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  全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快,今后50年內(nèi),60歲以上的人口比例預(yù)計(jì)將會(huì)翻一番,由于各種災(zāi)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(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的智能輪椅被提了出來(lái)。智能輪椅又稱輪椅式移動(dòng)機(jī)器人。可以靈活避障是輪椅智能化的一個(gè)重要體現(xiàn)。

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

  1 智能輪椅自主避障硬件設(shè)計(jì)

  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(cè)距模塊、微處理器模塊、D/A驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊,如圖1所示。

  1.1 多路超聲波測(cè)距模塊

  本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測(cè)量障礙物的距離,工作時(shí),由61單片機(jī)通過(guò)三路信號(hào)線選通多路模擬開關(guān),由多路模擬開關(guān)負(fù)責(zé)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(jī)的IOB9口發(fā)射出頻率為40 kHz,幅值為5 V的矩形脈沖信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)放大電路,變成穩(wěn)定的12 V矩形脈沖信號(hào),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(hào)濾波放大集成電路,觸發(fā)61單片機(jī)中斷。由61單片機(jī)計(jì)算渡越時(shí)間,從而計(jì)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(tái)灣凌陽(yáng)16位單片機(jī)SPCE061A作為系統(tǒng)的核心,SPCE061A主要包括通用I/O端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監(jiān)測(cè)和低電壓復(fù)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(kuò)展,較強(qiáng)的中斷處理能力,高性能價(jià)格比,功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng),低功耗、低電壓等特點(diǎn)。采用SPCE061A作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心部件,由61單片機(jī)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(yīng)的避障決策。使智能輪椅靈活避障。

  1.3 D/A驅(qū)動(dòng)模塊

  系統(tǒng)采用直流永磁電動(dòng)機(jī)DG一168A左右配對(duì)分別來(lái)驅(qū)動(dòng)輪椅左右輪,左、右配對(duì)使用DG一168系列具有機(jī)械性能好、過(guò)載能力大、平衡性好、調(diào)速性寬闊平滑、噪音低之優(yōu)點(diǎn)。DG一168A電機(jī)功率為168W,使用電壓為24 V。買回來(lái)的電動(dòng)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(hào)。黃、褐兩路控制輪椅前進(jìn)后退;蘭、白兩路控制輪椅左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)(如表1所示)。每?jī)陕返碾妷杭悠饋?lái)要等于5V,當(dāng)黃線電冶高于褐線電壓時(shí),輪椅前進(jìn);反之輪椅后退,同理,蘭線電壓高于白線電壓時(shí)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(guò)兩個(gè)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(yáng)61單片機(jī)的3個(gè)I/0口相連,分別是數(shù)據(jù)串口DIN、時(shí)鐘信號(hào)SCLK、片選信號(hào)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(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(jī)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(zhuǎn)換得到。

  2 智能輪椅自主避障軟件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)軟件是在61單片機(jī)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(shè)計(jì)如下:

  主程序主要是通過(guò)掃描鍵盤,等候用戶指令,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(jù)探測(cè)到的環(huán)境選擇相應(yīng)的避障策略。在避障過(guò)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(jī)的中斷資源,同時(shí)也減小了對(duì)測(cè)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(yàn)結(jié)果分析

  選用實(shí)驗(yàn)室外空曠環(huán)境作為輪椅運(yùn)動(dòng)的測(cè)試環(huán)境,對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試可知,輪椅的運(yùn)動(dòng)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(duì)速度的要求,可以通過(guò)改變系統(tǒng)的特定參數(shù)來(lái)設(shè)置速度的范圍。

  利用介紹的方法對(duì)智能輪椅做自主避障實(shí)驗(yàn),智能輪椅自主避障良好。

  4 結(jié) 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(shè)計(jì)的基于SPCE061A的自主避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性價(jià)比高,易于功能擴(kuò)展和移植。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達(dá)到實(shí)用化要求。

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