功能和人機交互功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結合具體的研究內容和期望控制目標，本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、驅動控制模塊和人機交互模塊3部分組成，硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構成，通過姿態(tài)傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺、超聲波和接近開關主要負責持續(xù)獲得周圍環(huán)境和障礙物的距離信息。驅動控制模塊我們采用后輪驅動的方式，每一個后輪配置一個電動機，在控制器的操作下實現電動輪椅的前進、后退和轉向。人機交互界面由操作桿和個人電腦界面數據輸入兩種方式，實現基本的人機交互功能。

其中，數據采集單元擬選擇DSP TMS320LF2407A作為傳感器模塊的控制芯片。TMS320LF2407A是一款高性能的數字信號處理器，它具有較高的頻率，豐富的外圍接口。它的主頻可達150MHz、低功耗(核電壓1.8V，I/O電壓3.3V);128kXl6位片上FLAsH，18kXl6位片上SRAM，4kXl6位片上ROM;用于電機控制的外設，2個事件管理器;多種標準串口外設，1個SPI同步串口、2個UART異步串口、1個增強型CAN總線接口、1個McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉換器;56個獨立可編程、復用型、通用I/O口。能夠符合本系統(tǒng)設計的要求。

2 多傳感器數據采集與處理

本系統(tǒng)的智能輪椅有2個獨立的驅動輪，各自配備一個電機碼盤。由2個電機碼盤的實時檢測數據構成了里程計式的相對定位傳感器，同時安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進過程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開關被用于感知周圍環(huán)境信息。為獲取更大范圍內的障礙物信息，本系統(tǒng)配備了8個紅外傳感器和8個超聲波傳感器。另外安裝了一個CCD攝像頭用于判斷前方行進路程中的深度信息。

以下依次介紹上面幾種傳感器的硬件設計方案。