浅谈一种电动轮椅控制器设计
时间：2023-06-19 15:55:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄钟书，陈云，谭福琼，董阳阳，赵璐
（南通理工学院，江苏 南通 226001）
目前，普通电动轮椅的保有量不断增加，但是有些轮椅使用者对普通轮椅的基本功能已经不满足，对轮椅的功能提出更多的要求。而且轮椅的安全性很大程度上取决于使用者的操作意识，虽然电动轮椅的操纵比较简单，但是使用者往往都是老年人，他们在操纵轮椅时的反应速度较慢。当出现紧急情况时，对轮椅的操纵不及时，容易出现安全事故。所以电动轮椅的智能化，例如，语音交互、紧急制动、智能导航等功能，具有较广阔的前景。
本文基于Arduino控制器，设计了一种电动轮椅的控制系统，利用红外遥控实现无线控制，同时融入了语音模块、超声波模块传感器，实现了对电动轮椅的语音交互控制和无线遥控，还可以对周围环境进行检测，遇到障碍物可以紧急停止。
运动控制系统的硬件电路设计如图1所示。红外接收器接收到使用者发送的红外信号，Arduino控制器给两个电机驱动器发送信号，控制直流电机的转速及转向。同时给两个继电器发送信号，控制电机的电源电路的通断。语音模块可以接收到使用者的语音指令，来控制轮椅的运动。
图1 总体结构框架图
大部分的电动轮椅使用者在使用过程中，都是独自操控轮椅的，而且电动轮椅也具有一定的速度，当遇到障碍物时，使用者没有及时刹车造成的安全事故屡见不鲜，所以增加传感器进行检测障碍物是很有必要的。常用的避障传感器有激光传感器、红外传感器、超声波传感器等，超声波传感器发射的超声波信号成一定的扇形，检测范围较广，检测距离能达到2～450cm，对于电动轮椅的避障检测距离合适。红外传感器的检测距离较近，激光传感器虽然检测距离远，精度高，但是价格较贵，所以本文采用超声波传感器作为电动轮椅的避障传感器。将超声波传感器安装在电动轮椅的前方和后方，可以检测轮椅前进方向上是否有障碍物，当障碍物距离小于设定的安全距离，则控制器会主动控制轮椅停下。
电动轮椅的驱动电源采用24V的铅酸蓄电池进行供电，蓄电池的安全性较高，电压稳定，价格较便宜，直流电机的额定电压为24V，所以采用24V的蓄电池，蓄电池直接给电机驱动板进行供电。再通过降压模块，将24V直流电转变成5V直流电，给控制器及传感器进行供电。运动控制系统的硬件电路如图2所示。
图2 硬件电路设计
1.1 Arduino控制器
本文的控制系统采用的主控制器是Arduino Uno控制板，该开发板是一款基于开放源代码的控制器，所以使用灵活方便，该控制板共有14个数字输入输出口，其中6个可以为PWM输出，6个模拟输入，16MHz晶振时钟，能够满足该控制系统的使用要求。Arduino控制器的编程是基于Arduino编程语言（基于Wiring）和Arduino开发环境（based on Processing）来实现的，能进行直观控制，增强程序的可读性的同时也提高了开发效率。
1.2 驱动电机及电机驱动器
本文中电动轮椅的驱动电机采用了两个24V的直流减速电机，在直流电机的基础上增加了减速器，提高了输出扭矩。直流电机起动和调速性能好,调速范围广，平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小，同时具有良好的启动特性和调速特性，比较适合电动轮椅中的使用。
区别于常见的电动轮椅驱动器，本文设计的驱动器，可以实现多种运动模式，两个直流电机的运动状态组合，能够实现轮椅的前进、后退、转向及原地转向，提高了轮椅运动的灵活性，使轮椅在狭小空间内可以完成转向动作。电机运动状态和轮椅的运动状态关系如表1所示。
表1 电机运动状态和轮椅的运动状态关系
该电机的驱动器采用了大功率的直流电机驱动器，最大持续负载电流达到了15A，输入电源为0～36V的直流电源，驱动板的输出与直流电机直接相连接。驱动板的控制逻辑简单，控制输入有共有IN1、IN2、PWM三个信号口，IN1和IN2输入信号的组合控制电机的正反转及停止，PWM口通过输入的PWM信号控制电机的速度，调速范围0～100%，具体控制逻辑如表2所示。同时，该直流电机驱动器还具有一个5V直流电流的输出。
表2 电机驱动器控制逻辑
1.3 继电器
电动轮椅在断电或者电池电流不足的情况下，还是需要人为地辅助推动轮椅。当速度过快时，此时，直流电机会反向给电机驱动板供电，会烧坏电机驱动板。所以在电机驱动板和电机之间需要增加继电器，保护整体的电路的安全。继电器的输出端口有常开、常闭和公共端口，将电机的电源线接入继电器的常开和公共端。控制轮椅运动时，继电器的控制端输入口有I/O口、5V电源和GND口，当I/O口输入高电平时，继电器内部吸合，常开端口闭合，电机通电转动。
1.4 语音模块
语音模块的使用能够很好地满足一些使用者的需求。该系统中采用了LD3320A的语音模块，模块上有一个单片机，可以和语音模块进行SPI通信，从而识别语音功能。该模块可以识别普通话，集成了语音信号的采集和识别功能，通过修改语音模块中的程序，可以修改语音识别的口令。该语音模块可以识别50条口令，能够满足控制轮椅的需求。该语音模块通过串口与Arduino控制器通信，在主控程序中定义好口令相对应的运动模式，语音模块识别使用者的口令后，给Arduino控制器发送指令控制轮椅运动。
1.5 超声波传感器
利用超声波传感器可以实现轮椅运动过程中的障碍物检测。超声波传感器是利用传感器的压电晶片发出超声波信号，接收遇到障碍物反射超声波的信号，从而检测出障碍物距离的传感器。Arduino控制器给超声波模块一个触发信号，传感器发出8个40kHz的超声波信号并检测是否有信号返回，有信号返回时，传感器输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发出到返回的时间。则障碍物到轮椅的距离为：
式中，s为障碍物到轮椅的距离，v为声音在空气中的传播速度，在常温下速度为340m/s，t为超声波从发出到返回的时间。
1.6 红外遥控模块
红外遥控模块是一种常见的无线遥控模块，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，成本低、容易使用等特点。本文使用的红外遥控模块遥控距离8m，载波频率38kHz，采用的是NEC编码格式。红外遥控模块分为红外遥控器和红外接收器，红外接收器和Arduino控制器连接。红外遥控器发送的红外信号，被红外接收器接收，在编程软件中，通过串口确定红外遥控器的每个按键的编码，在编程中定义每个按键的功能。
系统的软件设计如图3所示。使用者启动轮椅电源后，通过按钮确定是手动遥控模式还是语音模式。手动模式中，使用者通过红外遥控的按钮操控轮椅的运动。语音模式中，使用者通过设定好的语音指令，通过发出语音口令控制轮椅的运动。超声波传感器持续检测轮椅前后方的障碍物距离，当距离小于安全距离，电机停止转动。
图3 控制流程图
本文设计了以Arduino为主控制器的电动轮椅控制系统，控制方式灵活，方便轮椅使用者的使用，而且增加了超声波测距传感器，提高了轮椅使用的安全性。
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