多傳感器智能輪椅的硬體系統設計

　　0 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/266076.htm

　　智能輪椅的任務是安全、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務。在運動過程中，輪椅既需要接受用戶的指令，又需結合環境信息啟動自身避障、導航等功能模塊，與移動機器人不同的是，在使用過程中，輪椅與用戶成為一個協同工作的系統。這就要求在設計之初就把人這個因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應成為智能輪椅設計中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設計為一個功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統，而模塊化最能體現系統多功能化的特徵，每個用戶都能根據其自身殘障類型和程度選擇適當的模塊集成，且設計者可以在現有基礎上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進行改進。本文著重就智能輪椅模塊化設計進行了闡述。

　　1 傳感器系統總體結構設計

　　智能輪椅的總功能可以分為以下幾個子功能：環境感知及導航功能、控制功能、驅動功能和人機互動功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結合具體的研究內容和期望控制目標，本系統主要由傳感器模塊、驅動控制模塊和人機互動模塊3部分組成，硬體系統結構如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內部狀態感知和外部環境感知兩部分構成，通過姿態傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺、超聲波和接近開關主要負責持續獲得周圍環境和障礙物的距離信息。驅動控制模塊我們採用後輪驅動的方式，每一個後輪配置一個電動機，在控制器的操作下實現電動輪椅的前進、後退和轉向。人機互動界面由操作杆和個人電腦界面數據輸入兩種方式，實現基本的人機互動功能。

　　

 

　　其中，數據採集單元擬選擇DSP TMS320LF2407A作為傳感器模塊的控制晶片。TMS320LF2407A是一款高性能的數位訊號處理器，它具有較高的頻率，豐富的外圍接口。它的主頻可達150MHz、低功耗(核電壓1.8V，I/O電壓3.3V);128kXl6位片上FLASH，18kXl6位片上SRAM，4kXl6位片上ROM;用於電機控制的外設，2個事件管理器;多種標準串口外設，1個SPI同步串口、2個UART異步串口、1個增強型CAN總線接口、1個McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉換器;56個獨立可編程、復用型、通用I/O口。能夠符合本系統設計的要求。

　　2 多傳感器數據採集與處理

　　本系統的智能輪椅有2個獨立的驅動輪，各自配備一個電機碼盤。由2個電機碼盤的實時檢測數據構成了裡程計式的相對定位傳感器，同時安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進過程中的姿態狀態。超聲波傳感器和接近開關被用於感知周圍環境信息。為獲取更大範圍內的障礙物信息，本系統配備了8個紅外傳感器和8個超聲波傳感器。另外安裝了一個CCD攝像頭用於判斷前方行進路程中的深度信息。

　　以下依次介紹上面幾種傳感器的硬體設計方案。

　　2.1 超聲傳感器與接近開關

　　本超聲波測距系統共有8個超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分別置於輪椅四周各兩個。為了檢測到一些被超聲波傳感器遺漏或未能及時處理的障礙，還要在輪椅四周加裝四個電感式接近開關。障礙物碰到防撞橡膠圈引起金屬條發生變形，產生垂直方向上的位移，觸發接近開關動作，得到一個開關信號(中斷請求信號)，使移動機器人立即停止運行。

　　超聲波環境探測電路主要由多路模擬開關、升壓放大電路、緩衝放大整形電路和超聲波換能器等環節構成，如圖2所示。

　　

 

　　升壓放大電路和超聲波發射換能器組成了超聲波發射部分。發射過程是：首先由DSP的脈寬調製通道產生一定脈寬的調製脈衝波，經變壓器升壓放大電路後產生一個瞬間的高能信號，激發超聲波發射換能器產生超聲波信號。需要注意的是，超聲波在發射的瞬間，有部分聲波會直接進入超聲波接收端，從而產生很強的虛假反射波，造成所謂的振鈴現象。為了避免振鈴，需要進行軟體延時處理，從而導致探測盲區。在程序處理上，就是在DSP發射激勵脈衝波以後一段時間內將相應的CAP中斷關閉，盲區間隔過了以後再將CAP中斷打開。超聲波的接收部分必須與發射部分協調一致地工作，才能保證信號準確靈敏地接收。此部分主要由超聲波接收換能器、放大濾波、整形觸發輸出電路組成。由於在超聲波傳播中，其能量會隨著傳播距離的增大而減小，從遠距離障礙物反射回的回波信號一般比較弱，所以需要經過多級信號放大處理後才能夠被DSP中斷輸入埠檢測到。

