多功能自助智能轮椅

林佳智 常凤筠* 陈达文 邱泊涵 贾孟岐 孟依婷(辽宁科技大学电子与信息工程学院,辽宁 鞍山114000)

在目前市面已有的智能轮椅中,普遍都是只有遥感控制轮椅运动,在各种方面不够智能,而且造价昂贵。所以,本项目开发的智能轮椅,在人机交互方面既可以进行普遍采用的遥感,也可以使用手机进行控制,使得轮椅的多种功能更好的操作。并且本项目的轮椅采用了实时监测,对老人的温度,血氧等方面进行实时的测量,如果老人的身体发生不适,或发生了如轮椅倾倒等特殊情况,即可马上发出报警,并且联系监护人。

1 系统构架

该机器能够通过人机交互界面,进行一些例如控制轮椅前进,后退和转向以及调节座椅背椅角度等功能。如果发生轮椅倾倒的话可以通过角度传感器感应,并通过无线通信模块,和GPS 模块把轮椅位置和警报信息发给指定人员,同时通过蜂鸣器发出本地声音报警,实现了远程看护的功能。通过超声波模块测距,感应前方障碍物,通过避障算法控制行动路线以避开障碍物。通过温度传感器和心率检测模块,实时检测使用对象的身体状况,并且显示在oled 显示屏上。如遇特殊状况,能及时报警。

图1 多功能自主智能轮椅系统框图

2 系统的电路硬件设计

2.1 主控芯片。采用STM32F103ZET6 芯片作为主控,该系列微处理器工作频率为72MHz, 内置高达128K 字节的Flash存储器和20K 字节的SRAM, 具有丰富的通用I/O 端口[1],可快速处理各种复杂事件,计算能力强悍,与各种模块相互配合,快速准确的控制轮椅以及发出报警信息。

2.2 传感器模块。

2.2.1 采用MPU6050 陀螺仪,用一次四元数算法[2]解析陀螺仪姿态获得对其加速度和倾斜角,该算法只求解四个未知量的线性微分方程组,计算量小、易于操作,是比较实用的工程方法。并对获得的姿态进行实时传感,检测轮椅的倾斜情况和判断是否发生倾倒。

2.2.2 采用轮椅三面的超声波模块对其测距,利用发射超声波遇到障碍物返回的特点,获得返回的时间从而获得前方距离障碍物的距离,再利用卡尔曼滤波[3]对所得的数据进行处理,可以获得一个较为精确的距离数据。再对获得的距离进行处理,如果小于特定值则会拐弯或者刹车。

2.2.3 采用GY-906 和LMT70 温度检测模块进行温度检测,其中GY-906 为非接触式测温,而LTM70 为接触式测温,两种模式的结合可以满足在不同场合下的测温需求,而在这两种场合的情况下,调节两个模块之间的权重,可以更为精准的得出使用者的人体温度。

2.2.4 采用MAX30102 模块检测人体心率[4],因为人体含有的氧合血红蛋白和血红蛋白存在一定的比例,该模块采集其反射的红光和红外光的PRG 信号,并对获得的信号先进行信号划分,然后再去基线漂移,最后再利用皮尔逊相关系数判断其相关性,若相关性良好则求出其平均周期,即人体的心率。这样的优点是检测的心率十分准确,不会出现由于误检所带来的麻烦,但检测的时间略长,消耗单片机的CPU 过大,需要额外使用一个STM32C8T6 单片机单独驱动,再把获得的数据通过串口通信发送到主控控制。

2.3 电机驱动模块。该直流电机驱动模块采用74VHC 系列逻辑门芯片搭配mos 管,模拟L298 逻辑。其额定功率可达168w高于l298n 驱动芯片构成的驱动模块,其模块有两路H 桥可支持对两个电机分别控制。并且信号隔离输入,防止反向电势达到保护主控模块的目的,还带有静电泄放回路。

2.4 显示模块。采用oled 显示器模块进行传感器模块检测的参数,实时显示使用者的健康情况以及轮椅的状态。oled 显示模块具有主动发光、视角范围大；响应速度快,图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高等特点,并且驱动电压低、能耗低,相较于lcd 更适用于该项目。

