基于SPCE061A的智能轮椅避障控制系统的设计

　　O 引 言

　　全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失。如行走、视力、动手及语言等。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融人社会，将智能机器人技术应用于电动轮椅的智能轮椅被提了出来。智能轮椅又称轮椅式移动机器人。可以灵活避障是轮椅智能化的一个重要体现。

　　避障就是指机器人根据获得的障碍物信息，做出相应的避障决策。本课题采用超声波传感器获取机器人外部障碍物信息，再把障碍物信息传给上位机，由上位机根据得到的障碍物信息做出相应的避障决策。

　　1 智能轮椅自主避障硬件设计

　　智能轮椅自主避障系统的硬件结构主要包括多路超声波测距模块、微处理器模块、D／A驱动模块、电源模块，如图1所示。

　　1．1 多路超声波测距模块

　　本智能轮椅自主避障系统采用超声波传感器测量障碍物的距离，工作时，由61单片机通过三路信号线选通多路模拟开关，由多路模拟开关负责每一路超声波传感器的通断。每一路超声波传感器工作时，都由61单片机的IOB9口发射出频率为40 kHz，幅值为5 V的矩形脉冲信号，经过信号放大电路，变成稳定的12 V矩形脉冲信号，由超声波发射换能器发射出超声波。超声波遇到障碍物返回，由超声波接收换能器接收，经过信号滤波放大集成电路，触发61单片机中断。由61单片机计算渡越时间，从而计算出障碍物的距离，总体结构框图如图2所示。

　　1．2 微处理器模块

　　选用台湾凌阳16位单片机SPCE061A作为系统的核心，SPCE061A主要包括通用I／O端口、定时器／计数器、A／D转换器、D／A转换器、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和低电压复位等部分，并且内置了在线仿真电路ICE接口，SPCE061A具有体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展，较强的中断处理能力，高性能价格比，功能强、效率高的指令系统，低功耗、低电压等特点。采用SPCE061A作为机器人系统的核心部件，由61单片机处理障碍物数据信息，并根据数据信息做出相应的避障决策。使智能轮椅灵活避障。

　　1．3 D／A驱动模块

　　系统采用直流永磁电动机DG一168A左右配对分别来驱动轮椅左右轮，左、右配对使用DG一168系列具有机械性能好、过载能力大、平衡性好、调速性宽阔平滑、噪音低之优点。DG一168A电机功率为168W，使用电压为24 V。买回来的电动轮椅本身自带手柄控制，经研究发现，手柄部分共六条线，红、黑、黄、褐、兰、白，输出四路信号。黄、褐两路控制轮椅前进后退；兰、白两路控制轮椅左转右转(如表1所示)。每两路的电压加起来要等于5V，当黄线电冶高于褐线电压时，轮椅前进；反之轮椅后退，同理，兰线电压高于白线电压时右转；反之左转。

　　本课题的D／A模拟电路的B1，A1，A2，B2的电压输出分别代替了黄、褐、兰、白四条线的电压输出。所以通过两个D／A转换器TLV5618的输出，代替了手柄控制，具体转换电路如图3所示。

　　TLV5618与凌阳61单片机的3个I／0口相连，分别是数据串口DIN、时钟信号SCLK、片选信号CS。MC1403只有3只脚有效，VDD，VSS及供给DA 2．5 V的参考电压。

　　1．4 电源模块

　　电路驱动模块中用到了24 V，12 V，5 V三种电源，选用24 V，24 Ah的高能充电蓄电池作为动力能源，它为电机直接提供24 V工作电压，12 V，5 V分别通过7812，7805芯片由24 V转换得到。

　　2 智能轮椅自主避障软件设计

　　系统软件是在61单片机集成开发环境IDE2．O．O上开发的，该集成开发环境集程序的编辑、编译、链接、调试以及仿真等功能为一体，具有友好的交互界面，使用户的编程、调试工作更加方便且高效。

　　主程序设计如下：

　　主程序主要是通过扫描键盘，等候用户指令，不在避障状态下扫描等候，而进入避障状态后会根据探测到的环境选择相应的避障策略。在避障过程中若用户按下停止键则退出避障循环，主程序采用键盘扫描，节约了61单片机的中断资源，同时也减小了对测距的干扰，增加了智能轮椅实时避障的灵敏度。主程序流程图如图4所示。

　　3 实验结果分析

　　选用实验室外空旷环境作为轮椅运动的测试环境，对轮椅的运动进行反复测试可知，轮椅的运动最低平均速度为16 cm／s，最高平均速度为41 cm／s；转弯半径为50 cm左右，根据使用者对速度的要求，可以通过改变系统的特定参数来设置速度的范围。

　　利用介绍的方法对智能轮椅做自主避障实验，智能轮椅自主避障良好。

　　4 结 语

　　智能轮椅自主避障具有很重要的实用价值，本文设计的基于SPCE061A的自主避障系统结构简单，性价比高，易于功能扩展和移植。系统测试结果表明该系统基本达到实用化要求。