　　2.2 編碼器

　　在智能輪椅系統中，除了要對環境的距離信息進行測量，有時還要對方位信息進行有效的觀測或者估計。對於大多數的室內移動機器人系統而言，方位信息一般是通過碼盤信息間接估計得出的，本系統也採用這種方法。通過計算從碼盤讀出的信息得出結果，代價是需要一定的計算時間。

　　在TMS324LF2407A晶片上有兩個時間管理模塊(EV)，每個EV模塊都有一個正交編碼脈衝電路，使用該電路後，在兩個相應引腳上即可輸入正交編碼脈衝。該電路可用於連接光電碼盤以獲得旋轉機械的位置和速率等信息，但需要注意的是，此時必須禁止相應引腳上的捕獲功能。

　　正交編碼脈衝電路的時序可由通用定時器2(或通用定時器4，EVB模塊)提供，通用定時器必須設置成定向增/減模式，並且以正交編碼脈衝電路作為時鐘源。

　　正交編碼脈衝是兩個頻率變化且正交(相位相差90°)的脈衝，它由電機軸上的光電編碼器產生，碼盤在電機軸上並且有許多空線槽，可以透光，當電機帶動碼盤轉動時，如果發光二極體發出的光被擋住，那麼後面的光電傳感器就接收不到信號，然後光電傳感器發出一個低電平脈衝，即「0」，如果旋轉位置正好使得光源可以透光線槽，那麼光電傳感器感應到信號，就發出一個高電平脈衝，即「1」。

　　正交編碼脈衝電路的方向檢測邏輯決定了兩個脈衝序列中哪一個是先導序列，接著它就產生方向信號作為通用定時器的計數方向輸入，兩列正交輸入脈衝的兩個邊沿都被正交脈衝編碼電路計數，因此，產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍，且把這個時鐘作為通用定時器2或4的輸入時鐘。圖3給出了正交編碼脈衝、增減計數方向及時鐘的波形。

　　

 

　　2.3 姿態傳感器

　　本系統區別於其他輪椅設計的一個最顯著的特點，就是本設計能夠僅僅依靠兩個輪子完成車體的平衡。這個顯著特徵要求它有特殊的結構，基本的設計思想為：保持兩個輪子分別由獨立的直流電動機驅動，並且在一條軸線上，車體的重心保持在輪軸以上，使用檢測車體傾斜角度的傳感器實時地獲取車體的姿態信息，機器人的處理器將傳感器信號進行處理，按照一定的控制算法計算出控制量控制電動機的轉速和轉向，驅動機器人前進或後退，完成車體的平衡。

　　本智能輪椅採用一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合構成姿態傳感器來檢測車體平臺的運行姿態。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。

　　以TMS320LF2407A為控制核心的運動控制器，根據編碼器和姿態傳感器檢測到的平臺運行的位移和姿態信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經脈寬調製控制及驅動器放大後驅動直流電動機運轉，隨時調整車體平臺的運行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態。控制電路原理圖如圖4所示。控制板採集來自傾角和角速度傳感器的信號並對信號進行調理(濾波、整形、偏移)，然後將信號傳送到控制板中，經過DSP的運算處理(控制算法由電動車系統的數學模型推導而出)，通過DSP的兩路脈寬調製將控制信號發出，再經過電機驅動模塊驅動電機運轉，控制輪椅保持平衡狀態。

　　

 

　　2.4 攝像頭

　　用於感知環境的深度信息，如判斷前方是否有樓梯以及提取樓梯的高度信息，提取路途標誌物用以導航等等。攝像頭可直接通過USB與PC機通訊，在這裡不再另外敘述。

　　3 結束語

　　本文設計了用於智能輪椅的多傳感器環境感知系統，對各數據採集子系統做了詳細的介紹，採用簡單可靠的硬體電路感知環境信息。經實驗證明，此系統方案具有硬體電路結構簡單、工作可靠、精度高、重複性好等特點，而且採取了模塊化設計，可以更方便地添加新研製的功能模塊和進行技術更新，便於消費者根據自身生活需要，選擇和組合各模塊，使各功能模塊得到充分的應用，從而能夠滿足不同消費階層的需要。