張奎+王建南

摘 要：針對老人和身體殘疾者經(jīng)常出現(xiàn)在沒有別人幫助、無法正常進行日常生活的情況，文中設計了一款可以幫助身體殘疾和行動不便老年人的智能輪椅。在快節(jié)奏的生活中，我們通常沒有足夠的時間去照顧別人，所以老年人和身體殘疾的人群可獨立進行日常生活顯得尤為重要。文中設計的智能輪椅的導航系統(tǒng)由加速度計和磁力計組成，系統(tǒng)設有一個導航板用于輪椅方向的控制，可以手持或佩戴在頭上。該輪椅還具有四個超聲波傳感器、實時位置跟蹤和智能避障系統(tǒng)，并利用RFID跟蹤建筑物內(nèi)的輪椅和語音導航系統(tǒng)來輔助視障者。

關鍵詞：智能輪椅；位置跟蹤；智能避障；RFID

中圖分類號：TP393；TH789 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-02

0 引 言

輪椅是幫助殘疾人士進入社會交流最常用的工具。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全球有超過6 500萬人需要坐輪椅，占全球人口的1%。我國有超過3 000萬人口具有與運動有關的身體殘疾。對身體殘疾者和老年人來說，能夠生活自理至關重要。輪椅作為一種可以幫助這些人在不需要別人幫助的情況下進行正常生活的工具具有重要意義。本文設計的新型多用途輪椅可以幫助這些殘疾人士實現(xiàn)自由行動。

目前國內(nèi)外一些學者在這方面做了許多工作，文獻[1]提出的一種可用于車輛附近障礙物檢測、交通信號燈檢測的系統(tǒng)便可以擴展到輪椅上。

S.Manogna等人[2]提出了一種在加速度計幫助下具有導航功能的輪椅系統(tǒng)，但該系統(tǒng)缺乏障礙物檢測系統(tǒng)。松本yoshio提出了基于眼球和大腦運進行動控制輪椅的人機接口，為了使輪椅運動，使用者必須查看他想要到達的目的地，然后通過點頭或者搖頭控制輪椅的運動或停止。但該系統(tǒng)的椅子后面必須連接計算機對數(shù)據(jù)進行處理，導致系統(tǒng)體積很大且成本高昂。同時該系統(tǒng)缺少障礙物檢測能力，對盲人沒有太多用處。

本文設計的輪椅在原有輪椅的基礎上拓展了諸多功能，可以被身體殘疾、視力受損、行動不便的老年人使用。文中設計的控制系統(tǒng)可以安裝在任何電動輪椅上，無需做過多修改，同時還可提供語音指導工具，對視障人士進行語音指導。其子系統(tǒng)使用常用的廉價MP3播放器與微控制器連接，預錄音文件放在該MP3中，存儲在微控制器中的算法根據(jù)要求執(zhí)行所需剪輯，從而向用戶提供必要的幫助。

1 系統(tǒng)概述

輪椅的整個控制系統(tǒng)可以分為導航子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、語音導航子系統(tǒng)、障礙物檢測子系統(tǒng)四大模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

1.1 導航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于輪椅導航，便于用戶將輪椅向任何方向移動。該系統(tǒng)主要由加速度計和磁力計組成，外形為一個小的導航板，可以戴在手腕或頭上，按照所需的運動方向傾斜導航板便可以使輪椅向相應的方向移動。X和Y軸的數(shù)據(jù)從加速度計中讀取，與上限和下限比較，如果在范圍內(nèi)，則執(zhí)行相應動作。該過程可以防止由于意外沖擊造成讀取數(shù)據(jù)突變，導致椅子失速，對用戶造成傷害。表1所列為讀數(shù)的上限和下限。

磁力計用于指示方向，對于有視力障礙的人來說至關重要，地磁北方向可以通過磁力計顯示，用戶通過振動墊感知該方向。振動墊由四個振動馬達和一個開關組成，當用戶需要指引北面方向時，位于北部的電機開始振動。

1.2 定位子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)使用有源RFID技術構建，用于實時定位監(jiān)控輪椅在室內(nèi)的位置。將有源RFID標簽放置在室內(nèi)一些重要地方，用戶可以通過語音系統(tǒng)獲得當前輪椅所在位置，比如靠近樓梯，門口或者不同路徑通向不同地點的路口。輪椅進入便簽范圍后，附在輪椅上的RFID接收器會獲得標簽的唯一ID并將信息傳遞給微控制器。微控制器將接收到的ID與預先存儲的ID列表進行對比，找到信息相匹配的ID位置，生成MP3播放器控制信號。

