電動輪椅控制器設計分析

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目前，普通電動輪椅的保有量不斷增加，但是有些輪椅使用者對普通輪椅的基本功能已經不滿足，對輪椅的功能提出更多的要求。而且輪椅的安全性很大程度上取決于使用者的操作意識，雖然電動輪椅的操縱比較簡單，但是使用者往往都是老年人，他們在操縱輪椅時的反應速度較慢。當出現緊急情況時，對輪椅的操縱不及時，容易出現安全事故。所以電動輪椅的智能化，例如，語音交互、緊急制動、智能導航等功能，具有較廣闊的前景。本文基于Arduino控制器，設計了一種電動輪椅的控制系統，利用紅外遙控實現無線控制，同時融入了語音模塊、超聲波模塊傳感器，實現了對電動輪椅的語音交互控制和無線遙控，還可以對周圍環境進行檢測，遇到障礙物可以緊急停止。

1總體結構設計

運動控制系統的硬件電路設計如圖1所示。紅外接收器接收到使用者發送的紅外信號，Arduino控制器給兩個電機驅動器發送信號，控制直流電機的轉速及轉向。同時給兩個繼電器發送信號，控制電機的電源電路的通斷。語音模塊可以接收到使用者的語音指令，來控制輪椅的運動。大部分的電動輪椅使用者在使用過程中，都是獨自操控輪椅的，而且電動輪椅也具有一定的速度，當遇到障礙物時，使用者沒有及時剎車造成的安全事故屢見不鮮，所以增加傳感器進行檢測障礙物是很有必要的。常用的避障傳感器有激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等，超聲波傳感器發射的超聲波信號成一定的扇形，檢測范圍較廣，檢測距離能達到2～450cm，對于電動輪椅的避障檢測距離合適。紅外傳感器的檢測距離較近，激光傳感器雖然檢測距離遠，精度高，但是價格較貴，所以本文采用超聲波傳感器作為電動輪椅的避障傳感器。將超聲波傳感器安裝在電動輪椅的前方和后方，可以檢測輪椅前進方向上是否有障礙物，當障礙物距離小于設定的安全距離，則控制器會主動控制輪椅停下。電動輪椅的驅動電源采用24V的鉛酸蓄電池進行供電，蓄電池的安全性較高，電壓穩定，價格較便宜，直流電機的額定電壓為24V，所以采用24V的蓄電池，蓄電池直接給電機驅動板進行供電。再通過降壓模塊，將24V直流電轉變成5V直流電，給控制器及傳感器進行供電。運動控制系統的硬件電路如圖2所示。

1.1Arduino控制器

本文的控制系統采用的主控制器是ArduinoUno控制板，該開發板是一款基于開放源代碼的控制器，所以使用靈活方便，該控制板共有14個數字輸入輸出口，其中6個可以為PWM輸出，6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，能夠滿足該控制系統的使用要求。Arduino控制器的編程是基于Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發環境（basedonProcessing）來實現的，能進行直觀控制，增強程序的可讀性的同時也提高了開發效率。

1.2驅動電機及電機驅動器

本文中電動輪椅的驅動電機采用了兩個24V的直流減速電機，在直流電機的基礎上增加了減速器，提高了輸出扭矩。直流電機起動和調速性能好,調速范圍廣，平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響小，同時具有良好的啟動特性和調速特性，比較適合電動輪椅中的使用。區別于常見的電動輪椅驅動器，本文設計的驅動器，可以實現多種運動模式，兩個直流電機的運動狀態組合，能夠實現輪椅的前進、后退、轉向及原地轉向，提高了輪椅運動的靈活性，使輪椅在狹小空間內可以完成轉向動作。電機運動狀態和輪椅的運動狀態關系如表1所示。該電機的驅動器采用了大功率的直流電機驅動器，最大持續負載電流達到了15A，輸入電源為0～36V的直流電源，驅動板的輸出與直流電機直接相連接。驅動板的控制邏輯簡單，控制輸入有共有IN1、IN2、PWM三個信號口，IN1和IN2輸入信號的組合控制電機的正反轉及停止，PWM口通過輸入的PWM信號控制電機的速度，調速范圍0～100%，具體控制邏輯如表2所示。同時，該直流電機驅動器還具有一個5V直流電流的輸出。

1.3繼電器

電動輪椅在斷電或者電池電流不足的情況下，還是需要人為地輔助推動輪椅。當速度過快時，此時，直流電機會反向給電機驅動板供電，會燒壞電機驅動板。所以在電機驅動板和電機之間需要增加繼電器，保護整體的電路的安全。繼電器的輸出端口有常開、常閉和公共端口，將電機的電源線接入繼電器的常開和公共端?？刂戚喴芜\動時，繼電器的控制端輸入口有I/O口、5V電源和GND口，當I/O口輸入高電平時，繼電器內部吸合，常開端口閉合，電機通電轉動。

1.4語音模塊

語音模塊的使用能夠很好地滿足一些使用者的需求。該系統中采用了LD3320A的語音模塊，模塊上有一個單片機，可以和語音模塊進行SPI通信，從而識別語音功能。該模塊可以識別普通話，集成了語音信號的采集和識別功能，通過修改語音模塊中的程序，可以修改語音識別的口令。該語音模塊可以識別50條口令，能夠滿足控制輪椅的需求。該語音模塊通過串口與Arduino控制器通信，在主控程序中定義好口令相對應的運動模式，語音模塊識別使用者的口令后，給Arduino控制器發送指令控制輪椅運動。

1.5超聲波傳感器

利用超聲波傳感器可以實現輪椅運動過程中的障礙物檢測。超聲波傳感器是利用傳感器的壓電晶片發出超聲波信號，接收遇到障礙物反射超聲波的信號，從而檢測出障礙物距離的傳感器。Arduino控制器給超聲波模塊一個觸發信號，傳感器發出8個40kHz的超聲波信號并檢測是否有信號返回，有信號返回時，傳感器輸出一個高電平，高電平的持續時間就是超聲波從發出到返回的時間。則障礙物到輪椅的距離為：s=v×t/2（1）式中，s為障礙物到輪椅的距離，v為聲音在空氣中的傳播速度，在常溫下速度為340m/s，t為超聲波從發出到返回的時間。

1.6紅外遙控模塊

紅外遙控模塊是一種常見的無線遙控模塊，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，成本低、容易使用等特點。本文使用的紅外遙控模塊遙控距離8m，載波頻率38kHz，采用的是NEC編碼格式。紅外遙控模塊分為紅外遙控器和紅外接收器，紅外接收器和Arduino控制器連接。紅外遙控器發送的紅外信號，被紅外接收器接收，在編程軟件中，通過串口確定紅外遙控器的每個按鍵的編碼，在編程中定義每個按鍵的功能。

2軟件設計

使用者啟動輪椅電源后，通過按鈕確定是手動遙控模式還是語音模式。手動模式中，使用者通過紅外遙控的按鈕操控輪椅的運動。語音模式中，使用者通過設定好的語音指令，通過發出語音口令控制輪椅的運動。超聲波傳感器持續檢測輪椅前后方的障礙物距離，當距離小于安全距離，電機停止轉動。

3結語

本文設計了以Arduino為主控制器的電動輪椅控制系統，控制方式靈活，方便輪椅使用者的使用，而且增加了超聲波測距傳感器，提高了輪椅使用的安全性。

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作者:黃鐘書 陳云 譚福瓊 董陽陽 趙璐 單位:南通理工學院