基于SPCE061A的智能輪椅避障控制系統(tǒng)設計

　　0 引 言

　　全世界人口老齡化進程正在加快，今后50年內(nèi)，60歲以上的人口比例預計將會翻一番，由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們存在不同程度的能力喪失。如行走、視力、動手及語言等。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動自由度及重新融人社會，將智能機器人技術(shù)應用于電動輪椅的智能輪椅被提了出來。智能輪椅又稱輪椅式移動機器人?？梢造`活避障是輪椅智能化的一個重要體現(xiàn)。

　　避障就是指機器人根據(jù)獲得的障礙物信息，做出相應的避障決策。本課題采用超聲波傳感器獲取機器人外部障礙物信息，再把障礙物信息傳給上位機，由上位機根據(jù)得到的障礙物信息做出相應的避障決策。

　　1 智能輪椅自主避障硬件設計

　　智能輪椅自主避障系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括多路超聲波測距模塊、微處理器模塊、D／A驅(qū)動模塊、電源模塊，如圖1所示。

　　1．1 多路超聲波測距模塊

　　本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由61單片機通過三路信號線選通多路模擬開關(guān)，由多路模擬開關(guān)負責每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時，都由61單片機的IOB9口發(fā)射出頻率為40 kHz，幅值為5 V的矩形脈沖信號，經(jīng)過信號放大電路，變成穩(wěn)定的12 V矩形脈沖信號，由超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經(jīng)過信號濾波放大集成電路，觸發(fā)61單片機中斷。由61單片機計算渡越時間，從而計算出障礙物的距離，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　1．2 微處理器模塊

　　選用臺灣凌陽16位單片機SPCE061A作為系統(tǒng)的核心，SPCE061A主要包括通用I／O端口、定時器／計數(shù)器、A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測和低電壓復位等部分，并且內(nèi)置了在線仿真電路ICE接口，SPCE061A具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴展，較強的中斷處理能力，高性能價格比，功能強、效率高的指令系統(tǒng)，低功耗、低電壓等特點。采用SPCE061A作為機器人系統(tǒng)的核心部件，由61單片機處理障礙物數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息做出相應的避障決策。使智能輪椅靈活避障。

　　1．3 D／A驅(qū)動模塊

　　系統(tǒng)采用直流永磁電動機DG一168A左右配對分別來驅(qū)動輪椅左右輪，左、右配對使用DG一168系列具有機械性能好、過載能力大、平衡性好、調(diào)速性寬闊平滑、噪音低之優(yōu)點。DG一168A電機功率為168W，使用電壓為24 V。買回來的電動輪椅本身自帶手柄控制，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，手柄部分共六條線，紅、黑、黃、褐、蘭、白，輸出四路信號。黃、褐兩路控制輪椅前進后退；蘭、白兩路控制輪椅左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)(如表1所示)。每兩路的電壓加起來要等于5V，當黃線電冶高于褐線電壓時，輪椅前進；反之輪椅后退，同理，蘭線電壓高于白線電壓時右轉(zhuǎn)；反之左轉(zhuǎn)。

　　本課題的D／A模擬電路的B1，A1，A2，B2的電壓輸出分別代替了黃、褐、蘭、白四條線的電壓輸出。所以通過兩個D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618的輸出，代替了手柄控制，具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

　　TLV5618與凌陽61單片機的3個I／0口相連，分別是數(shù)據(jù)串口DIN、時鐘信號SCLK、片選信號CS。MC1403只有3只腳有效，VDD，VSS及供給DA 2．5 V的參考電壓。

　　1．4 電源模塊

　　電路驅(qū)動模塊中用到了24 V，12 V，5 V三種電源，選用24 V，24 Ah的高能充電蓄電池作為動力能源，它為電機直接提供24 V工作電壓，12 V，5 V分別通過7812，7805芯片由24 V轉(zhuǎn)換得到。

　　2 智能輪椅自主避障軟件設計

　　系統(tǒng)軟件是在61單片機集成開發(fā)環(huán)境IDE2．O．O上開發(fā)的，該集成開發(fā)環(huán)境集程序的編輯、編譯、鏈接、調(diào)試以及仿真等功能為一體，具有友好的交互界面，使用戶的編程、調(diào)試工作更加方便且高效。

　　主程序設計如下：

　　主程序主要是通過掃描鍵盤，等候用戶指令，不在避障狀態(tài)下掃描等候，而進入避障狀態(tài)后會根據(jù)探測到的環(huán)境選擇相應的避障策略。在避障過程中若用戶按下停止鍵則退出避障循環(huán)，主程序采用鍵盤掃描，節(jié)約了61單片機的中斷資源，同時也減小了對測距的干擾，增加了智能輪椅實時避障的靈敏度。主程序流程圖如圖4所示。

　　3 實驗結(jié)果分析

　　選用實驗室外空曠環(huán)境作為輪椅運動的測試環(huán)境，對輪椅的運動進行反復測試可知，輪椅的運動最低平均速度為16 cm／s，最高平均速度為41 cm／s；轉(zhuǎn)彎半徑為50 cm左右，根據(jù)使用者對速度的要求，可以通過改變系統(tǒng)的特定參數(shù)來設置速度的范圍。

　　利用介紹的方法對智能輪椅做自主避障實驗，智能輪椅自主避障良好。

　　4 結(jié) 語

　　智能輪椅自主避障具有很重要的實用價值，本文設計的基于SPCE061A的自主避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，易于功能擴展和移植。系統(tǒng)測試結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達到實用化要求。