淺談一種電動(dòng)輪椅控制器設(shè)計(jì)

黃鐘書，陳云，譚福瓊，董陽陽，趙璐

（南通理工學(xué)院，江蘇 南通 226001）

目前，普通電動(dòng)輪椅的保有量不斷增加，但是有些輪椅使用者對(duì)普通輪椅的基本功能已經(jīng)不滿足，對(duì)輪椅的功能提出更多的要求。而且輪椅的安全性很大程度上取決于使用者的操作意識(shí)，雖然電動(dòng)輪椅的操縱比較簡(jiǎn)單，但是使用者往往都是老年人，他們?cè)诓倏v輪椅時(shí)的反應(yīng)速度較慢。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，對(duì)輪椅的操縱不及時(shí)，容易出現(xiàn)安全事故。所以電動(dòng)輪椅的智能化，例如，語音交互、緊急制動(dòng)、智能導(dǎo)航等功能，具有較廣闊的前景。

本文基于Arduino控制器，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)輪椅的控制系統(tǒng)，利用紅外遙控實(shí)現(xiàn)無線控制，同時(shí)融入了語音模塊、超聲波模塊傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)輪椅的語音交互控制和無線遙控，還可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，遇到障礙物可以緊急停止。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。紅外接收器接收到使用者發(fā)送的紅外信號(hào)，Arduino控制器給兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。同時(shí)給兩個(gè)繼電器發(fā)送信號(hào)，控制電機(jī)的電源電路的通斷。語音模塊可以接收到使用者的語音指令，來控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框架圖

大部分的電動(dòng)輪椅使用者在使用過程中，都是獨(dú)自操控輪椅的，而且電動(dòng)輪椅也具有一定的速度，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，使用者沒有及時(shí)剎車造成的安全事故屢見不鮮，所以增加傳感器進(jìn)行檢測(cè)障礙物是很有必要的。常用的避障傳感器有激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波信號(hào)成一定的扇形，檢測(cè)范圍較廣，檢測(cè)距離能達(dá)到2～450cm，對(duì)于電動(dòng)輪椅的避障檢測(cè)距離合適。紅外傳感器的檢測(cè)距離較近，激光傳感器雖然檢測(cè)距離遠(yuǎn)，精度高，但是價(jià)格較貴，所以本文采用超聲波傳感器作為電動(dòng)輪椅的避障傳感器。將超聲波傳感器安裝在電動(dòng)輪椅的前方和后方，可以檢測(cè)輪椅前進(jìn)方向上是否有障礙物，當(dāng)障礙物距離小于設(shè)定的安全距離，則控制器會(huì)主動(dòng)控制輪椅停下。

電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)電源采用24V的鉛酸蓄電池進(jìn)行供電，蓄電池的安全性較高，電壓穩(wěn)定，價(jià)格較便宜，直流電機(jī)的額定電壓為24V，所以采用24V的蓄電池，蓄電池直接給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行供電。再通過降壓模塊，將24V直流電轉(zhuǎn)變成5V直流電，給控制器及傳感器進(jìn)行供電。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 Arduino控制器

本文的控制系統(tǒng)采用的主控制器是Arduino Uno控制板，該開發(fā)板是一款基于開放源代碼的控制器，所以使用靈活方便，該控制板共有14個(gè)數(shù)字輸入輸出口，其中6個(gè)可以為PWM輸出，6個(gè)模擬輸入，16MHz晶振時(shí)鐘，能夠滿足該控制系統(tǒng)的使用要求。Arduino控制器的編程是基于Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（based on Processing）來實(shí)現(xiàn)的，能進(jìn)行直觀控制，增強(qiáng)程序的可讀性的同時(shí)也提高了開發(fā)效率。

1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

本文中電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了兩個(gè)24V的直流減速電機(jī)，在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了減速器，提高了輸出扭矩。直流電機(jī)起動(dòng)和調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣，平滑，過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小，同時(shí)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性，比較適合電動(dòng)輪椅中的使用。

區(qū)別于常見的電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)器，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式，兩個(gè)直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)組合，能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向，提高了輪椅運(yùn)動(dòng)的靈活性，使輪椅在狹小空間內(nèi)可以完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系如表1所示。

表1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和輪椅的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)關(guān)系

