多功能自助智能輪椅

林佳智 常鳳筠* 陳達文 邱泊涵 賈孟岐 孟依婷(遼寧科技大學電子與信息工程學院,遼寧 鞍山114000)

在目前市面已有的智能輪椅中,普遍都是只有遙感控制輪椅運動,在各種方面不夠智能,而且造價昂貴。所以,本項目開發的智能輪椅,在人機交互方面既可以進行普遍采用的遙感,也可以使用手機進行控制,使得輪椅的多種功能更好的操作。并且本項目的輪椅采用了實時監測,對老人的溫度,血氧等方面進行實時的測量,如果老人的身體發生不適,或發生了如輪椅傾倒等特殊情況,即可馬上發出報警,并且聯系監護人。

1 系統構架

該機器能夠通過人機交互界面,進行一些例如控制輪椅前進,后退和轉向以及調節座椅背椅角度等功能。如果發生輪椅傾倒的話可以通過角度傳感器感應,并通過無線通信模塊,和GPS 模塊把輪椅位置和警報信息發給指定人員,同時通過蜂鳴器發出本地聲音報警,實現了遠程看護的功能。通過超聲波模塊測距,感應前方障礙物,通過避障算法控制行動路線以避開障礙物。通過溫度傳感器和心率檢測模塊,實時檢測使用對象的身體狀況,并且顯示在oled 顯示屏上。如遇特殊狀況,能及時報警。

圖1 多功能自主智能輪椅系統框圖

2 系統的電路硬件設計

2.1 主控芯片。采用STM32F103ZET6 芯片作為主控,該系列微處理器工作頻率為72MHz, 內置高達128K 字節的Flash存儲器和20K 字節的SRAM, 具有豐富的通用I/O 端口[1],可快速處理各種復雜事件,計算能力強悍,與各種模塊相互配合,快速準確的控制輪椅以及發出報警信息。

2.2 傳感器模塊。

2.2.1 采用MPU6050 陀螺儀,用一次四元數算法[2]解析陀螺儀姿態獲得對其加速度和傾斜角,該算法只求解四個未知量的線性微分方程組,計算量小、易于操作,是比較實用的工程方法。并對獲得的姿態進行實時傳感,檢測輪椅的傾斜情況和判斷是否發生傾倒。

2.2.2 采用輪椅三面的超聲波模塊對其測距,利用發射超聲波遇到障礙物返回的特點,獲得返回的時間從而獲得前方距離障礙物的距離,再利用卡爾曼濾波[3]對所得的數據進行處理,可以獲得一個較為精確的距離數據。再對獲得的距離進行處理,如果小于特定值則會拐彎或者剎車。

2.2.3 采用GY-906 和LMT70 溫度檢測模塊進行溫度檢測,其中GY-906 為非接觸式測溫,而LTM70 為接觸式測溫,兩種模式的結合可以滿足在不同場合下的測溫需求,而在這兩種場合的情況下,調節兩個模塊之間的權重,可以更為精準的得出使用者的人體溫度。

2.2.4 采用MAX30102 模塊檢測人體心率[4],因為人體含有的氧合血紅蛋白和血紅蛋白存在一定的比例,該模塊采集其反射的紅光和紅外光的PRG 信號,并對獲得的信號先進行信號劃分,然后再去基線漂移,最后再利用皮爾遜相關系數判斷其相關性,若相關性良好則求出其平均周期,即人體的心率。這樣的優點是檢測的心率十分準確,不會出現由于誤檢所帶來的麻煩,但檢測的時間略長,消耗單片機的CPU 過大,需要額外使用一個STM32C8T6 單片機單獨驅動,再把獲得的數據通過串口通信發送到主控控制。

2.3 電機驅動模塊。該直流電機驅動模塊采用74VHC 系列邏輯門芯片搭配mos 管,模擬L298 邏輯。其額定功率可達168w高于l298n 驅動芯片構成的驅動模塊,其模塊有兩路H 橋可支持對兩個電機分別控制。并且信號隔離輸入,防止反向電勢達到保護主控模塊的目的,還帶有靜電泄放回路。

2.4 顯示模塊。采用oled 顯示器模塊進行傳感器模塊檢測的參數,實時顯示使用者的健康情況以及輪椅的狀態。oled 顯示模塊具有主動發光、視角范圍大；響應速度快,圖像穩定；亮度高、色彩豐富、分辨率高等特點,并且驅動電壓低、能耗低,相較于lcd 更適用于該項目。

