全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快,，今后50年內(nèi)，60歲以上的人口比例預(yù)計(jì)將會(huì)翻一番,，由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加,，他們存在不同程度的能力喪失。如行走,、視力,、動(dòng)手及語言等。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具,，幫助他們提高行動(dòng)自由度及重新融人社會(huì),，將智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)輪椅的智能輪椅被提了出來。智能輪椅又稱輪椅式移動(dòng)機(jī)器人,。可以靈活避障是輪椅智能化的一個(gè)重要體現(xiàn),。
避障就是指機(jī)器人根據(jù)獲得的障礙物信息,，做出相應(yīng)的避障決策。本課題采用超聲波傳感器獲取機(jī)器人外部障礙物信息,，再把障礙物信息傳給上位機(jī),，由上位機(jī)根據(jù)得到的障礙物信息做出相應(yīng)的避障決策。
1 智能輪椅自主避障硬件設(shè)計(jì)
智能輪椅自主避障系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括多路超聲波測(cè)距模塊,、微處理器模塊,、D／A驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊，如圖1所示,。
1．1 多路超聲波測(cè)距模塊
本智能輪椅自主避障系統(tǒng)采用超聲波傳感器測(cè)量障礙物的距離,，工作時(shí)，由61單片機(jī)通過三路信號(hào)線選通多路模擬開關(guān),，由多路模擬開關(guān)負(fù)責(zé)每一路超聲波傳感器的通斷,。每一路超聲波傳感器工作時(shí)，都由61單片機(jī)的IOB9口發(fā)射出頻率為40 kHz,，幅值為5 V的矩形脈沖信號(hào),，經(jīng)過信號(hào)放大電路，變成穩(wěn)定的12 V矩形脈沖信號(hào),，由超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波,。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收,，經(jīng)過信號(hào)濾波放大集成電路,，觸發(fā)61單片機(jī)中斷。由61單片機(jī)計(jì)算渡越時(shí)間,，從而計(jì)算出障礙物的距離,，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
1．2 微處理器模塊
選用臺(tái)灣凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為系統(tǒng)的核心,，SPCE061A主要包括通用I／O端口,、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、A／D轉(zhuǎn)換器,、D／A轉(zhuǎn)換器,、串行設(shè)備輸入輸出、通用異步串行接口,、低電壓監(jiān)測(cè)和低電壓復(fù)位等部分,，并且內(nèi)置了在線仿真電路ICE接口，SPCE061A具有體積小,、集成度高,、可靠性好且易于擴(kuò)展，較強(qiáng)的中斷處理能力,，高性能價(jià)格比,，功能強(qiáng)、效率高的指令系統(tǒng),，低功耗,、低電壓等特點(diǎn)。采用SPCE061A作為機(jī)器人系統(tǒng)的核心部件,，由61單片機(jī)處理障礙物數(shù)據(jù)信息,，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息做出相應(yīng)的避障決策,。使智能輪椅靈活避障。
1．3 D／A驅(qū)動(dòng)模塊
系統(tǒng)采用直流永磁電動(dòng)機(jī)DG一168A左右配對(duì)分別來驅(qū)動(dòng)輪椅左右輪,，左,、右配對(duì)使用DG一168系列具有機(jī)械性能好、過載能力大,、平衡性好,、調(diào)速性寬闊平滑、噪音低之優(yōu)點(diǎn),。DG一168A電機(jī)功率為168W,，使用電壓為24 V。買回來的電動(dòng)輪椅本身自帶手柄控制,，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),，手柄部分共六條線，紅,、黑,、黃、褐,、蘭,、白，輸出四路信號(hào),。黃,、褐兩路控制輪椅前進(jìn)后退；蘭,、白兩路控制輪椅左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)(如表1所示),。每?jī)陕返碾妷杭悠饋硪扔?V，當(dāng)黃線電冶高于褐線電壓時(shí),，輪椅前進(jìn),；反之輪椅后退，同理,，蘭線電壓高于白線電壓時(shí)右轉(zhuǎn),；反之左轉(zhuǎn)。
本課題的D／A模擬電路的B1,，A1,，A2，B2的電壓輸出分別代替了黃,、褐、蘭,、白四條線的電壓輸出,。所以通過兩個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器TLV5618的輸出,，代替了手柄控制，具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,。
TLV5618與凌陽61單片機(jī)的3個(gè)I／0口相連,，分別是數(shù)據(jù)串口DIN、時(shí)鐘信號(hào)SCLK,、片選信號(hào)CS,。MC1403只有3只腳有效，VDD,，VSS及供給DA 2．5 V的參考電壓,。
1．4 電源模塊
電路驅(qū)動(dòng)模塊中用到了24 V，12 V,，5 V三種電源,，選用24 V，24 Ah的高能充電蓄電池作為動(dòng)力能源,，它為電機(jī)直接提供24 V工作電壓,，12 V，5 V分別通過7812,，7805芯片由24 V轉(zhuǎn)換得到,。
2 智能輪椅自主避障軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件是在61單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境IDE2．O．O上開發(fā)的，該集成開發(fā)環(huán)境集程序的編輯,、編譯,、鏈接、調(diào)試以及仿真等功能為一體,，具有友好的交互界面,，使用戶的編程、調(diào)試工作更加方便且高效,。
主程序設(shè)計(jì)如下：
主程序主要是通過掃描鍵盤,，等候用戶指令，不在避障狀態(tài)下掃描等候,，而進(jìn)入避障狀態(tài)后會(huì)根據(jù)探測(cè)到的環(huán)境選擇相應(yīng)的避障策略,。在避障過程中若用戶按下停止鍵則退出避障循環(huán)，主程序采用鍵盤掃描,，節(jié)約了61單片機(jī)的中斷資源,，同時(shí)也減小了對(duì)測(cè)距的干擾，增加了智能輪椅實(shí)時(shí)避障的靈敏度,。主程序流程圖如圖4所示,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
選用實(shí)驗(yàn)室外空曠環(huán)境作為輪椅運(yùn)動(dòng)的測(cè)試環(huán)境，對(duì)輪椅的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試可知,，輪椅的運(yùn)動(dòng)最低平均速度為16 cm／s,，最高平均速度為41 cm／s,；轉(zhuǎn)彎半徑為50 cm左右，根據(jù)使用者對(duì)速度的要求,，可以通過改變系統(tǒng)的特定參數(shù)來設(shè)置速度的范圍,。
利用介紹的方法對(duì)智能輪椅做自主避障實(shí)驗(yàn)，智能輪椅自主避障良好,。
4 結(jié) 語
智能輪椅自主避障具有很重要的實(shí)用價(jià)值,，本文設(shè)計(jì)的基于SPCE061A的自主避障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高,，易于功能擴(kuò)展和移植,。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)基本達(dá)到實(shí)用化要求。