該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器采用了大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大持續(xù)負(fù)載電流達(dá)到了15A，輸入電源為0～36V的直流電源，驅(qū)動(dòng)板的輸出與直流電機(jī)直接相連接。驅(qū)動(dòng)板的控制邏輯簡(jiǎn)單，控制輸入有共有IN1、IN2、PWM三個(gè)信號(hào)口，IN1和IN2輸入信號(hào)的組合控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停止，PWM口通過輸入的PWM信號(hào)控制電機(jī)的速度，調(diào)速范圍0～100%，具體控制邏輯如表2所示。同時(shí)，該直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還具有一個(gè)5V直流電流的輸出。

表2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制邏輯

1.3 繼電器

電動(dòng)輪椅在斷電或者電池電流不足的情況下，還是需要人為地輔助推動(dòng)輪椅。當(dāng)速度過快時(shí)，此時(shí)，直流電機(jī)會(huì)反向給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板供電，會(huì)燒壞電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。所以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和電機(jī)之間需要增加繼電器，保護(hù)整體的電路的安全。繼電器的輸出端口有常開、常閉和公共端口，將電機(jī)的電源線接入繼電器的常開和公共端?？刂戚喴芜\(yùn)動(dòng)時(shí)，繼電器的控制端輸入口有I/O口、5V電源和GND口，當(dāng)I/O口輸入高電平時(shí)，繼電器內(nèi)部吸合，常開端口閉合，電機(jī)通電轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.4 語音模塊

語音模塊的使用能夠很好地滿足一些使用者的需求。該系統(tǒng)中采用了LD3320A的語音模塊，模塊上有一個(gè)單片機(jī)，可以和語音模塊進(jìn)行SPI通信，從而識(shí)別語音功能。該模塊可以識(shí)別普通話，集成了語音信號(hào)的采集和識(shí)別功能，通過修改語音模塊中的程序，可以修改語音識(shí)別的口令。該語音模塊可以識(shí)別50條口令，能夠滿足控制輪椅的需求。該語音模塊通過串口與Arduino控制器通信，在主控程序中定義好口令相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式，語音模塊識(shí)別使用者的口令后，給Arduino控制器發(fā)送指令控制輪椅運(yùn)動(dòng)。

1.5 超聲波傳感器

利用超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)輪椅運(yùn)動(dòng)過程中的障礙物檢測(cè)。超聲波傳感器是利用傳感器的壓電晶片發(fā)出超聲波信號(hào)，接收遇到障礙物反射超聲波的信號(hào)，從而檢測(cè)出障礙物距離的傳感器。Arduino控制器給超聲波模塊一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，傳感器發(fā)出8個(gè)40kHz的超聲波信號(hào)并檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回時(shí)，傳感器輸出一個(gè)高電平，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)出到返回的時(shí)間。則障礙物到輪椅的距離為：

式中，s為障礙物到輪椅的距離，v為聲音在空氣中的傳播速度，在常溫下速度為340m/s，t為超聲波從發(fā)出到返回的時(shí)間。

1.6 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊是一種常見的無線遙控模塊，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，成本低、容易使用等特點(diǎn)。本文使用的紅外遙控模塊遙控距離8m，載波頻率38kHz，采用的是NEC編碼格式。紅外遙控模塊分為紅外遙控器和紅外接收器，紅外接收器和Arduino控制器連接。紅外遙控器發(fā)送的紅外信號(hào)，被紅外接收器接收，在編程軟件中，通過串口確定紅外遙控器的每個(gè)按鍵的編碼，在編程中定義每個(gè)按鍵的功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。使用者啟動(dòng)輪椅電源后，通過按鈕確定是手動(dòng)遙控模式還是語音模式。手動(dòng)模式中，使用者通過紅外遙控的按鈕操控輪椅的運(yùn)動(dòng)。語音模式中，使用者通過設(shè)定好的語音指令，通過發(fā)出語音口令控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。超聲波傳感器持續(xù)檢測(cè)輪椅前后方的障礙物距離，當(dāng)距離小于安全距離，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 控制流程圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以Arduino為主控制器的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)，控制方式靈活，方便輪椅使用者的使用，而且增加了超聲波測(cè)距傳感器，提高了輪椅使用的安全性。