基于SPCE061A的智能輪椅避障控制系統設計

　　0 引 言

　　全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后50年內，60歲以上的人口比例預計將會(huì )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(dòng)手及語(yǔ)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(dòng)自由度及重新融人社會(huì )，將智能機器人技術(shù)應用于電動(dòng)輪椅的智能輪椅被提了出來(lái)。智能輪椅又稱(chēng)輪椅式移動(dòng)機器人?？梢造`活避障是輪椅智能化的一個(gè)重要體現。

　　避障就是指機器人根據獲得的障礙物信息，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的硬件結構主要包括多路超聲波測距模塊、微處理器模塊、D／A驅動(dòng)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采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時(shí)，由61單片機通過(guò)三路信號線(xiàn)選通多路模擬開(kāi)關(guān)，由多路模擬開(kāi)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(shí)，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(guò)信號放大電路，變成穩定的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(guò)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(shí)間，從而計算出障礙物的距離，總體結構框圖如圖2所示。

　　1．2 微處理器模塊

　　選用臺灣凌陽(yáng)16位單片機SPCE061A作為系統的核心，SPCE061A主要包括通用I／O端口、定時(shí)器／計數器、A／D轉換器、D／A轉換器、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監測和低電壓復位等部分，并且內置了在線(xiàn)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(jià)格比，功能強、效率高的指令系統，低功耗、低電壓等特點(diǎn)。采用SPCE061A作為機器人系統的核心部件，由61單片機處理障礙物數據信息，并根據數據信息做出相應的避障決策。使智能輪椅靈活避障。

　　1．3 D／A驅動(dòng)模塊

　　系統采用直流永磁電動(dòng)機DG一168A左右配對分別來(lái)驅動(dòng)輪椅左右輪，左、右配對使用DG一168系列具有機械性能好、過(guò)載能力大、平衡性好、調速性寬闊平滑、噪音低之優(yōu)點(diǎn)。DG一168A電機功率為168W，使用電壓為24 V。買(mǎi)回來(lái)的電動(dòng)輪椅本身自帶手柄控制，經(jīng)研究發(fā)現，手柄部分共六條線(xiàn)，紅、黑、黃、褐、蘭、白，輸出四路信號。黃、褐兩路控制輪椅前進(jìn)后退；蘭、白兩路控制輪椅左轉右轉(如表1所示)。每?jì)陕返碾妷杭悠饋?lái)要等于5V，當黃線(xiàn)電冶高于褐線(xiàn)電壓時(shí)，輪椅前進(jìn)；反之輪椅后退，同理，蘭線(xiàn)電壓高于白線(xiàn)電壓時(shí)右轉；反之左轉。

　　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(xiàn)的電壓輸出。所以通過(guò)兩個(gè)D／A轉換器TLV5618的輸出，代替了手柄控制，具體轉換電路如圖3所示。

　　TLV5618與凌陽(yáng)61單片機的3個(gè)I／0口相連，分別是數據串口DIN、時(shí)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

　　電路驅動(dòng)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(dòng)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(guò)7812，7805芯片由24 V轉換得到。

　　2 智能輪椅自主避障軟件設計

　　系統軟件是在61單片機集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE2．O．O上開(kāi)發(fā)的，該集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集程序的編輯、編譯、鏈接、調試以及仿真等功能為一體，具有友好的交互界面，使用戶(hù)的編程、調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(guò)掃描鍵盤(pán)，等候用戶(hù)指令，不在避障狀態(tài)下掃描等候，而進(jìn)入避障狀態(tài)后會(huì )根據探測到的環(huán)境選擇相應的避障策略。在避障過(guò)程中若用戶(hù)按下停止鍵則退出避障循環(huán)，主程序采用鍵盤(pán)掃描，節約了61單片機的中斷資源，同時(shí)也減小了對測距的干擾，增加了智能輪椅實(shí)時(shí)避障的靈敏度。主程序流程圖如圖4所示。

　　3 實(shí)驗結果分析

　　選用實(shí)驗室外空曠環(huán)境作為輪椅運動(dòng)的測試環(huán)境，對輪椅的運動(dòng)進(jìn)行反復測試可知，輪椅的運動(dòng)最低平均速度為16 cm／s，最高平均速度為41 cm／s；轉彎半徑為50 cm左右，根據使用者對速度的要求，可以通過(guò)改變系統的特定參數來(lái)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(shí)驗，智能輪椅自主避障良好。

　　4 結 語(yǔ)

　　智能輪椅自主避障具有很重要的實(shí)用價(jià)值，本文設計的基于SPCE061A的自主避障系統結構簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，易于功能擴展和移植。系統測試結果表明該系統基本達到實(shí)用化要求。