黃涌凌,譚嘉銘,陳錦楠,陳曉欣,葉宇航

(廣州華立學(xué)院,廣東 廣州 511325)

0 引言

據(jù)第七次中華人民共和國人口普查數(shù)據(jù)顯示,65 周歲及以上的人口已達(dá)1.9億人,占比達(dá)13.5%[1]。目前,社會上使用廣泛的傳統(tǒng)輪椅依賴人力護(hù)工,可以預(yù)見未來對智能輪椅的需求量會逐漸增加。目前,市場上的共享輪椅僅實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)人力輪椅的共享,并未實(shí)現(xiàn)更多對輪椅的智能控制。

本文提出了基于STM32室內(nèi)共享智能輪椅控制系統(tǒng),設(shè)計了針對室內(nèi)場景的智能共享輪椅,根據(jù)用戶實(shí)時的使用場景,通過超聲波避障模塊、報警電路、監(jiān)控模塊、攝像頭模塊及通信模塊等實(shí)現(xiàn)智能輪椅的共享使用以及自主巡航功能。共享輪椅消費(fèi)低,可減少人力成本支出。用戶可通過手機(jī)端掃描二維碼使用該輪椅,且其家屬能通過手機(jī)端實(shí)時監(jiān)測使用畫面以及用戶的實(shí)時健康數(shù)據(jù)。共享輪椅的親民價格將會更加受歡迎,從而也可以實(shí)現(xiàn)輪椅管理的智能化與現(xiàn)代化。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及總體設(shè)計方案

本設(shè)計主要由主控芯片、報警電路、避障模塊、循跡模塊、無線通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等部分組成。使用者通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互,確定位置信息,綁定使用輪椅。在循跡模塊和避障模塊的協(xié)同作用下,控制電機(jī)驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)輪椅自主循跡導(dǎo)航。在該系統(tǒng)中,家屬通過微信小程序可以觀測數(shù)據(jù),還可以遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時使用畫面。當(dāng)蜂鳴器電路被觸發(fā)時,能夠借助EC20的無線通信通知到醫(yī)護(hù)或家屬的手機(jī)端小程序并進(jìn)行報警提示。如若在使用輪椅過程中,遇到突發(fā)事件,按下輪椅扶手處的報警按鈕,驅(qū)動蜂鳴器報警。采用STM32F103主控芯片的共享智能輪椅控制系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 STM32最小系統(tǒng)

本設(shè)計運(yùn)用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、PWM、通信等模塊,綜合設(shè)計需求,采用STM32F103作為主控芯片。該芯片還集成了蜂鳴器模塊、豐富的I/O接口和USART雙向串口。STM32主控芯片接收EC20模塊的信息,結(jié)合循跡模塊和避障模塊的信息進(jìn)行處理,做出運(yùn)動判斷,控制電機(jī)驅(qū)動,輪椅前行。主控板最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 主控板最小系統(tǒng)電路

2.2 攝像頭模塊

2.2.1 監(jiān)控模塊

在用戶使用輪椅過程中,需要時刻關(guān)注病患的實(shí)時情況。本系統(tǒng)設(shè)計通過采用OV2640攝像頭采集數(shù)據(jù),使用I2C庫函數(shù)讀取OV2640的寄存器寫入配置值。同時使用I2C庫函數(shù)讀取OV2640攝像頭的圖像數(shù)據(jù),并將其存儲到STM32微控制器的內(nèi)存或外部存儲器中供EC20無線通信模塊調(diào)用,以發(fā)送實(shí)時圖片至使用者的醫(yī)護(hù)或家人的小程序上。

2.2.2 視覺循跡模塊

在輪椅使用環(huán)境中,用不同顏色的線條在地上標(biāo)識路線,規(guī)劃輪椅循跡路徑,相異顏色對應(yīng)各種路線。Openmv K210單目攝像頭用Python語言實(shí)現(xiàn)各種機(jī)器視覺算法。Openmv內(nèi)含sensor、image、KUP等模塊,本設(shè)計使用image模塊繪制矩形框?qū)D像進(jìn)行分割,當(dāng)出現(xiàn)在框內(nèi)的顏色符合設(shè)置的LAB閾值,即檢測到循跡路線。通過UART串口將循跡數(shù)據(jù)傳送至主控驅(qū)動輪椅前行。

