WiFi環(huán)境下多功能輪椅床研究與設(shè)計(jì)

周小華 吳濤 楊叢叢 王宇

摘? 要： 利用樹(shù)莓派軟件設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種WiFi環(huán)境下的遙控多功能輪椅床，智能手機(jī)作為多功能輪椅的主要控制終端，以樹(shù)莓派為基礎(chǔ)作為該多功能輪椅床的核心控制器，其中控制系統(tǒng)的程序采用Python語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。樹(shù)莓派對(duì)舵機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)多功能輪椅床的轉(zhuǎn)換變形，同時(shí)樹(shù)莓派對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的移動(dòng)，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多功能輪椅與周邊的情況，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自主避障功能。該多功能輪椅主要由輪椅床底盤模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和超聲波測(cè)距等多個(gè)功能模塊構(gòu)成。多功能輪椅與智能手機(jī)之間的通信方式采用WiFi通信，用戶能夠使用智能手機(jī)遠(yuǎn)程遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障等。

關(guān)鍵詞： 多功能輪椅;樹(shù)莓派;電機(jī)驅(qū)動(dòng);超聲波避障;WiFi

中圖分類號(hào)： TP242.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.038

本文著錄格式：周小華，吳濤，楊叢叢，等. WiFi環(huán)境下多功能輪椅床研究與設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2020，41（09）：141144

【Abstract】： Using Raspberry Pi software to design and develop a remote control multifunctional wheelchair bed under WiFi environment， the smartphone is the main control terminal of the multifunctional wheelchair， and the Raspberry Pi is used as the core controller of the multifunctional wheelchair bed. The program of the control system is developed using Python language. The control of the raspberry party steering gear can realize the transformation and deformation of the multifunctional wheelchair bed. At the same time， the control of the raspberry party motor can realize the movement of the multifunctional wheelchair. The ultrasonic ranging module can monitor the situation of the multifunctional wheelchair and its surroundings in real time to achieve the corresponding autonomous obstacle avoidance function. The multifunctional wheelchair is mainly composed of multiple functional modules such as a wheelchair bed chassis module， a motor drive module， and ultrasonic ranging. The communication method between the multifunctional wheelchair and the smartphone uses WiFi communication， and users can use the smartphone to remotely control the transformation， movement， and obstacle avoidance of the multifunctional wheelchair.

【Key words】： Multifunctional wheelchair; Raspberry Pi; Motor drive; Ultrasonic obstacle avoidance; WiFi

0? 引言

伴隨著人口老齡化的問(wèn)題日漸突出，體弱的老年人士的生活狀態(tài)也越來(lái)越被人們關(guān)注和重視，尤其在出行和自由活動(dòng)方面。因此本次設(shè)計(jì)針對(duì)該問(wèn)題，采用智能手機(jī)在WiFi的環(huán)境中可以遠(yuǎn)程控制多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障。采用樹(shù)莓派（RaspberryPi）作為多功能輪椅的“大腦”，可通過(guò)編程來(lái)管理多功能輪椅的操作（轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)等）。本次設(shè)計(jì)旨在服務(wù)那些下半身癱瘓人群、腿腳行動(dòng)不便人群和體弱的老年人士，通過(guò)遠(yuǎn)程控制多功能輪椅實(shí)現(xiàn)從床上到輪椅上，并能在無(wú)人照看情況下進(jìn)行基本的活動(dòng)，能夠滿足這些特殊人群的日常生活。

1? 硬件選擇與設(shè)計(jì)

1.1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用SolidWorks軟件對(duì)該多功能論文進(jìn)行的三維建模如圖1所示，從圖1中可以看出，當(dāng)撐桿1推出的時(shí)候，病床的底板撐起，變形成輪椅靠背2;撐桿1收回的時(shí)候，靠背2變形為床板。

從圖1中可以看出整個(gè)床體底盤有8個(gè)輪子，右邊可變形為輪椅部分的4個(gè)輪子可以帶動(dòng)患者行走，后面床體的4個(gè)輪子也可移動(dòng)，便于和輪椅對(duì)接。

