赵晓艳 高喻达 成慧翔 李凯丽

（山西农业大学信息学院 山西省晋中市 030800）

1 绪论

我国拥有着世界上最多的老年人口数，面对如此强大的老年人群体，老年人的行动不便尤为突出，为了帮助他们重新走出家门，增加他们的幸福感，随着科学技术的发展和大量的人力物力的大量投入我国的智能轮椅研究正处于稳步上升阶段[1]。越来越多的医疗器械的企业与科研单位参与其研究中。未来智能轮椅的发展在人机交互方面和功能的全面性方面智能轮椅让老年人和一些残障人士体验巨大便利。中国科学院研制的智能轮椅，在具备轮椅基本前进后退转向功能的同时，还可以通过语音来实现人机交互。本文通过对智能轮椅的研究，轮椅在工作的过程中配合使用者采用多种传感器对四周环境进行信息采集并控制其实现避障的功能。

2 系统总体设计

由于使用单一传感器所传输的数据得到的信息是比较片面，同时单一传感器的所提供的信息存在一定误差；而智能轮椅要完成帮助用户安全快捷达到目的地的任务，所处的环境信息是十分复杂的，所以在对智能轮椅的硬件部分进行设计时，选择多个传感器监测轮椅周围的障碍物来提高轮椅安全性能。智能轮椅是在普通轮椅上安装多种传感器以及驱动设备实现行走控制和自主避障功能。按照轮椅的功能可以对其进行模块化设计：外部环境感知、主控制、动力提供部分以及显示报警。

3 智能轮椅硬件系统设计

3.1 主控制器模块

主控制器就类似于人的大脑一样，整个智能轮椅的核心关键部分就是主控制器模块，智能轮椅所需要的控制功能以及复杂的运算都需要它来实现。智能轮椅主控芯片的选择非常重要，是轮椅智能控制的关键，智能轮椅的工作都是通过它来控制。在这里选择使用STC89C52 单片机。各个传感器所收集到的信息最终都会汇聚在这里。信号经过处理后在传输给硬件系统的其他部分。循环往复完成工作。

3.2 电机驱动模块

现如今电机驱动芯片种类非常齐全。设计中选择使用L298N驱动芯片。该芯片除了可以驱动多种类电机，最常用的四步控制法来控制一个四相电机。或者可同时控制两个直流电机。相对于其他的驱动板。它的供电电压范围最高可以达到36 伏。功率更强，电流更大。可以降低饱和压。内含两个双H 桥驱动器。内部具有高温保护功能。使用先进的PWM 技术可以提高电机工作效率。相对于传统的分压调速技术。可以使电机做到充分转动，减少发热量。通过单片机控制IN1 和IN2 的高低电平以及脉冲宽度，可以实现对电机转动速度和转动方向的控制[2]。

图1：电机驱动模块电路图

图2：遇到障碍物调试结果

L298N 电机驱动直流电机工作时，OUT1——OUT4 分别为输出信号端，IN1——IN4 为输入控制端。输入端与输出端电平相对应。当IN1 为高电平时，OUT1 也同样；反之依然。当控制两个电机时，IN1-IN2 控制左电机；IN3-IN4 控制右电机。所以为了控制轮椅进行前后左右移动，采用2 个电机作为驱动，如图1 所示。

3.3 红外避障模块

红外传感器通过利用红外线来进行数据处理。具有以下特点；它可以实现非接触式测量，而且还不会受到电磁波的影响；同时红外线可以24 小时进行测量，不受可见光的干扰[3]。但美中不足的是由于红外线容易受到各种颜色的影响。所以在测量中可能会出现偏差。本文中所使用到的是优信电子科技有限公司的红外线避障传感器。

该传感器可在各种光照条件下正常工作。通过一对接收管和发射管共同组成。对比其他种类传感器，它工作更加稳定、驱动能力更强。当需要调节距离时，只需要调节电位器即可实现，方便易用。可以通过逆时针旋转电位器来达到减小设定值的目的，反之则会增大。

