基于單片機(jī)的聲控智能輪椅

周炳 朱寒 趙宗月

摘 要：殘疾人出行主要靠輪椅，但是目前市場(chǎng)上或輪椅不夠智能，或稍微智能一點(diǎn)輪椅價(jià)格昂貴，而且目前市場(chǎng)上的智能輪椅的功能都不夠全面。所以基于單片機(jī)的全面智能輪椅是需要的，而且加入更能滿足殘疾人群的需要的聲控模塊，避障模塊，GPS導(dǎo)航模塊等會(huì)讓輪椅更加智能化和實(shí)用化。聲控模塊能使不熟悉輪椅操作的老年人適應(yīng)輪椅的使用；避障模塊能夠在存在盲區(qū)的情況下避免意外的發(fā)生；GPS模塊能夠讓家人隨時(shí)掌握使用人的位置，讓家人放心。

關(guān)鍵詞：語音識(shí)別模塊； 避障模塊 ；GPS模塊； 51單片機(jī)

根據(jù)第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查的數(shù)據(jù)公報(bào)顯示，全國各類殘疾人總數(shù)為8296萬人，占全國總?cè)丝诘?.34%。無論是老年人還是殘疾人，由于肢體功能障礙，他們的日常生活都受到很大的制約，生存質(zhì)量和生活自由度都有很大程度的降低。不僅給家人帶來了護(hù)理負(fù)擔(dān)，還有許多方面需要不斷地求助于人。輪椅作為一種輔助代步工具，無論是老年人還是肢體功能障礙的殘疾人對(duì)其的需求都十分迫切。手動(dòng)輪椅和簡(jiǎn)的電動(dòng)輪椅由于功能單一已漸漸無法滿足使用者的需求。

在前期調(diào)研中我們發(fā)現(xiàn)雖然市場(chǎng)已經(jīng)有類似本產(chǎn)品功能的產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品都沒有全面的考慮到殘疾人的需要。有的產(chǎn)品并沒有聲控功能，讓一些不熟悉操作的人很難適應(yīng)輪椅的使用；有的產(chǎn)品沒有避障的功能，這對(duì)于殘疾人來說將是一個(gè)很大的隱患，在使用輪椅的時(shí)候不可避免的存在一些盲區(qū)。

所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)聲控智能輪椅的初始就想到了這些問題并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模塊來克服這些缺點(diǎn)。所以我們不僅加入聲控功能，同時(shí)加入了行為模塊，可以使殘疾人通過手機(jī)或者其他智能設(shè)備來操作輪椅的行動(dòng)。

1.智能輪椅的總體設(shè)計(jì)

智能輪椅的組成包括主要有四個(gè)模塊，即語音識(shí)別模塊，避障模塊，GPS導(dǎo)航模塊，驅(qū)動(dòng)模塊。其中語音模塊檢測(cè)到的語音數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。避障模塊利用光電傳感器探測(cè)實(shí)現(xiàn)避障。GPS導(dǎo)航模塊利用北斗雙模模塊作為定位接收設(shè)備實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。驅(qū)動(dòng)模塊利用全橋驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和方向電機(jī)控制電路兩個(gè)部分。

2.智能輪椅的語音識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)中語音識(shí)別模塊起著檢測(cè)識(shí)別語音的作用，語音模塊檢測(cè)到的語音數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。這個(gè)模塊采用的語音識(shí)別芯片是 LD3320、語音通過麥克風(fēng)輸送到 LD3320，LD3320 將收到的語音進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理后傳到單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，然后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊指令，使輪椅做出相應(yīng)的反應(yīng)（啟動(dòng)，關(guān)閉，前進(jìn)，后退，向左，向右等）關(guān)系圖如下圖所示

語音識(shí)別程序設(shè)計(jì)中采用中斷的工作方式，首先是進(jìn)行初始化，根據(jù)LD3320 相應(yīng)的操作，保證 LD3320 完成語音識(shí)別功能；然后寫入關(guān)鍵詞列表，不同的關(guān)鍵詞對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的代碼，代碼可以相同，但是這個(gè)代碼的值限定在 00H-FFH，支持50 個(gè)識(shí)別代碼，每一個(gè)代碼都是標(biāo)準(zhǔn)的普通話漢語拼音，漢語拼音之間用空格隔開；將相應(yīng)的寄存器設(shè)置好了之后就可以開始語音識(shí)別，首先是設(shè)置麥克風(fēng)的輸入通道及其增益值，這個(gè)增益值可以設(shè)定為00H-7FH，一般要設(shè)置在50H左右，可以提高麥克風(fēng)的音量、從而提高識(shí)別的靈敏度，但相應(yīng)的誤識(shí)別概率也會(huì)相應(yīng)的增加，增益值越小麥克風(fēng)音量也就越小，但是其誤識(shí)別率也就比較小，而且只有近距離的情況下才能完成語的輸入，否則的話麥克風(fēng)將無數(shù)據(jù)輸入； 當(dāng)麥克風(fēng)有數(shù)據(jù)輸入，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)處理信號(hào)，進(jìn)入相應(yīng)的運(yùn)算函數(shù)對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，得到相應(yīng)的語音數(shù)據(jù)。