1.2? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖1中前面的輪椅部分的4個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N連接，驅(qū)動(dòng)模塊L298N通過(guò)樹(shù)莓派自帶的GPIO口進(jìn)行控制[1]。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由電機(jī)輸入信號(hào)的邏輯關(guān)系來(lái)決定，其速度通過(guò)使能端ENA、ENB輸入PWM信號(hào)來(lái)控制和調(diào)節(jié)[2]。如圖2所示為電機(jī)、L298N模塊和樹(shù)莓派的連接方式。L298N模塊的邏輯輸入端為IN1～I(xiàn)N4，這4端口分別與樹(shù)莓派的4個(gè)GPIO口相連。

1.3? 輪椅轉(zhuǎn)換變形模塊

（1）輪椅轉(zhuǎn)換變形驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置

輪椅轉(zhuǎn)換變形模塊需要四個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)其對(duì)應(yīng)的零件的轉(zhuǎn)動(dòng)，選用驅(qū)動(dòng)電路板PCA9685與舵機(jī)連接的接線圖如圖3所示。四個(gè)舵機(jī)分別連接在型號(hào)為PCA9685的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板上，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板同時(shí)與樹(shù)莓派連接。輪椅車底盤是固定的，1號(hào)舵機(jī)能夠控制多功能輪椅背椅的轉(zhuǎn)動(dòng)，2號(hào)和3號(hào)舵機(jī)分別控制多功能輪椅左扶手和右扶手的轉(zhuǎn)動(dòng)，而多功能輪椅腳踏板的運(yùn)動(dòng)通過(guò)4號(hào)舵機(jī)進(jìn)行控制。最后，多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形由1至4號(hào)伺服舵機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

PCA9685驅(qū)動(dòng)模塊的主要功能是輸出不同占空比的PWM脈沖信號(hào)，然后再通過(guò)該信號(hào)來(lái)控制伺服舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度[3]。舵機(jī)控制所需的PWM周期為20 ms。將其PWM輸出周期設(shè)定為20 ms，即PWM波的頻率設(shè)定為50 Hz，PCA9685輸出頻率與振蕩器有關(guān)，頻率的設(shè)置值：

式中prescale value為設(shè)定頻率的向數(shù)值，該數(shù)值需要寫入地址為0XFEH的寄存器中，其中時(shí)鐘信號(hào)為osc_clock，期望設(shè)置的PWM脈沖頻率為update_rate。當(dāng)周期為20 ms時(shí)，頻率為50 HZ[4]。

（2）脈沖寬度調(diào)節(jié)

本文所使用的伺服舵機(jī)的角度與脈寬的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：信號(hào)脈寬1 ms對(duì)應(yīng)0°，2 ms對(duì)應(yīng)180°，若PWM信號(hào)脈寬在1～2 ms之間變化時(shí)，則舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度在0°～180°間線性變化。

舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與脈沖寬度間的關(guān)系為[5]

對(duì)于PCA9685的每一通道均可以通過(guò)4個(gè)寄存器來(lái)設(shè)置，具體通過(guò)設(shè)定12位計(jì)數(shù)器的值實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)節(jié)，分別用于控制高電平開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)刻，每個(gè)通道都有 LEDX_ON_L、LEDX_ON_H、LEDX_OFF_L、LEDX_OFF_H 四個(gè)寄存器。一般LEDX_ON被設(shè)置為0，若果脈寬為duty，則LEDX_OFF有如下計(jì)算公式：

pwm.setpwm（0，0，servo）#后面的參數(shù)中第一個(gè)參數(shù)為通道。后兩個(gè)參數(shù)，前面一個(gè)是低電平轉(zhuǎn)高電平的時(shí)間，后面一個(gè)是高電平轉(zhuǎn)低電平的時(shí)間，這兩個(gè)數(shù)值都應(yīng)該小于4096。

