避障助行器控制系統設計方案

張涵

摘??要：針對目前市面上現存的各類助行器都存在安全性比較低，定位方面不夠明確，針對性不強，實際效果差等缺點。設計了一種以ATmega16單片機為主控芯的避障助行器控制系統設計方案，通過紅外傳感器與超聲波傳感器對路況進行采集，并通過A/D轉換電路將傳感器采集的模擬信號轉換成單片機能夠識別的數字信號，以便于單片機分析處理。通過單片機對紅外傳感器和超聲波傳感器檢測信息的分析、判斷，從而給出判斷結果，并給相應端口數字信號，再經過相應驅動電路驅動相應傳感器，以達到自動控制轉向，改變行駛路徑，繞過障礙物的目的，從而實現自主避障的功能。

關鍵詞：避障;助行器;紅外線;超聲波

中圖分類號：TP242.6????文獻標識碼：A

0??引言

助行器作為一個老年人出行時最常選用的工具，能讓老年人在無家人和護工的看護幫助下，能達到方便出行、實現生活上的自我照料的目標。目前，市面上現存的各類助行器都存在安全性比較低，定位方面不夠明確，針對性也不強，實際效果差等缺點，并不能很好滿足老年人所需。助行器的設計是為了給老人提供出行方便的，考慮到適用人群特征，因此對安全性要求特別高，所以助行器的運行速度一般較慢。為了使助行器功能多樣化，也為提升助行器的安全性。針對上述問題，需要從老年人的身體和心理入手，分析老年人生理和心理特征和生活方式，增加其安全性，因此，制定了避障助行器控制系統設計方案。

1??總體設計方案概述

避障助行器控制系統設計方案主要由電源模塊，電機模塊，測距模塊，避障模塊件，單片機主控模塊等部分組成。其中，單片機選用以ATmega16單片機為主控芯片，電源模塊選用穩壓電源，避障模塊采用雙紅外線傳感器避障，測距模塊采用超聲波傳感器進行測量。

2??電源模塊的設計

電源模塊是為了給系統中各個模塊中的器件模塊分配一定的電壓的，是助行器能夠穩定運行的基礎。在本次設計中采用2塊12V鋰電池作為整車的動力源，為電機模塊與其他模塊供電。當輸入電壓在8V～40V時，系統電源可以利用電壓變化器LM2678將輸入電壓轉換為5V穩壓分別給避障模塊、測距模塊，單片機模塊等模塊供電。

3??電機模塊的設計

由于助行器需要前進后退轉向調速等功能，所以需要電機正反轉來進行調速，針對助行器驅動系統，功率密度為主要性能指標，伺服電機或者步進電機各項指標較為適宜，其中閉環控制方式可得到比開環控制更精密的伺服控制。所以本次本次設計中選用直流伺服電機，并且采用ST公司生產雙極型H橋驅動芯片L298N，可以驅動46V、2A以下電機，并且內含兩個H橋，可同時驅動兩個直流電機。

4??避障模塊的設計

由于助行器在進行工作時，速度不會過高，為了保障避障效果，本次設計中分別在助行器的左右兩側安裝紅外避障模塊。當左側傳感器檢測到障礙物時，立即讓助行器左轉彎后退，右轉彎前進;當右側傳感器檢測到障礙物時，立即讓助行器右轉彎后退，左轉彎前進;當兩側都未檢測到障礙物，助行器一直前行，避障傳感器電路圖如圖1。

5??測距模塊的設計

在本設計中，為了測量障礙物的距離，擬定采用超聲波傳感器進行測量，并且利用測量方法是簡單實用的渡越時間法。在本次設計中擬采用HC-SR04模塊的I/O接口TRIG觸發測距模塊自動發送8個40kHZ的方波，自動檢測是否有信號返回。若有信號返回，則輸出高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，高電平持續的時間可以用定時器計時完成。超聲波模塊接線圖如圖2所示，根據檢測到的距離信息，讓單片機控制電機轉向和轉速。

6??軟件的設計

助行器控制系統的軟件設計是實現助行器控制的重要組成部分，助行器通過紅外傳感器來實現避障功能，通過超聲波傳感器來實現測距功能，將傳感器檢測到的信息經過A/D轉換將信號傳遞給單片機，使得單片機輸出信息，從而對助行器的運動進行控制，使得助行器能夠按照正確且通順的道路行駛，最后建立流程圖如圖3和避障子程序如圖4。

7??總結

隨著我國科技事業的發展，助行器的研究也將更加深入。作為助行器的關鍵部分，助行器控制系統的設計與研發直接關系到助行器的后續功能體驗和運行維護實效。本文中助行器控制系統的設計從使用者的安全角度出發，希望設計出更加適合老年人的助行器。但是，該方案還存在不足之處，仍需要繼續改進，從而實現最大程度的智能化。未來隨著科研的深入，助行器也將朝著更加智能化、簡單化、高效化的方向發展，將會更好的造福人類和社會。

參考文獻

[1] 王子卿.可持續設計理念下的老年人智能助行器創新設計研究[D].廣東工業大學，2019.

[2] 謝揚.步行訓練中助行器的選擇和使用問題[J].現代康復，2000（07）：974-975.

[3] 高懷民.使用助行器械和矯形器步行訓練的最新進展[J].現代康復，2000（07）：964-965.

[4] 黃海晶，王志彬，金鴻賓.助行器的演變與發展[J].中國矯形外科雜志，2006（18）：1397-1399.

[5] 常鐳民.動力式助行器的控制系統設計[D].天津科技大學，2013.