基于SPCE061A的智能輪椅避障控制系統(tǒng)的設(shè)計

O 引 言
    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)計將會翻一番，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、動手及語言等。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動自由度及重新融人社會，將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動輪椅的智能輪椅被提了出來。智能輪椅又稱輪椅式移動機(jī)器人。可以靈活避障是輪椅智能化的一個重要體現(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
    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距模塊、微處理器模塊、D／A驅(qū)動模塊、電源模塊，如圖1所示。

1．1 多路超聲波測距模塊
    本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由61單片機(jī)通過三路信號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，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，經(jīng)過信號放大電路，變成穩(wěn)定的12 V矩形脈沖信號，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)過信號濾波放大集成電路，觸發(fā)61單片機(jī)中斷。由61單片機(jī)計算渡越時間，從而計算出障礙物的距離，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1．2 微處理器模塊
    選用臺灣凌陽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、定時器／計數(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)動模塊
    系統(tǒng)采用直流永磁電動機(jī)DG一168A左右配對分別來驅(qū)動輪椅左右輪，左、右配對使用DG一168系列具有機(jī)械性能好、過載能力大、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。買回來的電動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。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)。每兩路的電壓加起來要等于5V，當(dāng)黃線電冶高于褐線電壓時，輪椅前進(jìn)；反之輪椅后退，同理，蘭線電壓高于白線電壓時右轉(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。所以通過兩個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61單片機(jī)的3個I／0口相連，分別是數(shù)據(jù)串口DIN、時鐘信號SCLK、片選信號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
    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)計如下：
    主程序主要是通過掃描鍵盤，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)后會根據(jù)探測到的環(huán)境選擇相應(yīng)的避障策略。在避障過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，同時也減小了對測距的干擾，增加了智能輪椅實(shí)時避障的靈敏度。主程序流程圖如圖4所示。

3 實(shí)驗結(jié)果分析
    選用實(shí)驗室外空曠環(huán)境作為輪椅運(yùn)動的測試環(huán)境，對輪椅的運(yùn)動進(jìn)行反復(fù)測試可知，輪椅的運(yùn)動最低平均速度為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)使用者對速度的要求，可以通過改變系統(tǒng)的特定參數(shù)來設(shè)置速度的范圍。
    利用介紹的方法對智能輪椅做自主避障實(shí)驗，智能輪椅自主避障良好。

4 結(jié) 語
    智能輪椅自主避障具有很重要的實(shí)用價值，本文設(shè)計的基于SPCE061A的自主避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性價比高，易于功能擴(kuò)展和移植。系統(tǒng)測試結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達(dá)到實(shí)用化要求。