多传感器智能轮椅的硬件系统设计

0 引言

　　智能轮椅的任务是安全、便捷地把用户送到目的地，完成既定任务。在运动过程中，轮椅既需要接受用户的指令，又需结合环境信息启动自身避障、导航等功能模块，与移动机器人不同的是，在使用过程中，轮椅与用户成为一个协同工作的系统。这就要求在设计之初就把人这个因素纳入考虑之中，所以，安全、舒适和容易操作应成为智能轮椅设计中最重要的因素；使用者身体能力的差异决定了智能轮椅需被设计为一个功能多元化，能满足多种层次需要的电子系统，而模块化最能体现系统多功能化的特征，每个用户都能根据其自身残障类型和程度选择适当的模块集成，且设计者可以在现有基础上通过增添功能模块，很方便地对轮椅功能进行改进。本文着重就智能轮椅模块化设计进行了阐述。

　　1 传感器系统总体结构设计

　　智能轮椅的总功能可以分为以下几个子功能：环境感知及导航功能、控制功能、驱动功能和人机交互功能。通过对智能轮椅的功能分析和模块划分，再结合具体的研究内容和期望控制目标，本系统主要由传感器模块、驱动控制模块和人机交互模块3部分组成，硬件系统结构如图1所示。其中传感器模块主要有内部状态感知和外部环境感知两部分构成，通过姿态传感器确定轮椅自身的位姿信息；通过编码器的位移速度和距离获得自定位信息；视觉、超声波和接近开关主要负责持续获得周围环境和障碍物的距离信息。驱动控制模块我们采用后轮驱动的方式，每一个后轮配置一个电动机，在控制器的操作下实现电动轮椅的前进、后退和转向。人机交互界面由操作杆和个人电脑界面数据输入两种方式，实现基本的人机交互功能。

　　其中，数据采集单元拟选择DSP TMS320LF2407A作为传感器模块的控制芯片。TMS320LF2407A是一款高性能的数字信号处理器，它具有较高的频率，丰富的外围接口。它的主频可达150MHz、低功耗(核电压1．8V，I／O电压3．3V)；128kXl6位片上FLASH，18kXl6位片上SRAM，4kXl6位片上ROM；用于电机控制的外设，2个事件管理器；多种标准串口外设，1个SPI同步串口、2个UART异步串口、1个增强型CAN总线接口、1个McBSP同步串口；16通道的12位A／D转换器；56个独立可编程、复用型、通用I／O口。能够符合本系统设计的要求。

　　2 多传感器数据采集与处理

　　本系统的智能轮椅有2个独立的驱动轮，各自配备一个电机码盘。由2个电机码盘的实时检测数据构成了里程计式的相对定位传感器，同时安装了倾角传感器和陀螺仪来测量轮椅在行进过程中的姿态状态。超声波传感器和接近开关被用于感知周围环境信息。为获取更大范围内的障碍物信息，本系统配备了8个红外传感器和8个超声波传感器。另外安装了一个CCD摄像头用于判断前方行进路程中的深度信息。

　　以下依次介绍上面几种传感器的硬件设计方案。

　　2．1 超声传感器与接近开关

　　本超声波测距系统共有8个超声波传感器，组成超声波传感器阵列，分别置于轮椅四周各两个。为了检测到一些被超声波传感器遗漏或未能及时处理的障碍，还要在轮椅四周加装四个电感式接近开关。障碍物碰到防撞橡胶圈引起金属条发生变形，产生垂直方向上的位移，触发接近开关动作，得到一个开关信号(中断请求信号)，使移动机器人立即停止运行。

　　超声波环境探测电路主要由多路模拟开关、升压放大电路、缓冲放大整形电路和超声波换能器等环节构成，如图2所示。

　　升压放大电路和超声波发射换能器组成了超声波发射部分。发射过程是：首先由DSP的脉宽调制通道产生一定脉宽的调制脉冲波，经变压器升压放大电路后产生一个瞬间的高能信号，激发超声波发射换能器产生超声波信号。需要注意的是，超声波在发射的瞬间，有部分声波会直接进入超声波接收端，从而产生很强的虚假反射波，造成所谓的振铃现象。为了避免振铃，需要进行软件延时处理，从而导致探测盲区。在程序处理上，就是在DSP发射激励脉冲波以后一段时间内将相应的CAP中断关闭，盲区间隔过了以后再将CAP中断打开。超声波的接收部分必须与发射部分协调一致地工作，才能保证信号准确灵敏地接收。此部分主要由超声波接收换能器、放大滤波、整形触发输出电路组成。由于在超声波传播中，其能量会随着传播距离的增大而减小，从远距离障碍物反射回的回波信号一般比较弱，所以需要经过多级信号放大处理后才能够被DSP中断输入端口检测到。

　　2．2 编码器

在智能轮椅系统中，除了要对环境的距离信息进行测量，有时还要对方位信息进行有效的观测或者估计。对于大多数的室内移动机器人系统而言，方位信息一般是通过码盘信息间接估计得出的，本系统也采用这种方法。