基于ＳＰＣＥ０６１Ａ的智能輪椅避障控制系統的設計

牛鳳英　張　華　劉繼忠　吳學沛

摘 要：應用超聲波傳感器多路測距技術和凌陽大學的61單片機技術實現了普通輪椅各個方向上的自主避障，介紹了該避障系統的多路測距模塊、電機驅動模塊、電源模塊，給出了超聲避障測距與控制程序，并進行了輪椅自主避障及相關實驗，通過實驗發現基于SPCE061A的智能輪椅自主避障控制系統結構簡單，性價比高，易于功能擴展和移植，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：超聲波傳感器；避障；SPCE061A；電機驅動模塊

中圖分類號：TP23文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)03-116-03

Design of Obstacle Avoidance Control System for Intelligent Wheelchair Based on SPCE061A

NIU Fengying1,2,ZHANG Hua LIU Jizhong WU Xuepei1

(1.Key Lab of Robot & Welding Automation of Jiangxi,Nanchang University,Nanchang,330031,China;

2.Mechano-electronics Engineering College,Nanchang University,Nanchang,330031,China)

Abstract：Ultrasonic sensors and SPCE061A microcontroller technology is applied to achieve a common wheelchair autonomous obstacle avoidance in each directions,the system module of measure distance,the drive module of electric motor and the module of power source are introdued.It designs obstacle avoidance,control procedures,auto obstacle avoidance and related experiments.Experiment shows that the frame of obstacle avoidance control system based on SPCE061A is simple,the ratio of capability to price is high,the system can be enlarged in function and transplanted easily and has wide application foreground.

Keywords：ultrasonic sensors;obstacle avoidance;SPCE061A;driver module of electric motor

0 引 言

全世界人口老齡化進程正在加快，今后50年內，60歲以上的人口比例預計將會翻一番，由于各種災難和疾病造成的殘障人士也逐年增加，他們存在不同程度的能力喪失。如行走、視力、動手及語言等。為了給老年人和殘障人士提供性能優越的代步工具，幫助他們提高行動自由度及重新融人社會，將智能機器人技術應用于電動輪椅的智能輪椅被提了出來。智能輪椅又稱輪椅式移動機器人。可以靈活避障［1］是輪椅智能化的一個重要體現。

避障就是指機器人根據獲得的障礙物信息，做出相應的避障決策。本課題采用超聲波傳感器獲取機器人外部障礙物信息，再把障礙物信息傳給上位機，由上位機根據得到的障礙物信息做出相應的避障決策。

1 智能輪椅自主避障硬件設計

智能輪椅自主避障系統的硬件結構主要包括多路超聲波測距模塊、微處理器模塊、D/A驅動模塊、電源模塊，如圖1所示。

1.1 多路超聲波測距［2］模塊

本智能輪椅自主避障系統采用超聲波傳感器測量障礙物的距離，工作時，由61單片機通過三路信號線選通多路模擬開關，由多路模擬開關負責每一路超聲波傳感器的通斷。每一路超聲波傳感器工作時，都由61單片機［3］的IOB9口發射出頻率為40 kHz，幅值為5 V的矩形脈沖信號，經過信號放大電路，變成穩定的12 V矩形脈沖信號，由超聲波發射換能器發射出超聲波。超聲波遇到障礙物返回，由超聲波接收換能器接收，經過信號濾波放大集成電路，觸發61單片機中斷。由61單片機計算渡越時間，從而計算出障礙物的距離，總體結構框圖如圖2所示。

1.2 微處理器模塊

選用臺灣凌陽16位單片機SPCE061A作為系統的核心,SPCE061A主要包括通用I/O端口、定時器/計數器、A/D轉換器、D/A轉換器、串行設備輸入輸出、通用異步串行接口、低電壓監測和低電壓復位等部分，并且內置了在線仿真電路ICE接口，SPCE061A具有體積小、集成度高、可靠性好且易于擴展，較強的中斷處理能力，高性能價格比，功能強、效率高的指令系統，低功耗、低電壓等特點［3］。采用SPCE061A作為機器人系統的核心部件，由61單片機處理障礙物數據信息，并根據數據信息做出相應的避障決策。使智能輪椅靈活避障。

1.3 D/A驅動模塊［4］

系統采用直流永磁電動機DG-168A左右配對分別來驅動輪椅左右輪，左、右配對使用DG-168系列具有機械性能好、過載能力大、平衡性好、調速性寬闊平滑、噪音低之優點。DG-168A電機功率為168 W，使用電壓為24 V。買回來的電動輪椅本身自帶手柄控制，經研究發現，手柄部分共六條線，紅、黑、黃、褐、蘭、白，輸出四路信號。黃、褐兩路控制輪椅前進后退；蘭、白兩路控制輪椅左轉右轉(如表1所示)。每兩路的電壓加起來要等于5 V，當黃線電冶高于褐線電壓時，輪椅前進；反之輪椅后退，同理，蘭線電壓高于白線電壓時右轉；反之左轉。

本課題的D/A模擬電路的B1，A1，A2，B2的電壓輸出分別代替了黃、褐、蘭、白四條線的電壓輸出。

所以通過兩個D/A［4］轉換器TLV5618的輸出，代替了手柄控制，具體轉換電路如圖3所示。

TLV5618與凌陽61單片機的3個I/O口相連，分別是數據串口DIN、時鐘信號SCLK、片選信號CS。MC1403只有3只腳有效，VDD，VSS及供給DA 2.5 V的參考電壓。

1.4 電源模塊

電路驅動模塊中用到了24 V，12 V，5 V三種電源，選用24 V，24 Ah的高能充電蓄電池作為動力能源，它為電機直接提供24 V工作電壓，12 V，5 V分別通過7812，7805芯片由24 V轉換得到。

2 智能輪椅自主避障軟件設計

系統軟件是在61單片機集成開發環境IDE2.0.0上開發的，該集成開發環境集程序的編輯、編譯、鏈接、調試以及仿真等功能為一體，具有友好的交互界面，使用戶的編程、調試工作更加方便且高效。

主程序設計如下：

主程序主要是通過掃描鍵盤，等候用戶指令，不在避障狀態下掃描等候，而進入避障狀態后會根據探測到的環境選擇相應的避障策略。在避障過程中若用戶按下停止鍵則退出避障循環,主程序采用鍵盤掃描，節約了61單片機的中斷資源，同時也減小了對測距的干擾，增加了智能輪椅實時避障的靈敏度。主程序流程圖如圖4所示。

3 實驗結果分析

選用實驗室外空曠環境作為輪椅運動的測試環境，對輪椅的運動進行反復測試可知，輪椅的運動最低平均速度為16 cm/s，最高平均速度為41 cm/s；轉彎半徑為50 cm左右，根據使用者對速度的要求，可以通過改變系統的特定參數來設置速度的范圍。

利用介紹的方法對智能輪椅做自主避障實驗，智能輪椅自主避障良好。

4 結 語

智能輪椅自主避障具有很重要的實用價值，本文設計的基于SPCE061A的自主避障系統結構簡單，性價比高，易于功能擴展和移植。系統測試結果表明該系統基本達到實用化要求。

參考文獻

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作者簡介

牛鳳英 女，1983年出生，在讀碩士研究生。

張 華 男，1964年出生，教授，博士生導師。研究領域為移動機器人技術、機器人智能化、智能自動化技術、智能結構快速制造技術。

劉繼忠 男，1974年出生，副教授。研究領域為超聲檢測，服務機器人。