多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 超聲傳感器與接近開關(guān)

本超聲波測距系統(tǒng)共有8個超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分別置于輪椅四周各兩個。為了檢測到一些被超聲波傳感器遺漏或未能及時處理的障礙，還要在輪椅四周加裝四個電感式接近開關(guān)。障礙物碰到防撞橡膠圈引起金屬條發(fā)生變形，產(chǎn)生垂直方向上的位移，觸發(fā)接近開關(guān)動作，得到一個開關(guān)信號(中斷請求信號)，使移動機(jī)器人立即停止運(yùn)行。

超聲波環(huán)境探測電路主要由多路模擬開關(guān)、升壓放大電路、緩沖放大整形電路和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖2所示。

升壓放大電路和超聲波發(fā)射換能器組成了超聲波發(fā)射部分。發(fā)射過程是：首先由DSP的脈寬調(diào)制通道產(chǎn)生一定脈寬的調(diào)制脈沖波，經(jīng)變壓器升壓放大電路后產(chǎn)生一個瞬間的高能信號，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號。需要注意的是，超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會直接進(jìn)入超聲波接收端，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的虛假反射波，造成所謂的振鈴現(xiàn)象。為了避免振鈴，需要進(jìn)行軟件延時處理，從而導(dǎo)致探測盲區(qū)。在程序處理上，就是在DSP發(fā)射激勵脈沖波以后一段時間內(nèi)將相應(yīng)的CAP中斷關(guān)閉，盲區(qū)間隔過了以后再將CAP中斷打開。超聲波的接收部分必須與發(fā)射部分協(xié)調(diào)一致地工作，才能保證信號準(zhǔn)確靈敏地接收。此部分主要由超聲波接收換能器、放大濾波、整形觸發(fā)輸出電路組成。由于在超聲波傳播中，其能量會隨著傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射回的回波信號一般比較弱，所以需要經(jīng)過多級信號放大處理后才能夠被DSP中斷輸入端口檢測到。

2.2 編碼器

在智能輪椅系統(tǒng)中，除了要對環(huán)境的距離信息進(jìn)行測量，有時還要對方位信息進(jìn)行有效的觀測或者估計。對于大多數(shù)的室內(nèi)移動機(jī)器人系統(tǒng)而言，方位信息一般是通過碼盤信息間接估計得出的，本系統(tǒng)也采用這種方法。通過計算從碼盤讀出的信息得出結(jié)果，代價是需要一定的計算時間。

在TMS324LF2407A芯片上有兩個時間管理模塊(EV)，每個EV模塊都有一個正交編碼脈沖電路，使用該電路后，在兩個相應(yīng)引腳上即可輸入正交編碼脈沖。該電路可用于連接光電碼盤以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息，但需要注意的是，此時必須禁止相應(yīng)引腳上的捕獲功能。

正交編碼脈沖電路的時序可由通用定時器2(或通用定時器4，EVB模塊)提供，通用定時器必須設(shè)置成定向增/減模式，并且以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。

正交編碼脈沖是兩個頻率變化且正交(相位相差90°)的脈沖，它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生，碼盤在電機(jī)軸上并且有許多空線槽，可以透光，當(dāng)電機(jī)帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，如果發(fā)光二極管發(fā)出的光被擋住，那么后面的光電傳感器就接收不到信號，然后光電傳感器發(fā)出一個低電平脈沖，即“0”，如果旋轉(zhuǎn)位置正好使得光源可以透光線槽，那么光電傳感器感應(yīng)到信號，就發(fā)出一個高電平脈沖，即“1”。

正交編碼脈沖電路的方向檢測邏輯決定了兩個脈沖序列中哪一個是先導(dǎo)序列，接著它就產(chǎn)生方向信號作為通用定時器的計數(shù)方向輸入，兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交脈沖編碼電路計數(shù)，因此，產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2或4的輸入時鐘。圖3給出了正交編碼脈沖、增減計數(shù)方向及時鐘的波形。