可適應開關的殘疾兒童汽車設計

創新者：孫露露

可適應開關的殘疾兒童汽車設計

創新者：孫露露

殘疾兒童汽車是近年來一個新穎的研究領域，美國特拉華大學已經創立了名為GoBabyGo的項目，獲得國內外的廣泛關注。本文對已有的兒童汽車進行改裝，通過使用Arduino單片機控制一系列簡單的可適應開關來代替方向盤，并增加了頭部可接觸開關、距離傳感器、制動開關等，滿足患有不同殘疾的兒童的需求。

患有身體殘疾，尤其像腦殘和脊柱斷裂的兒童，很難保持身體平衡地走路，與同齡人玩耍。這使他們被排除在基本的互動的社交活動之外，例如在球場上追逐、學習新游戲。嚴重影響了他們的社交能力和感性思維的發展，對以后的生活產生了很大的困難。兒童之間玩耍和互動是他們成長的重要組成部分。

本文主要針對改裝一輛已有的兒童汽車，可以允許患有腦癱、脊柱斷裂，或者類似殘疾的兒童操作，以便于和同齡伙伴一起玩耍和互動。改裝包括汽車控制方法的簡單化。本文還設計了一些特別之處來確保兒童的安全。

汽車原來的轉向和驅動系統將被一系列簡單的可適應的開關替代。這些開關可以提供向前和轉向運動。因為殘疾兒童很難轉臉向后看，為了避免安全問題，去掉了向后運動的功能。另外，這些開關能夠適應不同的殘疾兒童。本文還將重點集中在控制汽車的緩慢啟動和制動技術上，給兒童提供一個舒適的平滑的啟動和制動過程。最后，該設計還加入了距離傳感器用于蔽障，遠程制動開關（父母持有）用于在必要的時候關閉汽車。總體來說，本文給殘疾兒童提供了安全舒適的開車環境。

系統設計

問題描述

圖1 是一個說明汽車輸入與輸出關系的黑箱子框圖。本文的主要目的是制作出一輛響應迅速、舒適的兒童汽車。輸入系統包括來自電池的能源，控制輸入（來自兒童、家長和環境）和支撐系統。輸出系統包括兒童的舒適程度和汽車的響應，圖2詳細介紹了該子系統。

圖1 黑箱子框圖

圖2 子系統框圖

控制系統

汽車的控制系統是指兒童如何最大程度地控制汽車。本文改裝了正常的油門踏板和車輪操作系統，能夠允許殘疾兒童通過一系列簡單的開關單獨控制汽車。

頭部開關：該設計中，兒童能夠通過操作安裝在頭部支撐上的三個開關來控制汽車。這些開關安裝在兒童頭部的左邊、右邊和后邊。例如，兒童可以通過頭部按壓左、右、后方的開關，控制汽車向左、右、后方行駛。

操縱桿：操縱桿允許兒童通過手來控制汽車。操縱桿可以提供更多的緩沖時間，它不像控制開關一樣響應迅速。這有利于汽車的加速和轉向。操縱桿相比于之前設計的開關，將賦予兒童更大程度的自由。

手部開關：這部分開關的功能和頭部開關的功能是一樣的。只是手部開關是安裝在汽車原來方向盤的位置。它們的應用將使不同身高體型、患有不同殘疾的兒童駕駛這輛汽車，實現了最簡單的控制方法。

硬件設計

單片機模塊

Arduino Uno 是一款基于ATmega328處理器的微控制器板。它有14個數字輸入/輸出管腳（其中6個可以用作PWM輸出），6個模擬輸入管腳，一個16MHz的晶振，一個USB連接線，一個電源接口，一個ICSP插針和一個重啟按鈕。它包含支持單片機工作的所有芯片。將它通過一個USB線或者AC-DC轉換器或者電源供電，連接到電腦上即可工作。如圖3

技術參數：

處理器 ：ATmega328

工作電壓 ： 5V

輸入電壓（推薦）： 7～12V

輸入電壓（范圍）： 6～20V

數字IO腳 ：14 （其中6路作為PWM輸出）

模擬輸入腳 ：6

IO腳直流電流 ：40 mA

V腳直流電流 ：50 mA

Flash Memory ：32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader）

SRAM ：2 KB （ATmega328）

EEPROM ：1 KB （ATmega328）

工作時鐘 ：16 MHz

電機驅動模塊

L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。電機驅動原理圖見圖4。

圖3 Arduino Uno 管腳圖

圖4 電機驅動原理圖

模塊接口說明：

+5V：芯片電壓5V

VCC：電機電壓，最大可接50V

GND：共地接法

A-～D-：輸出端，接電機

A～D+ ：為步進電機公共端，模塊上接了VCC

EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端

IN1～ IN4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對應的

超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊提供2cm～400cm范圍的無接觸的測量函數，測量精度高達3mm。該模塊包括超聲波發射器，接受器，控制電路。基本工作原則如下：