该传感器输出的数字信号送至控制模块IO 口，这样控制模块就可以对传输过来信号进行处理。当接通供电电压与接地端之后。会发射一段定频红外线，同时LED 发光。光线反射回来被CDD 接收之后，接着电压比较器会处理接收到的信号。信号被处理过之后，会转换成一个低电平信号，同时LED 管变为绿色。通常情况下黑色物体吸光能力比较强，会吸收大部分红外线；只有一小部分会反射回来。因此检测到的间距会非常小。而相对于黑色物体，白色吸光能力弱；检测到的间距也会随之变大。体积越大的物体反射越好；因此测得间距较远。反之，测得间距会变小。

在红外避障模块电路中，通过滑动变阻器的阻值来模拟传感器与障碍物之间的距离；在电压比较器中“+”表示同向端“-”表示反向端；当同向端电压值大于反向端电压时输出高电平，同时将信号传输给报警模块启动，反之若输出低电压，报警模块则不启动。

3.4 超声波测距模块

为了避免轮椅和周围物体发生碰撞，在设计中利用超声波来探测轮椅和周围物体之间的距离。根据声波在空气中传播的时间，就能够轻易得出距离。当传感器启动时左侧探头会向外发射一束超声波；当遇到不能穿透的障碍时会按照原方向扇形散射；此时右侧探头会不断检测是否有感应到回来的声波。则记录总用时，通过公式计算距离。虽然它具有着诸多的优点，但是在一些情况下还是会受到温度湿度的影响。

采用的超声波测距传感器是优信电子科技有限公司HC-SR04超声波模块CS100A。HC-SR04 测距范围至少达到6 米，远远高于一般超声波测距模块，采用CS-100A 超声测距SOC 芯片它具有着高性能、工业级、低价格等等这些优点。HC-SR04 工作电压为直流3V-5.5V，工作电流为5.3mA。有效工作温度范围广。输出方式为GPI0，探测角度小于15 度。

调节灵敏度和感应角度的下拉电阻，可以调节测距灵敏度与感应角度。增大这个电阻可以得到更远的测量距离，但也会对周围小物体的回波信号更加敏感；减小这个电阻，可以调小感应角度，但是测量范围会变近。

3.5 报警模块

报警模块的设计是在传感器检测到车轮与前方物体之间的距离超过危险距离时开始报警。一旦轮椅进入到危险距离之内，单片机会在最短时间内将信号传给报警电路。蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”声响。做到提醒用户已经进入到危险距离。距离越近，“嘀嘀”声会更加急促。

3.6 液晶显示模块

设计中加入显示模块，将系统内部的重要数据进行显示，用户可通过显示器模块直观的看到轮椅运行的状态以及轮椅与障碍物之间的距离。液晶显示选用LM016L 字符型；在接入的过程中增加排阻作为单片机的上拉电阻使得该IO 口的初始电平为高电平。

3.7 人机接口模块

在按键电路中，按键一端接入IO 口，另外一端接入GND。当使用者按下按键之后，输出端会给出一个低电平信号[4]。因为按键的输入端会被单片机持续监测。所以当监测到启动按键的低电平信号时电机开始运行。当停止按键的低电平被系统监测到时电机不转。若使用者遇到的转弯的情况，则可以按下左转或者右转按键。电机同样通过差速转动实现转向。

4 系统仿真及调试

使用C 语言对主控制器已经电机驱动模块用Keil uVision4 软件进行调试，首先查看工程文件能否正常运行，如果出现问题对错误和BUG 必须进行一次次的修改和检验。

当要开始工作后，如果监测人机接口的启动键动作后，电机开始转动。同时超声波测距模块开始运行，检测的距离会显示在屏幕上。当两者间距超过给定值时，轮椅继续前行。系统测距模块循环测距。当距离小于给定值时，报警电路开始报警，红外避障模块开始工作，两个电机开始差速主动。一直往复循环直到检测到按下停止按键。

通过调试对这些失误进行修改参数或者进行调整，使得系统的性能得以提高，从而达到预先设定的功能，图2 为遇到障碍物后的调速结果图。

5 结论

本文的研究通过对轮椅进行模块化设计，以单片机控制模块作为整个智能轮椅核心；针对轮椅在工作时对障碍物进行实时检测做到轮椅智能避障，本文在智能轮椅设计时分别设计了主控制器模块、电机驱动模块、红外避障模块、超声波测距模块、显示报警模块、人机接口模块，结合了软硬件进行了仿真和调试，验证了轮椅的避障性能良好。未来科技的发展，完善人机交互功能，使其更加便捷和智能，例如语音识别等。