王鵬超 王偉東 劉霞 陳偉

摘要：本文介紹了一款基于單片機(jī)技術(shù)和九軸重力加速度傳感器及短距無線射頻傳輸技術(shù)，智能輪椅，用于對(duì)當(dāng)前市面上輪椅只能通過手部運(yùn)動(dòng)控制輪椅運(yùn)動(dòng)方向的問題進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)通過頭部運(yùn)動(dòng)控制輪椅運(yùn)動(dòng)的想法，用來解決雙手及頸部以下運(yùn)動(dòng)不方便的老年人和殘疾人的出行問題。

Abstract： Based on SCM technology and nine axis acceleration of gravity sensor and short distance wireless transmission technology， we designed an intelligent wheelchair， which is used to improve the performance of wheelchair. Different from the electric wheelchair on the market， the direction of this wheelchair can be controlled by neck motion. This wheelchair can be used to help the elderly and the disabled.

關(guān)鍵詞：九軸重力加速度傳感器；智能輪椅；單片機(jī)；短距無線射頻技術(shù)應(yīng)用

Key words： nine axis acceleration of gravity sensor；intelligent wheelchair；single-chip microcomputer；application of short distance radio frequency technology

中圖分類號(hào)：TN915.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）16-0134-02

0 引言

隨著中國(guó)人口老齡化以及殘疾人數(shù)量的增加的問題日益嚴(yán)峻。智能輪椅憑借其操作簡(jiǎn)單，便于老年人和殘疾人更好地融入社會(huì)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為一種重要的代步工具。本文介紹的輪椅適合那些雙手或者頸部以下行動(dòng)都不方便的人士，本輪椅采用頭戴式控制裝置對(duì)使用者頸部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并且通過短距無線通訊系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)指令輸傳輸給輪椅，使輪椅做出相應(yīng)的動(dòng)作。另外，為防止由于使用者操作不當(dāng)而發(fā)生碰撞，輪椅的四周加裝了避障傳感器。另外，為了防止輪椅電量不足，此輪椅還安裝有電量檢測(cè)系統(tǒng)，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電量，輪椅饋電時(shí)，輪椅的液晶顯示屏?xí)@示“No Power”，以提醒使用者及時(shí)充電。

1 設(shè)計(jì)思路

該輪椅主要應(yīng)該包括三個(gè)部分：頸部姿態(tài)檢測(cè)單元，信號(hào)無線傳輸單元，輪椅運(yùn)動(dòng)控制單元。本文介紹輪椅系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

1.1 頸部姿態(tài)檢測(cè)單元

該單元的主體部分為一個(gè)gy-85九軸重力加速度傳感器模塊。本作品主要以gy-85中的三軸加速度計(jì)對(duì)使用者的頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。并將測(cè)量結(jié)果以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形勢(shì)傳輸給控制端，使用者的頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過這種形式得到的數(shù)據(jù)其測(cè)量誤差不會(huì)超過1°。這些數(shù)據(jù)將通過傳輸模塊傳輸給運(yùn)動(dòng)單元，使運(yùn)動(dòng)單元按指令運(yùn)動(dòng)。

1.2 信號(hào)無線傳輸單元

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c精度以及使該套設(shè)計(jì)留出足夠的改進(jìn)空間，該設(shè)備以NRF24L01模塊作為無線傳輸單元。該單元具有傳輸速率快，傳輸通道多，可以與其他NRF系列的芯片兼容的特點(diǎn)，具有極佳的測(cè)量精度，較高的保密性和巨大的改進(jìn)空間。

1.3 輪椅運(yùn)動(dòng)控制單元

當(dāng)控制端接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，這些指令將控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N工作，輪椅在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)之下向指定的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輪椅按照人體頸部運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目的。

1.4 其他功能單元

為了增加該設(shè)備的安全性，提高該設(shè)備的人機(jī)關(guān)系，該設(shè)備還包括其他兩個(gè)部分：前方障礙物檢測(cè)單元，電量檢測(cè)單元。

