陳毅博

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

如今，基礎(chǔ)公共設(shè)施越來(lái)越完善，人們的生活也越來(lái)越便利，但是很多歷史遺留的設(shè)施造成人機(jī)不和諧的問(wèn)題依然存在，在一定程度上限制了行動(dòng)障礙人士獨(dú)立出行，不利于社會(huì)主義和諧社會(huì)的發(fā)展。本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的可以爬平整樓梯的智能輪椅基礎(chǔ)上，對(duì)生活中更為復(fù)雜的地面情況進(jìn)行數(shù)字化分析及處理，結(jié)合特定結(jié)構(gòu)的底盤履帶模型來(lái)解決此類問(wèn)題，以設(shè)計(jì)出可以應(yīng)對(duì)更多復(fù)雜地形的多地形智能輪椅。

1 設(shè)計(jì)方案

鑒于在市面上現(xiàn)有履帶式爬樓輪椅爬樓的穩(wěn)定性分析及非均勻樓梯上爬樓平穩(wěn)性樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]，并且考慮到輪椅的平穩(wěn)性、舒適性和多用性的發(fā)展需求，本設(shè)計(jì)采用分段履帶與四輪相結(jié)合的方式，主要采用履帶式結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)地形的變化，簡(jiǎn)化模型為履帶小車，平地四輪結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)已有輪椅結(jié)構(gòu)即可。為應(yīng)對(duì)多變化地形，硬件方面，設(shè)計(jì)了一種3段履帶式結(jié)構(gòu)，盡可能加大對(duì)地形的適應(yīng)能力和對(duì)智能軟件的容錯(cuò)能力，攀爬時(shí)，調(diào)整輪椅背面前進(jìn)方向，手動(dòng)啟動(dòng)攀爬模式即可。軟件方面，采用成本較低、操作較為簡(jiǎn)單的STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，利用超聲波傳感器、紅外傳感器對(duì)地形的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量分析，維持自身穩(wěn)定性與安全性。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 底盤模型

本輪椅底盤分為前中后3段，前后兩段相互對(duì)稱。前后兩個(gè)端點(diǎn)處設(shè)有方便攀爬的梯形探手構(gòu)造，加強(qiáng)穩(wěn)定性。測(cè)算估計(jì)出大體中段履帶的長(zhǎng)度，并結(jié)合內(nèi)部螺釘?shù)扔嘘P(guān)結(jié)構(gòu)，最后測(cè)算出每段長(zhǎng)為479.2 mm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。為提高裝置在階梯上的穩(wěn)定性，前后兩端探手角度采用普遍的梯形端設(shè)計(jì)[2]，前后兩段長(zhǎng)度較中段有所縮短，整個(gè)底盤模型長(zhǎng)1 159.08 mm，具體數(shù)值如圖2所示。在普通平地地形上時(shí)，后端履帶向上緊靠輪椅后背，縮短體積，減少輪椅的空間占用。在準(zhǔn)備攀爬時(shí)，用背面的后端探手搭上第一個(gè)階梯，完成初始準(zhǔn)備操作。

2.2 準(zhǔn)備模塊

準(zhǔn)備模塊分為測(cè)算、鑒定兩項(xiàng)操作。測(cè)算是通過(guò)超聲波傳感器[3]和紅外傳感器來(lái)判斷裝置自身相對(duì)于地形障礙所處的位置，然后通過(guò)鑒定操作來(lái)決定是否需要通過(guò)移動(dòng)輪椅來(lái)保證輪椅的安全和準(zhǔn)備的成功。

圖2 前后段外板結(jié)構(gòu)

2.2.1 測(cè)算操作

為確保裝置能夠順利進(jìn)入準(zhǔn)備姿態(tài)，需要測(cè)量出裝置后底部據(jù)第一階右上角的距離，HC-SR04超聲波模塊感應(yīng)角度不大于15°，探測(cè)距離為2～450 cm。其采用IO觸發(fā)測(cè)距，觸發(fā)信號(hào)大于10 us的高電平信號(hào)，并且模塊自動(dòng)會(huì)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，若有信號(hào)返回，通過(guò)I/O輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，通過(guò)公式計(jì)算得出水平距離[2]。