2.5 人机交互。

2.5.1 采用蓝牙模块将手机与单片机进行通信。利用手机发送特定的指令给单片机,单片机收到指令后,找出相对的执行动作执行命令。可以实现由手机控制轮椅前进,后退和转向以及调节座椅背椅角度等功能。

2.5.2 采用传统的遥感,通过单片机读取遥感的AD 值,判断遥感位于什么方位,再由单片机控制轮椅进行相应的操作。值得一提的是,在遥感和手机蓝牙的控制上,由于考虑到使用者多数为老人,对手机的控制并没有那么娴熟。由此,我们将遥感的优先级大于手机控制,使老人并不会因为手机的操作不当导致一些特殊情况发生。

2.5.3 采用ESP8266WiFi 模块[5],将采集到的数据,通过TCP协议联网传到配置好的阿里云服务器上,再将微信小程序和备案好的域名、服务器连接,监护人可以远程查看使用者的位置和身体状况。

2.6 无线通信及其报警。采用GPS 模块和GPRS 模块相结合,GPS 模块将使用者的位置,通过串口通信传给单片机。而GPRS 利用SIM卡,当使用者发生一些类似轮椅倒塌,身体不适等突发情况,将情况通过短信发给监护人,使监护人能够及时采取应急处理。并通过蜂鸣器发出本地报警,使得在场路人也能查看到情况,对老人伸出援手。

3 系统程序的软件设计

根据多功能自助智能轮椅的实际要求,本项目的系统设备端和云端结构程序图以及人机交互框图如下:

图2 设备端- 程序结构图

图3 云端- 系统结构图

图4 人机交互框图

4 系统仿真调试

本论文采用Protues 仿真软件[6]进行系统仿真调试。利用其对虚拟单片机仿真具有丰富的器件库、完善的电路仿真功能等多个优点,对本系统的实验效果进行仿真调试。

4.1 系统仿真实验电路图。本系统的仿真电路图,其中包含多功能自助智能轮椅- 设备端实现功能的各个模块,能够在仿真中模拟系统要求的各种功能。

4.2 轮椅实时状态监测功能。本功能具体通过mpu6050 陀螺仪采集到三维坐标系的坐标,判断轮椅是否发生倾斜。当监测倾斜到一定角度或者倾斜一定时间时,系统判定轮椅状态为即将倾倒,驱动警报电路发起警报；通过轮椅三面的超声波模块实时对轮椅三面的障碍物进行感知,精准计算出与障碍物的距离,如果距离值小于特定值则会自动拐弯或者刹车做出应急反应。

4.3 人体健康状态检测功能。本功能具体通过GY-906 温度模块进行非接触式温度检测,通过LMT70 温度模块进行接触式温度检测,当环境影响较小的情况下非接触式测温的数据会作为采集的温度参数,当环境影响较大的情况下自动将接触式测温的数据作为采集的温度参数,必要情况下两者可以通过算法结合计算出一个较为准确地温度参数作为计算量估计人体健康情况。并且采用MAX30102 模块检测人体心率,当心率值超过设定人体安全范围的阈值,系统的报警电路会进行应急报警。

4.4 人机交互功能。本功能具体通过手机蓝牙APP 以及手动遥杆人机交互实现。手机蓝牙APP 上设置好按键的输出指令数据,遥杆的ad 值也内部转化为相同的输出指令数据,系统将每一个接受的指令数据都转化为操控轮椅运动的信号,并且配合着传感器模块对轮椅本身的避障防倾倒应急反应,达到人机都可以控制轮椅的动态行进。

5 结论

本文设计了一种轮椅,利用STM32F103ZET6 作为主控,各种模块相结合,实现了各种功能。能通过遥感或者手机,控制轮椅移动。在对老人看护上,能实时检测老人的温度、心率等,实现了对老人身体的实时监测。并且如果遇到突发情况,能够及时通知监护人进行本地报警,让老人能够及时得到救助。在各方面上能通过本项目的轮椅,使监护人不用无时不刻的查看老人的情况,大大减轻了看护老人的成本。