引 言
輪椅是幫助殘疾人士進(jìn)入社會交流最常用的工具。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球有超過 6 500 萬人需要坐輪椅，占全球人口的 1%。我國有超過 3 000 萬人口具有與運(yùn)動有關(guān)的身體殘疾。對身體殘疾者和老年人來說，能夠生活自理至關(guān)重要。輪椅作為一種可以幫助這些人在不需要別人幫助的情況下進(jìn)行正常生活的工具具有重要意義。本文設(shè)計的新型多用途輪椅可以幫助這些殘疾人士實(shí)現(xiàn)自由行動。
目前國內(nèi)外一些學(xué)者在這方面做了許多工作，文獻(xiàn) [1] 提出的一種可用于車輛附近障礙物檢測、交通信號燈檢測的系統(tǒng)便可以擴(kuò)展到輪椅上。
S.Manogna等人 [2] 提出了一種在加速度計幫助下具有導(dǎo)航功能的輪椅系統(tǒng)，但該系統(tǒng)缺乏障礙物檢測系統(tǒng)。松本yoshio提出了基于眼球和大腦運(yùn)進(jìn)行動控制輪椅的人機(jī)接口， 為了使輪椅運(yùn)動，使用者必須查看他想要到達(dá)的目的地，然后通過點(diǎn)頭或者搖頭控制輪椅的運(yùn)動或停止。但該系統(tǒng)的椅子后面必須連接計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)致系統(tǒng)體積很大且成本高昂。同時該系統(tǒng)缺少障礙物檢測能力，對盲人沒有太多用處。
本文設(shè)計的輪椅在原有輪椅的基礎(chǔ)上拓展了諸多功能， 可以被身體殘疾、視力受損、行動不便的老年人使用。文中設(shè)計的控制系統(tǒng)可以安裝在任何電動輪椅上，無需做過多修改， 同時還可提供語音指導(dǎo)工具，對視障人士進(jìn)行語音指導(dǎo)。其子系統(tǒng)使用常用的廉價MP3 播放器與微控制器連接，預(yù)錄音文件放在該 MP3 中，存儲在微控制器中的算法根據(jù)要求執(zhí)行所需剪輯，從而向用戶提供必要的幫助。
1 系統(tǒng)概述
輪椅的整個控制系統(tǒng)可以分為導(dǎo)航子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、語音導(dǎo)航子系統(tǒng)、障礙物檢測子系統(tǒng)四大模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。
1.1 導(dǎo)航子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用于輪椅導(dǎo)航，便于用戶將輪椅向任何方向移動。該系統(tǒng)主要由加速度計和磁力計組成，外形為一個小的導(dǎo)航板，可以戴在手腕或頭上，按照所需的運(yùn)動方向傾斜導(dǎo)航板便可以使輪椅向相應(yīng)的方向移動。X 和 Y 軸的數(shù)據(jù)從加速度計中讀取，與上限和下限比較，如果在范圍內(nèi)，則執(zhí)行相應(yīng)動作。該過程可以防止由于意外沖擊造成讀取數(shù)據(jù)突變，導(dǎo)致椅子失速，對用戶造成傷害。表 1 所列為讀數(shù)的上限和下限。
磁力計用于指示方向，對于有視力障礙的人來說至關(guān)重要，地磁北方向可以通過磁力計顯示，用戶通過振動墊感知該方向。振動墊由四個振動馬達(dá)和一個開關(guān)組成，當(dāng)用戶需要指引北面方向時，位于北部的電機(jī)開始振動。
1.2 定位子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)使用有源 RFID 技術(shù)構(gòu)建，用于實(shí)時定位監(jiān)控輪椅在室內(nèi)的位置。將有源 RFID 標(biāo)簽放置在室內(nèi)一些重要地方，用戶可以通過語音系統(tǒng)獲得當(dāng)前輪椅所在位置，比如靠近樓梯，門口或者不同路徑通向不同地點(diǎn)的路口。輪椅進(jìn)入便簽范圍后，附在輪椅上的RFID 接收器會獲得標(biāo)簽的唯一ID 并將信息傳遞給微控制器。微控制器將接收到的ID 與預(yù)先存儲的ID 列表進(jìn)行對比，找到信息相匹配的ID 位置，生成MP3 播放器控制信號。
1.3 語音導(dǎo)航子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)由一個MP3 播放器和微控制器組成，適合為視覺受損的人群提供導(dǎo)航。MP3 播放器中預(yù)裝了剪輯音頻，當(dāng)輪椅運(yùn)動到RFID 標(biāo)簽范圍內(nèi)時，微控制器將接收到唯一的標(biāo)簽 ID，然后向 MP3 播放器發(fā)送信號，播放特定的剪輯音頻， 從而向用戶提供周圍的環(huán)境信息。用戶通過耳機(jī)收聽音頻，可以很清楚地知道自己目前所處位置，以及可以到達(dá)的地方。
1.4 障礙物檢測子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)由超聲波傳感器組成，用以檢測障礙物。這些傳感器可以發(fā)出頻率遠(yuǎn)高于人耳可感知的頻率范圍的聲波，這些聲波撞擊到物體后會產(chǎn)生反射聲波并被傳感器接收，因此， 通過測量聲波來往的總時間，就可以計算出離障礙物的距離。其計算公式為：
s=（t 10-6 34300）/2（1）
式中：s 為離障礙物的距離，t為測量聲波來回的時間。在該系統(tǒng)中，我們設(shè)定 40cm為極限。如果任何障礙物接近該極限， 蜂鳴器便會被激活并告知用戶。但如果障礙物更靠近輪椅，則停止該方向的運(yùn)動。
該系統(tǒng)的工作流程如圖 2 所示。
2 硬件選擇
2.1 加速度計和磁力計
加速度計是一種微電機(jī)系統(tǒng)，可以測量無論是由重力還是運(yùn)動所產(chǎn)生的加速度。磁力計用于測量磁場強(qiáng)度，在某些情況下還可以測量空間的磁場方向。本文使用LSM303DLHC 模塊，該模塊由一個數(shù)字 3 軸加速度計和 3 軸磁力計構(gòu)成，而且滿足I2C通信協(xié)議。該模塊的加速度測量范圍為 2～16 g， 滿量程磁場測量范圍為 1.3 ～ 8.1 Gs。
2.2 超聲波測距儀
超聲波傳感器的工作原理類似雷達(dá)或聲納，它們都會產(chǎn)生高頻聲波并接收反射回來的聲波。傳感器計算發(fā)送信號和接收回波之間的時間間隔，計算確定距離物體的位置。本文使用HC-SR04 超聲波傳感器，工作頻率為 40 Hz，可以測量2 ～350 cm 的距離，精度為 3 mm。
2.3 有源RFID
為了自動識別和跟蹤附加到對象的標(biāo)簽，本文采用無線非接觸式射頻識別（RFID），利用射頻電磁場進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。有源 RFID 標(biāo)簽采用電池供電，功耗低，識別范圍相對較長。本系統(tǒng)使用的RFID工作頻率為433 MHz，識別范圍為4 ～5 m。
3 結(jié) 語
本文設(shè)計的系統(tǒng)可為身體殘疾人士、視力受損人士和老人提供一些正常生活所需的幫助。該系統(tǒng)成本低、易實(shí)現(xiàn)，配有用于輪椅運(yùn)動的加速度計和用于障礙物檢測的超聲波傳感器。該系統(tǒng)的語音導(dǎo)航功能可以隨時指引用戶到達(dá)目的地。因此，該系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可有效協(xié)助需要幫助的人群。
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