張文靜，王朝陽，李雪松

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

本論文的選題是智能電動(dòng)撐傘輪椅的研究。

本研究是在電動(dòng)輪椅基礎(chǔ)上增加可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)天氣情況自動(dòng)開傘的裝置，包括撐傘裝置、電動(dòng)輪椅、GPS 定位裝置、紅外接收端、傳感器?？捎眠b控器或者手機(jī)對(duì)輪椅進(jìn)行操縱使其開傘或閉傘，也可以調(diào)整開傘模式為自動(dòng)，當(dāng)太陽曝曬、下雨或下雪時(shí)，傳感器通過GPS 定位接收當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)信號(hào)，當(dāng)感知未來半小時(shí)內(nèi)有雨或氣溫高于30℃時(shí)，天氣預(yù)報(bào)信息轉(zhuǎn)為是否開合傘的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)傘的張開與閉合。

該項(xiàng)目主要利用了衛(wèi)星定位技術(shù)、溫度傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等現(xiàn)代化新型技術(shù)。智能撐傘輪椅通過衛(wèi)星定位系統(tǒng)將位置信息轉(zhuǎn)化為天氣預(yù)報(bào)信息，進(jìn)而將天氣預(yù)報(bào)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閭汩_關(guān)撐開或閉合指令的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)輪椅的傘的撐開與閉合。作品研究內(nèi)容、理論依據(jù)、技術(shù)方案、主要技術(shù)指標(biāo)等均得到科學(xué)解決。下一步將通過調(diào)查了解目前技術(shù)的應(yīng)用是否符合大部分人的要求，是否滿足大部分使用者的需要，從而進(jìn)一步升級(jí)并實(shí)現(xiàn)該輪椅的應(yīng)用。

1 研究的背景及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人口老齡化的發(fā)展趨勢(shì)，輪椅越來越成為每個(gè)家庭的需要。隨著智能輪椅的出現(xiàn)，越來越多的用戶需求難關(guān)被逐一突破。此項(xiàng)目將輪椅的使用與衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能撐傘輪椅的具體應(yīng)用。它能實(shí)現(xiàn)從制造業(yè)領(lǐng)域到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、從殘障人士到正常人、從理想到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。相比一些發(fā)達(dá)國家，我國電動(dòng)輪椅起步晚。沒有領(lǐng)先的技術(shù)，往往受制于人，而且價(jià)格高昂。但自從我國加入世貿(mào)組織，我國的電動(dòng)輪椅行業(yè)發(fā)展得到了提升。目前我國的輪椅產(chǎn)業(yè)到達(dá)了穩(wěn)定期，產(chǎn)量和出口持續(xù)增長。

2 總體設(shè)計(jì)分析

2.1 功能需求分析

隨著消費(fèi)能力提升、消費(fèi)觀念轉(zhuǎn)變，我國市場對(duì)電動(dòng)輪椅的需求快速增長，輪椅市場升級(jí)趨勢(shì)明顯。盡管相較于手動(dòng)輪椅，電動(dòng)輪椅的便利性較高，但其在使用功能方面仍存在較大不足，市場對(duì)舒適、安全性高、輔助性好、容易操作的智能輪椅的需求愈發(fā)迫切。傳統(tǒng)的電動(dòng)輪椅的缺點(diǎn)是雨雪天氣出行不便，需要自己打傘或者穿雨衣出門，既危險(xiǎn)又麻煩，如果輪椅能夠自動(dòng)撐傘，那會(huì)方便很多，同時(shí)可對(duì)輪椅底座進(jìn)行特殊處理就會(huì)方便又安全。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能撐傘輪椅通過溫度傳感器將溫度信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而將溫度信號(hào)變?yōu)橹悄軗蝹爿喴蔚膫汩_關(guān)是否閉合的相關(guān)指令，從而實(shí)現(xiàn)輪椅的傘的撐開與閉合。智能撐傘輪椅主視圖如圖1 所示。