使用IO觸發器，給出至少10us的高電平信號，

自動發射8個40KHz脈沖，檢測是否有信號返回，

如果有信號返回，發射高電平，高電平持續的時間就是發射超聲波信號到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2

5V接電源，Trigger接輸入，Echo接輸出，0V接地。

電氣特性如圖5

圖5 HC-SR04 電氣特性

具體設計與實現

主要程序

//declare motor variables

int enableDrive = 7；

int enableTurn = 8；

int PWMDrive = 5；

int PWMTurn = 6；

int forwardPin = 3；

int leftPin = 9；

int rightPin = 10；

int forwardStateCurrent = LOW；

int leftStateCurrent = LOW；

int rightStateCurrent = LOW；

int forwardStatePast = LOW；

int leftStatePast = LOW；

int rightStatePast = LOW；

//declare sensor variables

int echo = 2；

int trigger = 4；

int led = 13；

float distance；

float highlevel；

void setup（） ｛

//define motor variables

pinMode（enableDrive， OUTPUT）；

pinMode（enableTurn， OUTPUT）；

pinMode（PWMDrive， OUTPUT）；

pinMode（PWMTurn， OUTPUT）；

pinMode（forwardPin， INPUT）； //IP for buttons， I for R/T

pinMode（leftPin， INPUT）； //IP for buttons， I for R/T

pinMode（rightPin， INPUT）； //IP for buttons， I for R/T

//declare sensor variables

pinMode（echo， INPUT）；

pinMode（trigger， OUTPUT）；

pinMode（led， OUTPUT）；

Serial.begin（9600）；

｝

void loop（） ｛

forwardStateCurrent = digitalRead（forwardPin）；s

leftStateCurrent = digitalRead（leftPin）；

rightStateCurrent = digitalRead（rightPin）；

activate（）；

highlevel = （pulseIn（echo， HIGH））*0.000001；

distance = （highlevel*340）/2；

Serial.println（“”）；

Serial.print（highlevel）；

Serial.print（“ ”）；

Serial.print（distance）；

if （distance ＜= 0.1524） ｛

halt（）；

digitalWrite（led， HIGH）；

｝

else ｛

if （forwardStateCurrent ！= forwardStatePast） ｛

if （forwardStateCurrent == HIGH） ｛

forward（）；

｝

else ｛

halt（）；

｝

｝

else if （leftStateCurrent ！= leftStatePast） ｛

if （leftStateCurrent == HIGH） ｛

left（）；

｝

else ｛

halt（）；

｝

｝

else if （rightStateCurrent ！= rightStatePast） ｛

if （rightStateCurrent == HIGH） ｛

right（）；

｝

else ｛

halt（）；

｝

｝

forwardStatePast = forwardStateCurrent；

leftStatePast = leftStateCurrent；

rightStatePast = rightStateCurrent；

digitalWrite（led， LOW）；

｝

｝

void forward（） ｛

digitalWrite（enableDrive， HIGH）；

analogWrite（PWMDrive， 255）；

analogWrite（PWMTurn， 0）；

｝

void left（） ｛

digitalWrite（enableDrive， HIGH）；

digitalWrite（enableTurn， LOW）；

analogWrite（PWMDrive， 255）；

analogWrite（PWMTurn， 255）；

｝

void right（） ｛

digitalWrite（enableDrive， HIGH）；

digitalWrite（enableTurn， HIGH）；

analogWrite（PWMDrive， 255）；

analogWrite（PWMTurn， 255）；

｝

void halt（） ｛

analogWrite（PWMDrive， 0）；

analogWrite（PWMTurn， 0）；

digitalWrite（enableTurn， HIGH）；

digitalWrite（enableDrive， LOW）；

｝

void activate（） ｛

digitalWrite（trigger， HIGH）；

delayMicroseconds（50）；

digitalWrite（trigger， LOW）；

｝

實驗結果

經患有腦癱的兒童開車測試，能夠緩慢開啟和停止汽車，通過手操作簡單的開關，控制汽車向前、向左和向右行駛，也能夠通過頭部控制開關實現同樣的功能。遇到障礙時汽車能夠自動停止，家長也可通過使用制動開關在兒童遇到危險時緊急停止汽車，極大程度地確保了兒童的人身安全。綜上，本文改裝的兒童汽車，滿足了患有不同殘疾兒童的要求，使其能夠與同齡人一起玩耍嬉戲，極大提高了他們的社交能力和娛樂興趣，對其身心健康發展起到了巨大的作用。

結語和建議

本文解決了一個特殊的問題，通過給患有身體殘疾和需要社交幫助的兒童提供安全、高性能的開車環境。基本的目標都已經達到。

建議

購買的兒童汽車對于改裝不是很理想。汽車車艙的尺寸很小，導致改裝設計很有局限性。而且車子外形的曲線性也使安裝操作很困難。

改裝的汽車目前使用增加的Arduino單片機作為開關的電源。在為開關供電的部分需要更多的研究。

遠程控制開關應該被考慮進來，在這方面應該做更多研究。

孫露露

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.027