智能輪椅的硬件系統(tǒng)與傳感器設(shè)計(jì)技巧

智能輪椅的任務(wù)是安全、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指令，又需結(jié)合環(huán)境信息啟動自身避障、導(dǎo)航等功能模塊，與移動機(jī)器人不同的是，在使用過程中，輪椅與用戶成為一個(gè)協(xié)同工作的系統(tǒng)。這就要求在設(shè)計(jì)之初就把人這個(gè)因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應(yīng)成為智能輪椅設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為一個(gè)功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統(tǒng)，而模塊化最能體現(xiàn)系統(tǒng)多功能化的特征，每個(gè)用戶都能根據(jù)其自身殘障類型和程度選擇適當(dāng)?shù)哪K集成，且設(shè)計(jì)者可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進(jìn)行改進(jìn)。本文著重就智能輪椅模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。
1 傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
智能輪椅的總功能可以分為以下幾個(gè)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)合具體的研究內(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)如圖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，通過姿態(tài)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(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)動控制模塊我們采用后輪驅(qū)動的方式，每一個(gè)后輪配置一個(gè)電動機(jī)，在控制器的操作下實(shí)現(xiàn)電動輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。人機(jī)交互界面由操作桿和個(gè)人電腦界面數(shù)據(jù)輸入兩種方式，實(shí)現(xiàn)基本的人機(jī)交互功能。

其中，數(shù)據(jù)采集單元擬選擇DSP 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，豐富的外圍接口。它的主頻可達(dá)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;用于電機(jī)控制的外設(shè)，2個(gè)事件管理器;多種標(biāo)準(zhǔn)串口外設(shè)，1個(gè)SPI同步串口、2個(gè)UART異步串口、1個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口、1個(gè)McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器;56個(gè)獨(dú)立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。能夠符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)獨(dú)立的驅(qū)動輪，各自配備一個(gè)電機(jī)碼盤。由2個(gè)電機(jī)碼盤的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成了里程計(jì)式的相對定位傳感器，同時(shí)安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進(jìn)過程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開關(guān)被用于感知周圍環(huán)境信息。為獲取更大范圍內(nèi)的障礙物信息，本系統(tǒng)配備了8個(gè)紅外傳感器和8個(gè)超聲波傳感器。另外安裝了一個(gè)CCD攝像頭用于判斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。
2.1 超聲傳感器與接近開關(guān)
本超聲波測距系統(tǒng)共有8個(gè)超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分別置于輪椅四周各兩個(gè)。為了檢測到一些被超聲波傳感器遺漏或未能及時(shí)處理的障礙，還要在輪椅四周加裝四個(gè)電感式接近開關(guān)。障礙物碰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)接近開關(guān)動作，得到一個(gè)開關(guān)信號(中斷請求信號)，使移動機(jī)器人立即停止運(yùn)行。

超聲波環(huán)境探測電路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，如圖2所示。
升壓放大電路和超聲波發(fā)射換能器組成了超聲波發(fā)射部分。發(fā)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)變壓器升壓放大電路后產(chǎn)生一個(gè)瞬間的高能信號，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號。需要注意的是，超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會直接進(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。為了避免振鈴，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從而導(dǎo)致探測盲區(qū)。在程序處理上，就是在DSP發(fā)射激勵脈沖波以后一段時(shí)間內(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須與發(fā)射部分協(xié)調(diào)一致地工作，才能保證信號準(zhǔn)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(fā)輸出電路組成。由于在超聲波傳播中，其能量會隨著傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射回的回波信號一般比較弱，所以需要經(jīng)過多級信號放大處理后才能夠被DSP中斷輸入端口檢測到。
2.2 編碼器
在智能輪椅系統(tǒng)中，除了要對環(huán)境的距離信息進(jìn)行測量，有時(shí)還要對方位信息進(jìn)行有效的觀測或者估計(jì)。對于大多數(shù)的室內(nèi)移動機(jī)器人系統(tǒng)而言，方位信息一般是通過碼盤信息間接估計(jì)得出的，本系統(tǒng)也采用這種方法。通過計(jì)算從碼盤讀出的信息得出結(jié)果，代價(jià)是需要一定的計(jì)算時(shí)間。
在TMS324LF2407A芯片上有兩個(gè)時(shí)間管理模塊(EV)，每個(gè)EV模塊都有一個(gè)正交編碼脈沖電路，使用該電路后，在兩個(gè)相應(yīng)引腳上即可輸入正交編碼脈沖。該電路可用于連接光電碼盤以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息，但需要注意的是，此時(shí)必須禁止相應(yīng)引腳上的捕獲功能。
正交編碼脈沖電路的時(shí)序可由通用定時(shí)器2(或通用定時(shí)器4，EVB模塊)提供，通用定時(shí)器必須設(shè)置成定向增/減模式，并且以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。
正交編碼脈沖是兩個(gè)頻率變化且正交(相位相差90°)的脈沖，它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(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(shí)，如果發(fā)光二極管發(fā)出的光被擋住，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(gè)低電平脈沖，即“0”，如果旋轉(zhuǎn)位置正好使得光源可以透光線槽，那么光電傳感器感應(yīng)到信號，就發(fā)出一個(gè)高電平脈沖，即“1”。
正交編碼脈沖電路的方向檢測邏輯決定了兩個(gè)脈沖序列中哪一個(gè)是先導(dǎo)序列，接著它就產(chǎn)生方向信號作為通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向輸入，兩列正交輸入脈沖的兩個(gè)邊沿都被正交脈沖編碼電路計(jì)數(shù)，因此，產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍，且把這個(gè)時(shí)鐘作為通用定時(shí)器2或4的輸入時(shí)鐘。圖3給出了正交編碼脈沖、增減計(jì)數(shù)方向及時(shí)鐘的波形。

2.3 姿態(tài)傳感器
本系統(tǒng)區(qū)別于其他輪椅設(shè)計(jì)的一個(gè)最顯著的特點(diǎn)，就是本設(shè)計(jì)能夠僅僅依靠兩個(gè)輪子完成車體的平衡。這個(gè)顯著特征要求它有特殊的結(jié)構(gòu)，基本的設(shè)計(jì)思想為：保持兩個(gè)輪子分別由獨(dú)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，使用檢測車體傾斜角度的傳感器實(shí)時(shí)地獲取車體的姿態(tài)信息，機(jī)器人的處理器將傳感器信號進(jìn)行處理，按照一定的控制算法計(jì)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。
本智能輪椅采用一個(gè)傾角傳感器和一個(gè)陀螺儀的組合構(gòu)成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺的運(yùn)行姿態(tài)。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(yùn)動控制器，根據(jù)編碼器和姿態(tài)傳感器檢測到的平臺運(yùn)行的位移和姿態(tài)信號，通過一定的控制策略計(jì)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(shí)調(diào)整車體平臺的運(yùn)行速度，從而使車體平臺始終保持平衡狀態(tài)。控制電路原理圖如圖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進(jìn)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)。

2.4 攝像頭
用于感知環(huán)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(biāo)志物用以導(dǎo)航等等。攝像頭可直接通過USB與PC機(jī)通訊，在這里不再另外敘述。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)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)做了詳細(xì)的介紹，采用簡單可靠的硬件電路感知環(huán)境信息。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，此系統(tǒng)方案具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、精度高、重復(fù)性好等特點(diǎn)，而且采取了模塊化設(shè)計(jì)，可以更方便地添加新研制的功能模塊和進(jìn)行技術(shù)更新，便于消費(fèi)者根據(jù)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(yīng)用，從而能夠滿足不同消費(fèi)階層的需要。