多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計

1、多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計智能輪椅的任務(wù)是平安、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務(wù)。在運(yùn)動過程中，輪椅既需要接受用戶的命令，又需結(jié)合環(huán)境信息啟動自身避障、導(dǎo)航等功能模塊，與移動不同的是，在用法過程中，輪椅與用戶成為一個協(xié)同工作的系統(tǒng)。這就要求在設(shè)計之初就把人這個因素納入考慮之中，所以，平安、舒服和簡單操作應(yīng)成為智能輪椅設(shè)計中最重要的因素；用法者身體能力的差異打算了智能輪椅需被設(shè)計為一個功能多元化，能滿足多種層次需要的系統(tǒng)，而模塊化最能體現(xiàn)系統(tǒng)多功能化的特征，每個用戶都能按照其自身殘障類型和程度挑選適當(dāng)?shù)哪K集成，且設(shè)計者可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過增添功能模塊，很便利地對輪椅功能舉行改進(jìn)。本文著

2、重就智能輪椅模塊化設(shè)計舉行了闡述。1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計智能輪椅的總功能可以分為以下幾個子功能：環(huán)境感知及導(dǎo)航功能、控制功能、驅(qū)動功能和人機(jī)交互功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結(jié)合詳細(xì)的討論內(nèi)容和期望控制目標(biāo)，本系統(tǒng)主要由傳感器模塊、驅(qū)動控制模塊和人機(jī)交互模塊3部分組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1所示。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，通過姿勢傳感器確定輪椅自身的位姿信息；通過的位移速度和距離獲得自定位信息；視覺、超聲波和臨近開關(guān)主要負(fù)責(zé)持續(xù)獲得周圍環(huán)境和障礙物的距離信息。驅(qū)動控制模塊我們采納后輪驅(qū)動的方式，每一個后輪配置一個，在控制器的操作下實現(xiàn)電動輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)

3、向。人機(jī)交互界面由操作桿和個人電腦界面數(shù)據(jù)輸入兩種方式，實現(xiàn)基本的人機(jī)交互功能。其中，數(shù)據(jù)采集單元擬挑選 tms320lf2407a作為傳感器模塊的控制芯片。tms320lf2407a是一款高性能的數(shù)字信號處理器，它具有較高的頻率，豐盛的外圍接口。它的主頻可達(dá)150mhz、低功耗(核18v，io電壓33v)；128kxl6位片上flash，18kxl6位片上sram，4kxl6位片上rom；用于電機(jī)控制的外設(shè)，2個大事管理器；多種標(biāo)準(zhǔn)串口外設(shè)，1個spi同步串口、2個uart異步串口、1個增加型can接口、1個mcbsp同步串口；16通道的12位ad轉(zhuǎn)換器；56個自立可編程、復(fù)用型、通用io口

4、。能夠符合本系統(tǒng)設(shè)計的要求。2 多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理本系統(tǒng)的智能輪椅有2個自立的驅(qū)動輪，各自配備一個電機(jī)碼盤。由2個電機(jī)碼盤的實時檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成了里程計式的相對定位傳感器，同時安裝了傾角傳感器和來測量輪椅在行進(jìn)過程中的姿勢狀態(tài)。超聲波傳感器和臨近開關(guān)被用于感知周圍環(huán)境信息。為獵取更大范圍內(nèi)的障礙物信息，本系統(tǒng)配備了8個傳感器和8個超聲波傳感器。另外安裝了一個ccd攝像頭用于推斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。以下依次介紹上面幾種傳感器的硬件設(shè)計計劃。21 超聲傳感器與臨近開關(guān)本超聲波測距系統(tǒng)共有8個超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分離置于輪椅四面各兩個。為了檢測到一些被超聲波傳感器遺漏或未能準(zhǔn)時

5、處理的障礙，還要在輪椅四面加裝四個式臨近開關(guān)。障礙物遇到防撞橡膠圈引起金屬條發(fā)生變形，產(chǎn)生垂直方向上的位移，觸發(fā)臨近開關(guān)動作，得到一個開關(guān)信號(中斷哀求信號)，使移動機(jī)器人立刻停止運(yùn)行。超聲波環(huán)境探測主要由多路模擬開關(guān)、升壓放大電路、緩沖放大整形電路和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成，2所示。升壓放大電路和超聲波放射換能器組成了超聲波放射部分。放射過程是：首先由dsp的脈寬調(diào)制通道產(chǎn)生一定脈寬的調(diào)制脈沖波，經(jīng)升壓放大電路后產(chǎn)生一個眨眼的高能信號，激發(fā)超聲波放射換能器產(chǎn)生超聲波信號。需要注重的是，超聲波在放射的眨眼，有部分聲波會挺直進(jìn)入超聲波接收端，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的虛假反射波，造成所謂的振鈴現(xiàn)象。為了避開振