2.5 人機交互。

2.5.1 采用藍牙模塊將手機與單片機進行通信。利用手機發送特定的指令給單片機,單片機收到指令后,找出相對的執行動作執行命令。可以實現由手機控制輪椅前進,后退和轉向以及調節座椅背椅角度等功能。

2.5.2 采用傳統的遙感,通過單片機讀取遙感的AD 值,判斷遙感位于什么方位,再由單片機控制輪椅進行相應的操作。值得一提的是,在遙感和手機藍牙的控制上,由于考慮到使用者多數為老人,對手機的控制并沒有那么嫻熟。由此,我們將遙感的優先級大于手機控制,使老人并不會因為手機的操作不當導致一些特殊情況發生。

2.5.3 采用ESP8266WiFi 模塊[5],將采集到的數據,通過TCP協議聯網傳到配置好的阿里云服務器上,再將微信小程序和備案好的域名、服務器連接,監護人可以遠程查看使用者的位置和身體狀況。

2.6 無線通信及其報警。采用GPS 模塊和GPRS 模塊相結合,GPS 模塊將使用者的位置,通過串口通信傳給單片機。而GPRS 利用SIM卡,當使用者發生一些類似輪椅倒塌,身體不適等突發情況,將情況通過短信發給監護人,使監護人能夠及時采取應急處理。并通過蜂鳴器發出本地報警,使得在場路人也能查看到情況,對老人伸出援手。

3 系統程序的軟件設計

根據多功能自助智能輪椅的實際要求,本項目的系統設備端和云端結構程序圖以及人機交互框圖如下:

圖2 設備端- 程序結構圖

圖3 云端- 系統結構圖

圖4 人機交互框圖

4 系統仿真調試

本論文采用Protues 仿真軟件[6]進行系統仿真調試。利用其對虛擬單片機仿真具有豐富的器件庫、完善的電路仿真功能等多個優點,對本系統的實驗效果進行仿真調試。

4.1 系統仿真實驗電路圖。本系統的仿真電路圖,其中包含多功能自助智能輪椅- 設備端實現功能的各個模塊,能夠在仿真中模擬系統要求的各種功能。

4.2 輪椅實時狀態監測功能。本功能具體通過mpu6050 陀螺儀采集到三維坐標系的坐標,判斷輪椅是否發生傾斜。當監測傾斜到一定角度或者傾斜一定時間時,系統判定輪椅狀態為即將傾倒,驅動警報電路發起警報；通過輪椅三面的超聲波模塊實時對輪椅三面的障礙物進行感知,精準計算出與障礙物的距離,如果距離值小于特定值則會自動拐彎或者剎車做出應急反應。

4.3 人體健康狀態檢測功能。本功能具體通過GY-906 溫度模塊進行非接觸式溫度檢測,通過LMT70 溫度模塊進行接觸式溫度檢測,當環境影響較小的情況下非接觸式測溫的數據會作為采集的溫度參數,當環境影響較大的情況下自動將接觸式測溫的數據作為采集的溫度參數,必要情況下兩者可以通過算法結合計算出一個較為準確地溫度參數作為計算量估計人體健康情況。并且采用MAX30102 模塊檢測人體心率,當心率值超過設定人體安全范圍的閾值,系統的報警電路會進行應急報警。

4.4 人機交互功能。本功能具體通過手機藍牙APP 以及手動遙桿人機交互實現。手機藍牙APP 上設置好按鍵的輸出指令數據,遙桿的ad 值也內部轉化為相同的輸出指令數據,系統將每一個接受的指令數據都轉化為操控輪椅運動的信號,并且配合著傳感器模塊對輪椅本身的避障防傾倒應急反應,達到人機都可以控制輪椅的動態行進。

5 結論

本文設計了一種輪椅,利用STM32F103ZET6 作為主控,各種模塊相結合,實現了各種功能。能通過遙感或者手機,控制輪椅移動。在對老人看護上,能實時檢測老人的溫度、心率等,實現了對老人身體的實時監測。并且如果遇到突發情況,能夠及時通知監護人進行本地報警,讓老人能夠及時得到救助。在各方面上能通過本項目的輪椅,使監護人不用無時不刻的查看老人的情況,大大減輕了看護老人的成本。