3.智能輪椅的避障模塊

我們選擇四路紅外探測(cè)光電傳感器模塊為智能輪椅和機(jī)器人等自動(dòng)化機(jī)械裝置提供一種多用途的紅外線探測(cè)系統(tǒng)的解決方案。它使用紅外線發(fā)射和接收管等分立元器件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（可以加入遲滯電路讓它更加穩(wěn)定）作為核心器件構(gòu)中控電路。此系統(tǒng)具有多種探測(cè)功能較大的滿足各種自動(dòng)化、智能化小型系統(tǒng)的應(yīng)用，并且此模塊具有易于安裝、使用簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。

該傳感器中的4 路分別獨(dú)立工作，工作時(shí)不受數(shù)量限制；中控板與探頭分開，安裝位置不受限制； 模塊高度≤10毫米；安全工作電壓范圍在3伏特至6伏特之間，驅(qū)動(dòng)電流10-20mA。

4. GPS導(dǎo)航模塊

4.1 定位

（1）通過定位導(dǎo)航服務(wù)，確定輪椅的具體位置。

（2）定位從安全性與可靠性考慮，此項(xiàng)目采用深圳市百年科技的BD-228款GPS北斗雙模模塊，它支持北斗二代和GPS的高性能集成模塊，此模塊是單天線衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具有GPS模塊和BD模塊及混合模式共三種定位模式，能滿足全方位定位要求以及各類定位設(shè)備的需求，在一定程度上有助于提高定位的精度與穩(wěn)定性。（如圖3）

4.2 路徑規(guī)劃

（1）路徑規(guī)劃根據(jù)對(duì)環(huán)境的（局部）未知或已知分成全部路徑規(guī)劃和部分路徑規(guī)劃，全部路徑規(guī)劃方法：柵格法、自由空間法、拓?fù)浞ǎ徊糠致窂揭?guī)劃方法：人工勢(shì)場(chǎng)法、模糊邏輯算法。

（2）基于GPS定位以及超聲波避障方式的組合實(shí)現(xiàn)智能輪椅的安全行駛，勘探環(huán)境，采用這種組合方式的導(dǎo)航，能夠使輪椅更好的安全、有效的到達(dá)目的地。

（3）通過路徑規(guī)劃的比較，確定最優(yōu)路徑，之后通過語音播報(bào)告知輪椅主人的下一步路徑和安全躲避身邊障礙物的方法，安全到達(dá)目的地。

5.智能輪椅的驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊利用全橋驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和方向電機(jī)控制電路兩個(gè)部分。

5.1動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由后輪驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)小車的直線方向運(yùn)動(dòng)。后輪驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路。由四個(gè)三極管組成四個(gè)橋臂， 控制四個(gè)橋臂的導(dǎo)通與關(guān)斷控制后輪電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使之正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)或者停轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)和后退。

5.2方向電機(jī)控制電路

方向控制由前輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，前輪驅(qū)動(dòng)電路也是一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路， 控制前輪電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制小車的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，當(dāng)前輪電機(jī)正轉(zhuǎn)，小車前輪朝左偏轉(zhuǎn)；反之朝右偏轉(zhuǎn)，當(dāng)前輪電機(jī)停轉(zhuǎn)，在彈簧作用下前輪被拉回到中間位置，保持直向。

6.結(jié)論

本研究完成了一種可躺、可立智能聲控輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并成功研制了語音控制模塊包括硬件和軟件部分，實(shí)現(xiàn)了通過聲音控制輪椅姿勢(shì)轉(zhuǎn)換和行駛。結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)輪椅的聲控性能和成功率進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該語音模塊可以較好地用于輪椅的聲控，在一定程度上方便了患者的使用。另外，此模塊可以作為后續(xù)智能導(dǎo)航的基礎(chǔ)，通過加裝超聲傳感器進(jìn)行測(cè)距、圖像傳感器進(jìn)行地形捕捉，配合語音信號(hào)控制，完成多功能智能輪椅車的自主避障與自動(dòng)導(dǎo)航。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局.2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查主要數(shù)據(jù)公報(bào).中國康復(fù)理論與實(shí)踐[M].北京：中國康復(fù)理論與實(shí)踐雜志社，2006.

[2] 吳玉韶.中國老齡事業(yè)發(fā)展報(bào)告（2013）[M].第1版.北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社， 2013.

[3] 史雄. 城市社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)的研究[D]. 上海：華東師范大學(xué)，2009.