6、鈴，需要舉行軟件延時處理，從而導(dǎo)致探測盲區(qū)。在程序處理上，就是在dsp放射激勵脈沖波以后一段時光內(nèi)將相應(yīng)的cap中斷關(guān)閉，盲區(qū)間隔過了以后再將cap中斷打開。超聲波的接收部分必需與放射部分協(xié)調(diào)全都地工作，才干保證信號精確敏捷地接收。此部分主要由超聲波接收換能器、放大濾波、整形觸發(fā)輸出電路組成。因為在超聲波傳揚(yáng)中，其能量會隨著傳揚(yáng)距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射回的回波信號普通比較弱，所以需要經(jīng)過多級信號放大處理后才干夠被dsp中斷輸入端口檢測到。22 編碼器在智能輪椅系統(tǒng)中，除了要對環(huán)境的距離信息舉行測量，有時還要對方位信息舉行有效的觀測或者估量。對于大多數(shù)的室內(nèi)移動機(jī)器人系統(tǒng)而言，方位信

7、息普通是通過碼盤信息間接估量得出的，本系統(tǒng)也采納這種辦法。通過計算從碼盤讀出的信息得出結(jié)果，代價是需要一定的計算時光。在tms324lf2407a芯片上有兩個時光管理模塊(ev)，每個ev模塊都有一個正交編碼脈沖電路，用法該電路后，在兩個相應(yīng)引腳上即可輸入正交編碼脈沖。該電路可用于銜接光電碼盤以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息，但需要注重的是，此時必需禁止相應(yīng)引腳上的捕捉功能。正交編碼脈沖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，通用定時器必需設(shè)置成定向增減模式，并且以正交編碼脈沖電路作為時鐘源。正交編碼脈沖是兩個頻率變幻且正交(相位相差90°)的脈沖，它由電機(jī)軸上

8、的光電編碼器產(chǎn)生，碼盤在電機(jī)軸上并且有許多空線槽，可以透光，當(dāng)電機(jī)帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，假如發(fā)光發(fā)出的光被攔住，那么后面的光電傳感器就接收不到信號，然后光電傳感器發(fā)出一個低電平脈沖，即“0”，假如旋轉(zhuǎn)位置正巧使得光源可以透光芒槽，那么光電傳感器感應(yīng)到信號，就發(fā)出一個高電平脈沖，即“1”。正交編碼脈沖電路的方向檢測規(guī)律打算了兩個脈沖序列中哪一個是先導(dǎo)序列，接著它就產(chǎn)生方向信號作為通用定時器的計數(shù)方向輸入，兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交脈沖編碼電路計數(shù)，因此，產(chǎn)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給出了正交編碼脈沖、增減計數(shù)方向準(zhǔn)時鐘的波形。23 姿勢傳

9、感器本系統(tǒng)區(qū)分于其他輪椅設(shè)計的一個最顯著的特點，就是本設(shè)計能夠僅僅依賴兩個輪子完成車體的平衡。這個顯著特征要求它有特別的結(jié)構(gòu)，基本的設(shè)計思想為：保持兩個輪子分離由自立的直流電動機(jī)驅(qū)動，并且在一條軸線上，車體的重心保持在輪軸以上，用法檢測車體傾斜角度的傳感器實時地獵取車體的姿勢信息，機(jī)器人的處理器將傳感器信號舉行處理，根據(jù)一定的控制算法計算出控制量控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)或后退，完成車體的平衡。本智能輪椅采納一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合構(gòu)成姿勢傳感器來檢測車體平臺的運(yùn)行姿勢。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

10、運(yùn)動控制器，按照編碼器和姿勢傳感器檢測到的平臺運(yùn)行的位移和姿勢信號，通過一定的控制策略計算出控制量，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動器放大后驅(qū)動直流電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨時調(diào)節(jié)車體平臺的運(yùn)行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。控制電路原理圖4所示。控制板采集來自傾角和角速度傳感器的信號并對信號舉行調(diào)理(濾波、整形、偏移)，然后將信號傳送到控制板中，經(jīng)過dsp的運(yùn)算處理(控制算法由電動車系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)而出)，通過dsp的兩路脈寬調(diào)制將控制信號發(fā)出，再經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，控制輪椅保持平衡狀態(tài)。24 攝像頭用于感知環(huán)境的深度信息，如推斷前方是否有樓梯以及提取樓梯的高度信息，提取路線標(biāo)記物用以導(dǎo)航等等。攝像頭可挺直通過與pc機(jī)通訊，在這里不再另外講述。3 結(jié)束語本文設(shè)計了用于智能輪椅的多傳感器環(huán)境感知系統(tǒng)，對各數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)做了具