多傳感器智能輪椅的硬件系統設計

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。該系統主要包括：超聲傳感器、接近開(kāi)關(guān)、自定位傳感器、姿態(tài)傳感器和視覺(jué)傳感器。本文主要對系統構架、組件設計進(jìn)行了分析和闡述。

0 引言

智能輪椅的任務(wù)是安全、便捷地把用戶(hù)送到目的地，完成既定任務(wù)。在運動(dòng)過(guò)程中，輪椅既需要接受用戶(hù)的指令，又需結合環(huán)境信息啟動(dòng)自身避障、導航等功能模塊，與移動(dòng)機器人不同的是，在使用過(guò)程中，輪椅與用戶(hù)成為一個(gè)協(xié)同工作的系統。這就要求在設計之初就把人這個(gè)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(gè)功能多元化，能滿(mǎn)足多種層次需要的電子系統，而模塊化最能體現系統多功能化的特征，每個(gè)用戶(hù)都能根據其自身殘障類(lèi)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(guò)增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進(jìn)行改進(jìn)。本文著(zhù)重就智能輪椅模塊化設計進(jìn)行了闡述。

1 傳感器系統總體結構設計

智能輪椅的總功能可以分為以下幾個(gè)子功能：環(huán)境感知及導航功能、控制功能、驅動(dòng)功能和人機交互功能。通過(guò)對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結合具體的研究?jì)热莺推谕刂颇繕?，本系統主要由傳感器模塊、驅動(dòng)控制模塊和人機交互模塊3部分組成，硬件系統結構如圖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(guò)姿態(tài)傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過(guò)編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺(jué)、超聲波和接近開(kāi)關(guān)主要負責持續獲得周?chē)h(huán)境和障礙物的距離信息。驅動(dòng)控制模塊我們采用后輪驅動(dòng)的方式，每一個(gè)后輪配置一個(gè)電動(dòng)機，在控制器的操作下實(shí)現電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退和轉向。人機交互界面由操作桿和個(gè)人電腦界面數據輸入兩種方式，實(shí)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(gè)事件管理器;多種標準串口外設，1個(gè)SPI同步串口、2個(gè)UART異步串口、1個(gè)增強型CAN總線(xiàn)接口、1個(gè)McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉換器;56個(gè)獨立可編程、復用型、通用I/O口。能夠符合本系統設計的要求。

2 多傳感器數據采集與處理

本系統的智能輪椅有2個(gè)獨立的驅動(dòng)輪，各自配備一個(gè)電機碼盤(pán)。由2個(gè)電機碼盤(pán)的實(shí)時(shí)檢測數據構成了里程計式的相對定位傳感器，同時(shí)安裝了傾角傳感器和陀螺儀來(lái)測量輪椅在行進(jìn)過(guò)程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開(kāi)關(guān)被用于感知周?chē)h(huán)境信息。為獲取更大范圍內的障礙物信息，本系統配備了8個(gè)紅外傳感器和8個(gè)超聲波傳感器。另外安裝了一個(gè)CCD攝像頭用于判斷前方行進(jìn)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。