圖1 智能撐傘輪椅主視圖

本裝置涉及主控芯片、傳感器模塊、動(dòng)力模塊、電源模塊四大模塊。其中包括傘主體部分、撐傘控制裝置部分、輪椅主體部分以及接收器部分四大部分。

該裝置的頂端（即1—傘主體部分）為撐傘部分，由撐傘控制裝置部分控制，為黑色滌綸材料，可以有效地抵御紫外線對(duì)人們的傷害，以及防止雨水滴落到人身上。

該裝置的主體（即2—撐傘控制裝置部分）為本智能撐傘輪椅系統(tǒng)的動(dòng)力部分，可以實(shí)現(xiàn)輪椅中雨傘的開合，本模塊由傳感器模塊傳感，由主控芯片控制，在輪椅靠背內(nèi)置收縮式遮雨裝置，小巧不占空間，也不影響輪椅的舒適度。在其兩邊安裝支架，在支架下面安裝可控電機(jī)由電機(jī)撐起支架從而撐起雨傘，實(shí)現(xiàn)可控雨傘。從而實(shí)現(xiàn)不需人的干預(yù)就可以實(shí)現(xiàn)傘的自動(dòng)開合的動(dòng)力裝置。

其次，輪椅主體（即3—輪椅主體部分）為此系統(tǒng)中的輪椅部分，其中一部分為常見輪椅所共有的部分，可以幫助殘疾人或腿腳不方便的老年人乘坐。另一部分則由主控芯片模塊構(gòu)成，通過傳感器傳感信號(hào)到主控芯片，由主控芯片控制該系統(tǒng)的動(dòng)力模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪椅的撐傘與閉合。

最后為接收器（4—接收器部分）由接收器和傳感器部分組成，接收器負(fù)責(zé)接收壓力以及紫外線信號(hào)。而接收器部分由紫外線傳感器以及雨滴傳感器（接觸式壓力傳感器）構(gòu)成，將紫外線濃度信息以及壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，輸出給主控芯片，從而由AD 模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為是否控制雨傘張合的動(dòng)力信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本裝置系統(tǒng)中雨傘（傘主體部分）的開合。

2.3 系統(tǒng)主要原理

本裝置主要依靠AD 傳感器模塊實(shí)現(xiàn)溫度的傳感，利用溫度傳感等多項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能撐傘輪椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。傳感器基本原理圖如圖2 所示。

圖2 傳感器基本原理圖

雨傘模塊為此系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，可以實(shí)現(xiàn)輪椅中雨傘的開合。

傳感器模塊，此模塊是電動(dòng)輪椅能自動(dòng)感應(yīng)開合雨傘的關(guān)鍵所在，傳感器模塊分為兩部分，一部分是紫外線傳感器，另一部分是雨滴傳感器。

紫外線傳感器是基于光敏元件的光電導(dǎo)效應(yīng)，輪椅上的接收裝置接收光電信號(hào)，并將光信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)室外檢測(cè)到紫外線達(dá)到一定程度可對(duì)人體皮膚造成危害時(shí)，紫外線傳感器通過光導(dǎo)模式，將紫外線信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，同時(shí)電信號(hào)傳輸?shù)絻蓚€(gè)電機(jī)，進(jìn)而將傘撐開，并通過51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)紫外線達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，接收裝置產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂戚喴斡陚阊b置開合的動(dòng)力信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)和完成雨傘裝置的開合。

雨滴傳感器是基于Arduino 和51 單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。接上5 V 電源，感應(yīng)板上沒有水滴時(shí)，DO 輸出為高電平，傘正常，滴上一滴水，DO 輸出為低電平，傘撐開。AO 模擬輸出，可以連接單片機(jī)的AD 口檢測(cè)滴在上面的雨量大小DO，TTL 數(shù)字輸出也可以連接單片機(jī)檢測(cè)是否有雨。

除此之外，雨滴傳感器，也就是我們熟知的接觸式壓力傳感器，通過51 單片機(jī)控制接觸式壓力傳感器，當(dāng)輪椅接收信號(hào)部分感知到壓力信號(hào)，由接觸式壓力傳感器將壓力信息數(shù)字信號(hào)輸出并控制雨傘裝置動(dòng)力模塊，使雨傘裝置實(shí)現(xiàn)張開。