測(cè)試距離 =[高電平時(shí)間×聲速(340 m/s)] /2

E18-D80NK紅外光電傳感器為NPN型光電開關(guān)，它集信號(hào)接收與發(fā)射于一體，檢測(cè)距離為3～80 cm，直接為數(shù)字量輸出，不需要使用ADC信號(hào)轉(zhuǎn)換。使用方便、成本低、容易安裝、不易受到日常光源的影響，比較適合本設(shè)計(jì)使用[4]。紅外測(cè)距傳感器有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，紅外測(cè)據(jù)傳感器發(fā)射一束紅光，經(jīng)物體反射接收，利用信號(hào)發(fā)送與接收的時(shí)間差，處理后獲得物體的距離[5]。

2.2.2 鑒定操作

首先，裝置測(cè)算出距離l，x后，需要由軟件程序鑒定弦l長(zhǎng)度是否合適及后段履帶能否順利搭上階梯，如圖3所示。其次，通過(guò)超聲波傳感器判定是否處于安全合適位置，鑒定模塊軟件流程如圖4所示。

圖3 測(cè)算后鑒定狀態(tài)

圖4 鑒定模塊程序軟件流程

2.3 自檢模塊

當(dāng)裝置完成準(zhǔn)備模塊時(shí)，需要將兩段的履帶自我檢查是否已達(dá)到往下轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并且將一直持續(xù)在輪椅攀爬運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，確保裝置的安全和穩(wěn)定。在本輪椅的前后兩段各適配一個(gè)紅外光電傳感器，可以檢測(cè)前后是否達(dá)到地形表面[6]。當(dāng)前后兩端的紅外傳感器檢測(cè)到距離小于履帶前或后長(zhǎng)度時(shí)，其信號(hào)端會(huì)輸出信號(hào)0，單片機(jī)I/O口會(huì)收到電壓信號(hào)，程序判斷單片機(jī)會(huì)控制裝置是否繼續(xù)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊L298為高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)，可接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載和開關(guān)電源晶體管。L298N可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路，可以驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)。當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM信號(hào)，IN2為低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PWM信號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；IN1與IN2相同時(shí)，電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于輪椅的特殊性，需要考慮裝置的安全性和穩(wěn)定性，隨時(shí)利用自檢模塊對(duì)裝置自身進(jìn)行檢查，來(lái)確定自身的安全性、穩(wěn)定性。當(dāng)輪椅啟動(dòng)攀爬程序后，整個(gè)控制系統(tǒng)由供電模塊進(jìn)行供電，單片機(jī)開始執(zhí)行預(yù)設(shè)程序，進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化操作。由準(zhǔn)備模塊開始負(fù)責(zé)輪椅最佳起手運(yùn)行姿態(tài)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將得到開啟攀爬模式時(shí)裝置離第一階的階棱的距離l，經(jīng)程序把l與固定值X(在探手長(zhǎng)度30 mm范圍內(nèi))比較，當(dāng)大于X時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制向后前進(jìn)，由超聲波傳感器來(lái)傳遞移動(dòng)值給單片機(jī)，直到移動(dòng)值在15 mm左右時(shí)停止；當(dāng)小于(X-30)mm時(shí)，會(huì)向前倒退15 mm，與上相同，移動(dòng)后返回上一步測(cè)算操作，即重新初始化紅外傳感器數(shù)值與其所在角度，得到l1，繼續(xù)判定循環(huán)，直到ln滿足條件。若一開始滿足條件則繼續(xù)向下執(zhí)行自檢模塊。準(zhǔn)備結(jié)束后，單片機(jī)將得到程序指令開啟定時(shí)器，在第一秒時(shí)執(zhí)行自檢模塊，開啟前后紅外傳感器，再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換得到距離y1，y2當(dāng)y1

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪椅為適應(yīng)多變地形的智能控制，硬件方面利用獨(dú)特的3段履帶式結(jié)構(gòu)，大大減少了地形對(duì)用戶的危險(xiǎn)，增加軟件的容錯(cuò)率并簡(jiǎn)化了操作；軟件方面輪椅能夠讓用戶切換攀爬模式，在攀爬模式下可以利用每一秒運(yùn)行的自檢模塊時(shí)刻最大化地保證用戶的安全，為多地形智能輪椅的發(fā)展提供了更為實(shí)用的方向。