2.3 超聲波避障模塊

本設(shè)計選取的是多路超聲波傳感器對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測,得出主體與障礙物的距離以及角度,測得的障礙物信息定位智能輪椅的位置,為后面智能輪椅避障決策提供參考[2]。

本設(shè)計采用的是HC-SR04型壓電式超聲波傳感器。將VCC和GND接好,指示燈亮,將Trig引腳連接到STM32的GPIO輸出引腳用于發(fā)送觸發(fā)信號,將Trig引腳置高電平,保持一段時間后再拉低即可發(fā)送一個觸發(fā)信號。在STM32中配置GPIO引腳為輸入模式,開始計時,并等待Echo引腳上的信號變?yōu)楦唠娖?記錄電平變化時間,計算出超聲波信號的往返時間。在高電平時間乘聲速(340 m/s)的情況下,將監(jiān)測的間隔除以2,即可得出測試距離結(jié)果。

2.4 電機(jī)驅(qū)動

電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動輪椅的主要部件,電路設(shè)計如圖3所示。本設(shè)計選用的是42 mm的步進(jìn)電機(jī),步距為1.8°,選用具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)[3]。本設(shè)計運(yùn)用TB6612電機(jī)驅(qū)動芯片,帶有雙通道電流輸出能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),同時支持PWM調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制,只需要改變PWM脈沖寬度和改變控制信號即可實(shí)現(xiàn)功能。TB6612內(nèi)置過熱保護(hù)和過載保護(hù)電路,能夠保護(hù)電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)不受損壞。

圖3 電機(jī)驅(qū)動電路

2.5 報警模塊

在用戶使用輪椅過程中,為了避免一些緊急情況的發(fā)生。本設(shè)計運(yùn)用主控STM32F103C8T6系統(tǒng)引腳PB8連接電壓式有源蜂鳴器電路,將蜂鳴器開關(guān)按鍵安置于智能輪椅扶手側(cè)位。突發(fā)緊急情況時,用戶按下按鍵,蜂鳴器報警響應(yīng),及時發(fā)現(xiàn)和救助輪椅上的用戶,提升使用者的安全系數(shù)。接好VCC和GND,當(dāng)按鈕開關(guān)未接通時,STM32的GPIO引腳為高電平,三極管截止,蜂鳴器失聲。反之,當(dāng)按鈕開關(guān)接通時,STM32的GPIO引腳為低電平,三極管截止,蜂鳴器發(fā)聲達(dá)到報警效果。

2.6 無線傳輸模塊

本系統(tǒng)的無線通信模塊為EC20通信模塊,具備4 G上網(wǎng)、傳輸數(shù)據(jù)速度快等特點(diǎn)。使用UART庫函數(shù)在STM32上發(fā)送AT指令到EC20模塊。AT指令用于發(fā)送信號、連接互聯(lián)網(wǎng)等。通過STM32的串口通信,用戶可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息接收與發(fā)送。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體流程

本系統(tǒng)設(shè)計的智能共享輪椅,通過手機(jī)端微信小程序掃碼即可使用,輪椅根據(jù)地上標(biāo)好的路線進(jìn)行循跡航行,在微信端可看見輪椅的行走路線和大致定位。掃碼成功后,用戶根據(jù)需要,可選擇智能循跡導(dǎo)航,或者像傳統(tǒng)輪椅一樣手動使用。具體如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體流程

3.2 小程序設(shè)計

為了使用戶更方便地了解輪椅功能,本文制作了簡單的微信小程序用于模擬真機(jī),主要采用wxml、wxss和JavaScript等技術(shù)。用戶不需要下載App就可快捷地使用小程序功能。此外,小程序還提供了一系列的插件和組件,開發(fā)速度較快。