1.3 語音導航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由一個MP3播放器和微控制器組成，適合為視覺受損的人群提供導航。MP3播放器中預裝了剪輯音頻，當輪椅運動到RFID標簽范圍內(nèi)時，微控制器將接收到唯一的標簽ID，然后向MP3播放器發(fā)送信號，播放特定的剪輯音頻，從而向用戶提供周圍的環(huán)境信息。用戶通過耳機收聽音頻，可以很清楚地知道自己目前所處位置，以及可以到達的地方。

1.4 障礙物檢測子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由超聲波傳感器組成，用以檢測障礙物。這些傳感器可以發(fā)出頻率遠高于人耳可感知的頻率范圍的聲波，這些聲波撞擊到物體后會產(chǎn)生反射聲波并被傳感器接收，因此，通過測量聲波來往的總時間，就可以計算出離障礙物的距離。其計算公式為：

式中：s為離障礙物的距離，t為測量聲波來回的時間。在該系統(tǒng)中，我們設定40 cm為極限。如果任何障礙物接近該極限，蜂鳴器便會被激活并告知用戶。但如果障礙物更靠近輪椅，則停止該方向的運動。

該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

2 硬件選擇

2.1 加速度計和磁力計

加速度計是一種微電機系統(tǒng)，可以測量無論是由重力還是運動所產(chǎn)生的加速度。磁力計用于測量磁場強度，在某些情況下還可以測量空間的磁場方向。本文使用LSM303DLHC模塊，該模塊由一個數(shù)字3軸加速度計和3軸磁力計構成，而且滿足I2C通信協(xié)議。該模塊的加速度測量范圍為±2～±16 g，滿量程磁場測量范圍為±1.3～±8.1 Gs。

2.2 超聲波測距儀

超聲波傳感器的工作原理類似雷達或聲納，它們都會產(chǎn)生高頻聲波并接收反射回來的聲波。傳感器計算發(fā)送信號和接收回波之間的時間間隔，計算確定距離物體的位置。本文使用HC-SR04超聲波傳感器，工作頻率為40 Hz，可以測量2～350 cm的距離，精度為3 mm。

2.3 有源RFID

為了自動識別和跟蹤附加到對象的標簽，本文采用無線非接觸式射頻識別（RFID），利用射頻電磁場進行數(shù)據(jù)傳輸。有源RFID標簽采用電池供電，功耗低，識別范圍相對較長。本系統(tǒng)使用的RFID工作頻率為433 MHz，識別范圍為4～5 m。endprint

3 結 語

本文設計的系統(tǒng)可為身體殘疾人士、視力受損人士和老人提供一些正常生活所需的幫助。該系統(tǒng)成本低、易實現(xiàn)，配有用于輪椅運動的加速度計和用于障礙物檢測的超聲波傳感器。該系統(tǒng)的語音導航功能可以隨時指引用戶到達目的地。因此，該系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義，可有效協(xié)助需要幫助的人群。

參考文獻

[1] Srinivasavaradhan L，Chandramouli G. Automated vehicles for physically and visually challenged[J].International Conference on Perspective Technologies and Methods in MEMS Design，2008，4（3）：40-43.

[2] Manogna S ，Vaishnavi S at al.Head Movement Based Assist System for Physically Challenged[J].4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering （ICBBE），2010，6（2）：1-4.

[3]劉釗.基于多傳感器信息融合的智能輪椅避障運動控制研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2015.

[4]郭清鋒.智能輪椅室內(nèi)定位系統(tǒng)的研究[D].天津：天津科技大學，2012.

[5]張建國，李軍，王芳.智能輪椅室內(nèi)避障導航及仿真實現(xiàn)[J].計算機仿真，2011，28（3）：203-206.

[6]曾辛未，張華，劉繼忠.智能輪椅GPS定位導航系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（11）：162-163.

[7]李雪蓮.老年智能輪椅設計研究[J].機械設計， 2014，31（4）：101-102.

[8]周偉，謝存禧.基于單片機的多功能智能輪椅的模塊化設計[J].機械設計與制造，2013（3）：18-20.

[9]牛風英，張華，劉繼忠，等.智能輪椅避障測距控制系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（10）：107-108.endprint