1.4? 避障功能

本文所設(shè)計(jì)多功能輪椅的避障原理是：首先初始化及超聲波模塊及樹(shù)莓派的GPIO端口，然后由控制器發(fā)送觸發(fā)電平并讀取返回電平。接著通過(guò)計(jì)算與障礙物的距離來(lái)判斷是否有障礙物，若計(jì)算距離大于10 cm，則判斷前方有障礙物，否則無(wú)障礙物[6]。在避障模塊的設(shè)計(jì)中利用超聲波模塊和對(duì)樹(shù)莓派進(jìn)行編程，最終實(shí)現(xiàn)輪椅的避障功能。

2? 多功能輪椅的運(yùn)動(dòng)控制

2.1? 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)WiFi使用者將操作指令經(jīng)由樹(shù)莓派發(fā)送給各功能模塊，使多功能輪椅完成相應(yīng)的操作，本次設(shè)計(jì)中多功能輪椅床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.2? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

多功能輪椅的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝在小車底盤上，如前所述采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，其直流電機(jī)狀態(tài)和控制方式如表1所示[7]。

由表1可知，電機(jī)只有在使能端ENA、ENB為高電平時(shí)才可以轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)方向端IN1～I(xiàn)N4控制電機(jī)向不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)多功能輪椅前進(jìn)時(shí)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，IN1、IN3為高電平，IN2、IN4為低電平;反之小車后退;通過(guò)電機(jī)速度差實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的左右轉(zhuǎn)[8]，若需多功能輪椅左轉(zhuǎn)，則右邊車輪不動(dòng)，此時(shí)IN1、IN2為低電平，IN3為高電平及IN4為低電平，反之則多功能輪椅右轉(zhuǎn)，Python控制馬達(dá)的控制原理框圖如圖5所示，圖中H表示高電平，L表示低電平。

2.3? 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

本設(shè)計(jì)使用Python編程來(lái)控制多功能輪椅中轉(zhuǎn)換裝置的舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，不同寬度脈沖控制輸出不同寬度脈沖信號(hào)并傳遞給信號(hào)線。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由一個(gè)20 ms的基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行控制，該信號(hào)脈沖的高電平范圍為0.5 ms2.5 ms，總間隔為2 ms[9]。馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離由脈沖的寬度控制。

如圖6所示，電機(jī)在90°位置所對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為脈寬為1.5 ms的脈沖信號(hào)如果小于1.5 ms，那么的方向?qū)⑾?°方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果控制信號(hào)的脈寬大于1.5毫秒，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向就朝向180°方向。

2.4? 避障功能

為安全起見(jiàn)，該多功能輪椅設(shè)置有避障功能，通過(guò)安裝在小車底盤的超聲波測(cè)距模塊循環(huán)檢測(cè)并計(jì)算左、右和后三個(gè)方向的障礙物距離[10]，然后傳遞給樹(shù)莓派對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)行駛控制進(jìn)行決策，使多功能輪椅能夠安全避開(kāi)障礙物。如圖7所示為多功能輪椅避障算法流程圖[11]。

2.5? WiFi環(huán)境設(shè)置

WiFi環(huán)境設(shè)置步驟如圖8所示。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種基于樹(shù)莓派的無(wú)線遙控多功能輪椅，可實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障。樹(shù)莓派作為核心主控板，通過(guò)L298N實(shí)現(xiàn)利用電機(jī)控制多功能輪椅的移動(dòng)，通過(guò)PCA9685實(shí)現(xiàn)利用舵機(jī)控制多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形，通過(guò)WiFi模塊與手機(jī)交換信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制多功能輪椅，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能輪椅在移動(dòng)的過(guò)程中自主的躲避障礙物。實(shí)驗(yàn)表明多功能輪椅具有較好的遠(yuǎn)程控制、轉(zhuǎn)換變形和自主避障功能，在智能化的輪椅中具有一定的實(shí)用創(chuàng)新價(jià)值。該多功能輪椅系統(tǒng)簡(jiǎn)單，精度較高，實(shí)用性較強(qiáng)，為多功能輪椅實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

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