3.3 GPS模塊

首先在騰訊開發(fā)平臺獲取騰訊地圖的webserviceAPI服務(wù),再通過下載微信小程序JavaScriptSDK來獲取地圖的權(quán)限,接著在小程序的JS文件中配置生命周期,在WXML文件中設(shè)定特定的綁定事件,通過getlocation()函數(shù)來申請調(diào)用地圖配置。當(dāng)用戶點(diǎn)擊獲取坐標(biāo)時,手機(jī)通過定位取得騰訊地圖的權(quán)限,success回調(diào)函數(shù)返回數(shù)據(jù),最終顯示用戶的坐標(biāo),最后通過openlocation()函數(shù)來打開騰訊地圖,顯示實(shí)時位置[5]。

小程序自動展開醫(yī)院導(dǎo)覽圖,用戶可知曉當(dāng)前樓層位置,并設(shè)定想要去往的目的地,確認(rèn)好后,小程序傳送數(shù)據(jù)至STM32,并進(jìn)行軌跡傳輸,輪椅自動前往。以微信小程序?yàn)檫M(jìn)入入口,再結(jié)合GPS、共享藍(lán)牙等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院地圖顯示與查詢位置信息、用戶定位與地點(diǎn)導(dǎo)航、最快路線規(guī)劃等功能。具體如圖5所示。

圖5 小程序定位功能導(dǎo)覽

3.4 EC20與小程序之間的通信

當(dāng)使用者開始激活共享智能輪椅的使用時,主控板發(fā)送AT命令序列來初始化EC20模塊,通過UART接口與EC20進(jìn)行通信,并發(fā)送適當(dāng)?shù)腁T命令來配置和激活移動網(wǎng)絡(luò)連接。通過小程序使用MQTT作為通信協(xié)議,EC20模塊提供了一組AT命令來支持MQTT協(xié)議以實(shí)現(xiàn)模塊與終端小程序的連接和信息發(fā)布/訂閱操作。

3.5 自動循跡算法

自動循跡算法主要使用OpenMV的像素顏色統(tǒng)計實(shí)現(xiàn)循跡。在室內(nèi)應(yīng)用場景中,在地面用不同顏色的線條標(biāo)識不同的線路。OpenMV設(shè)置色彩閾值元組,用戶通過手機(jī)小程序選好顏色路線,藍(lán)牙將相應(yīng)數(shù)據(jù)傳送至主控,改變目標(biāo)色彩閾值,調(diào)用色塊識別函數(shù)img.find_blobs()對不同顏色的線路進(jìn)行識別,然后將 blob 色塊對象中坐標(biāo)blob.cx()通過UART串口發(fā)送給主控,通過標(biāo)記信息判斷小車相對于目標(biāo)線的偏移程度,并融合 PID 算法精準(zhǔn)調(diào)整小車位姿,即可完成自動循跡[4]。

3.6 PID閉環(huán)速度控制算法

有效控制輪椅電機(jī)速度的一種方法是利用負(fù)反饋產(chǎn)生的偏差信號,通過控制器對被控對象進(jìn)行實(shí)時修正,使系統(tǒng)的輸出量與定量保持一致,實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。本設(shè)計采用增量式PID算法作為閉環(huán)控制,將其放入定時器終端,在中斷中用左右2個光電編碼器分別測出實(shí)時速度,使速度控制更加精確[5]。

4 結(jié)語

綜上所述,本文實(shí)現(xiàn)了一款室內(nèi)共享輪椅的設(shè)計。在醫(yī)院范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)路徑自動規(guī)劃行駛,減少人員陪護(hù),填補(bǔ)了市場中的空缺。本設(shè)計以STM32作為主控器,用無線通信模塊EC20連接用戶終端與輪椅終端,用微信小程序進(jìn)行操控,再綜合運(yùn)用避障模塊、GPS、視覺循跡模塊等實(shí)現(xiàn)共享輪椅的應(yīng)用開發(fā),具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性。本設(shè)計對目標(biāo)人群定位清晰,使用范圍定義清晰,具有廣泛的應(yīng)用前景。