該撐傘輪椅的智能之處在于輪椅通過GPS 定位獲取當(dāng)?shù)氐奈恢茫瑥亩@取到當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r，當(dāng)該地天氣預(yù)報(bào)有雨時(shí)，輪椅會(huì)監(jiān)測(cè)到并且自動(dòng)撐起雨傘，釋放了雙手，增加了便利性；同理，當(dāng)天氣預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)氐奶柟庾贤饩€強(qiáng)度過高時(shí)，也會(huì)自動(dòng)撐起傘進(jìn)行遮陽。不需要的時(shí)候可以將模式調(diào)成手動(dòng)模式，進(jìn)行手動(dòng)操控傘開和傘閉。

通過以上步驟，輪椅將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為撐傘的物理信號(hào)，可釋放雙手實(shí)現(xiàn)真正的智能。

2.4 AD 轉(zhuǎn)換模塊

AD 轉(zhuǎn)換模塊我們采用sigma-delta ADC 型，該型號(hào)的AD 轉(zhuǎn)換精度最高，非常適合精度達(dá)到20 位以上的場合。

從圖3 可以看出，Sigma-Deltal ADC 由差動(dòng)、積分器、比較器組成，組成一個(gè)反饋回路。為了提供過取樣，調(diào)制器在比模擬輸入信號(hào)帶寬高得多的速度下工作。該模擬輸入差分（delta）與反饋信號(hào)（錯(cuò)誤信號(hào)）相比較。這個(gè)比較所得到的差分輸出被輸入一個(gè)積分器。該積分器的輸出隨后被輸入一個(gè)比較器。該比較器的輸出同時(shí)向差速器發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)（錯(cuò)誤信號(hào)），而其本身則輸入一個(gè)數(shù)字濾波器。

圖3 sigma-deltal 型AD 轉(zhuǎn)換器原理圖

這樣的反饋回路旨在將反饋信號(hào)（錯(cuò)誤信號(hào)）趨向?yàn)?。比較器的輸出是1/0 的數(shù)據(jù)流。若1 密度高，則表示模擬輸入電壓高；如果0 密度越高，則模擬的輸入電壓就越低。然后將1/0 流輸入數(shù)字濾波器，使1/0 流由高速率低精度的數(shù)字流轉(zhuǎn)換為低速率、高精度的數(shù)字信號(hào)。

相關(guān)演示程序?yàn)椋?/p>

2.5 基本原理框架

該輪椅的電源模塊采用三菱AX11A 系列、輸入AX11AC 輸入32 點(diǎn)、響應(yīng)時(shí)間25 ms 系列電源。

動(dòng)力模塊主要實(shí)現(xiàn)輪椅的前進(jìn)后退和雨傘的開閉。動(dòng)力模塊采用24 V 直流減速電機(jī)，這種電機(jī)扭力大并且控制力強(qiáng)，能夠很好地與控制模塊鏈接，從機(jī)械方面來看，該電機(jī)具有很好的過載能力和平衡性，并且運(yùn)行時(shí)噪音也小。

該智能輪椅的主控模塊是基于STM32 的智能操作系統(tǒng)，選用的主控芯片是意法半導(dǎo)體公司（ST 公司）的STM32F103C8T6，該芯片具有較高的實(shí)時(shí)性、較低的功耗、豐富的片外擴(kuò)展能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等。所有外圍電路均與主控芯片相連，由主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制?；驹砜蚣軋D如圖4 所示。

圖4 基本原理框架圖

3 結(jié) 論

本論文從發(fā)展現(xiàn)狀以及總體功能兩方面進(jìn)行分析，講述了智能撐傘輪椅在當(dāng)今時(shí)代的必要性并且對(duì)主要技術(shù)進(jìn)行了分析。

該輪椅研發(fā)結(jié)果實(shí)現(xiàn)后，將打破智能輪椅的壁障，能更好地服務(wù)于殘疾人士，使他們出行更加便利，不再擔(dān)心天氣狀況。