1.4.1 前方障礙物檢測(cè)單元

為了防止由于輪椅使用者操作不當(dāng)而引起撞車事故，保護(hù)使用者的安全，該輪椅特意加入了這一模塊，此模塊由紅外避障傳感器和超聲波傳感器構(gòu)成，當(dāng)紅外避障傳感器檢測(cè)到前方路面不平整時(shí)，輪椅會(huì)自動(dòng)停止，并通過液晶顯示屏顯示輪椅與前方障礙物的距離。此系統(tǒng)可以有效地防止輪椅與前方障礙物的碰撞，以達(dá)到保護(hù)使用者安全的目的。

1.4.2 電量檢測(cè)單元

該單元是通過ADC0804模塊將測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)與滿電時(shí)電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出當(dāng)前電量的剩余值，當(dāng)電量不足時(shí)，液晶顯示屏上將會(huì)顯示“No Power”用以提醒使用者及時(shí)充電，以防止使用者沒有留出足夠的時(shí)間而到不了充電處的尷尬情況發(fā)生。

2 工作原理

2.1 姿態(tài)檢測(cè)傳感器原理

本輪椅采用gy-85作為使用者頭部姿態(tài)的檢測(cè)裝置。該傳感器又稱“九軸重力加速度傳感器”，是一種功能強(qiáng)大的傳感器。一般采用三軸加速度計(jì)對(duì)使用者頭部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。其檢測(cè)方式為：以物體受重力方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，根據(jù)傳感器在三個(gè)軸上的重力加速度分量的大小來判斷當(dāng)前使用者的頸部姿態(tài)。

2.2 短距無線射頻通訊技術(shù)原理

為了保證該車擁有足夠的改造空間和通訊頻道，本輪椅的通訊主要使用NRF24L01模塊。該模塊擁有125個(gè)通訊頻道，以SPI模式與相同頻道的其他NRF24L01模塊進(jìn)行通訊。同時(shí)，此種芯片與其他的NRF系列的芯片可以兼容使用，從而使本文所介紹的輪椅具有良好的兼容性。

3 設(shè)備實(shí)用性與市場(chǎng)前景

在人口老齡化日益成為突出問題的現(xiàn)代社會(huì)，解決老年人出行問題，給老年人足夠的陪伴已經(jīng)逐漸成為一個(gè)社會(huì)性問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，中國(guó)大約有老年人17764萬，而這些老年人中又有相當(dāng)一部分老年人是雙手殘疾甚至頸部以下無法運(yùn)動(dòng)的群體。假設(shè)這些人中只有3%有意愿和能力購(gòu)買輪椅，那么輪椅的年需求量也將超過35萬臺(tái)，需求量非常巨大。

在經(jīng)過大量的市場(chǎng)調(diào)查之后，我們發(fā)現(xiàn)，市面上的輪椅大多數(shù)都是采用以手部向輪椅的車輪施力使輪椅運(yùn)動(dòng)的，即使有少量的電動(dòng)輪椅可以憑搖桿的擺動(dòng)方向來控制輪椅的運(yùn)動(dòng)方向，但該種控制模式依然要依靠使用者依靠手部運(yùn)動(dòng)的方向來控制。

立足于為雙手及頸部以下殘疾的人士提供一種合適的代步工具，輪椅自帶防撞擊系統(tǒng)和饋電告警系統(tǒng)使此之具有更好的人機(jī)交互功能，更優(yōu)的實(shí)用性，而獨(dú)特的頭部控制則使一些長(zhǎng)時(shí)間無法出門的老年人看到了走出家門，融入社會(huì)的希望。本文介紹的輪椅只需要對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅進(jìn)行改進(jìn)即可，在未來具有相當(dāng)大的商業(yè)價(jià)值和極其優(yōu)越的發(fā)展空間。

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