牛鳳英　張　華　劉繼忠　吳學(xué)沛

摘 要：應(yīng)用超聲波傳感器多路測(cè)距技術(shù)和凌陽(yáng)大學(xué)的61單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了普通輪椅各個(gè)方向上的自主避障，介紹了該避障系統(tǒng)的多路測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊，給出了超聲避障測(cè)距與控制程序，并進(jìn)行了輪椅自主避障及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于SPCE061A的智能輪椅自主避障控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高，易于功能擴(kuò)展和移植，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：超聲波傳感器；避障；SPCE061A；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-116-03

Design of Obstacle Avoidance Control System for Intelligent Wheelchair Based on SPCE061A

NIU Fengying1,2,ZHANG Hua LIU Jizhong WU Xuepei1

(1.Key Lab of Robot & Welding Automation of Jiangxi,Nanchang University,Nanchang,330031,China;

2.Mechano-electronics Engineering College,Nanchang University,Nanchang,330031,China)

Abstract：Ultrasonic sensors and SPCE061A microcontroller technology is applied to achieve a common wheelchair autonomous obstacle avoidance in each directions,the system module of measure distance,the drive module of electric motor and the module of power source are introdued.It designs obstacle avoidance,control procedures,auto obstacle avoidance and related experiments.Experiment shows that the frame of obstacle avoidance control system based on SPCE061A is simple,the ratio of capability to price is high,the system can be enlarged in function and transplanted easily and has wide application foreground.

Keywords：ultrasonic sensors;obstacle avoidance;SPCE061A;driver module of electric motor

0 引 言

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(yǔ)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(lái)。智能輪椅又稱(chēng)輪椅式移動(dòng)機(jī)器人?？梢造`活避障［1］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［2］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(guò)三路信號(hào)線(xiàn)選通多路模擬開(kāi)關(guān)，由多路模擬開(kāi)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)［3］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(guò)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(guò)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(yáng)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(xiàn)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)［3］。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［4］

系統(tǒng)采用直流永磁電動(dòng)機(jī)DG-168A左右配對(duì)分別來(lái)驅(qū)動(dòng)輪椅左右輪，左、右配對(duì)使用DG-168系列具有機(jī)械性能好、過(guò)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-168A電機(jī)功率為168 W，使用電壓為24 V。買(mǎi)回來(lái)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(xiàn)，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?lái)要等于5 V，當(dāng)黃線(xiàn)電冶高于褐線(xiàn)電壓時(shí)，輪椅前進(jìn)；反之輪椅后退，同理，蘭線(xiàn)電壓高于白線(xiàn)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(xiàn)的電壓輸出。

所以通過(guò)兩個(gè)D/A［4］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(yáng)61單片機(jī)的3個(gè)I/O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(guò)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(kāi)發(fā)環(huán)境IDE2.0.0上開(kāi)發(fā)的，該集成開(kāi)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(hù)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(guò)掃描鍵盤(pán)，等候用戶(hù)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(guò)程中若用戶(hù)按下停止鍵則退出避障循環(huán),主程序采用鍵盤(pán)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(guò)改變系統(tǒng)的特定參數(shù)來(lái)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(yǔ)

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?xún)r(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。

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作者簡(jiǎn)介

牛鳳英 女，1983年出生，在讀碩士研究生。

張 華 男，1964年出生，教授，博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人智能化、智能自動(dòng)化技術(shù)、智能結(jié)構(gòu)快速制造技術(shù)。

劉繼忠 男，1974年出生，副教授。研究領(lǐng)域?yàn)槌暀z測(cè)，服務(wù)機(jī)器人。