基于STM32智能輪椅的控制系統研究

蔣欣雨，趙博洋，王曼瑤，何 杰

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著物聯網技術和醫療技術的快速發展，為了更好地服務老年人和體弱病殘者，幫助他們回歸正常生活，減少心理壓力和家庭負擔，也為最大限度節約制造成本，各國都在積極研發智能輪椅。目前，智能輪椅代替了手搖式輪椅，很大程度解決了活動范圍小、自主性低等問題，在日常生活中扮演著越來越重要的角色。然而，國內對電動輪椅的研究技術依然遠遠落后于國外，這導致市場上智能輪椅售價昂貴，普通家庭難以承受。因此，積極研究實惠可靠的智能輪椅，對于代替進口和引領國內技術研發具有重要作用。

本文設計的智能輪椅控制系統以STM32為控制核心，集合物聯網和自動化技術，實現輪椅的可操控性、自動感知、可靠控制、無線通信等功能，使輪椅具備較好的自主性、適應性。根據智能輪椅自身的特點，使多種人機交互方式在同一控制系統中共存，達到靈活便捷的操作目的。系統加入了緊急剎車和緊急避障功能，優化控制方式，實現智能輪椅在復雜環境中的避障控制[1-2]。

1 系統結構

智能輪椅有關控制系統方面的結構如圖1所示。

圖1所示的系統主要由驅動控制器、故障檢測模塊、手操器模塊、雙陪護控制器、人機交互模塊、微控制器、通信模塊等組成。

圖1 智能輪椅控制系統結構

人機交互方式包括操縱搖桿、按鍵控制、語音控制、肌電控制等，多種人機交互方式在同一控制系統中共存，操作靈活、便捷。

主控芯片從性價比、性能、成本、設計需求、推廣性等方面綜合考慮后，選擇STM32系列和M68HC12系列微控制器，其集成度高、性能穩定、成本低廉。

通信方式采用有線CAN和無線WiFi相互配合，保證信息傳輸的可靠性和便捷性。系統還加入了緊急剎車和緊急避障功能，進一步避免了使用者因環境因素、操作不當、意外情況等不可控因素而造成意外碰撞跌落事故[3-5]。

2 硬件電路設計

結合智能輪椅關于控制系統的硬件需要，選擇可進行大量運算，功耗低，具備完整硬件性能的控制芯片系統，經查詢，篩選后選擇STM32F103RBT6和MC9S12DG128作為主控芯片。這兩款芯片具備高效處理信息的能力，擁有充足的存儲空間。所有外圍電路均與主控芯片相連，主控芯片對其進行數據處理和控制[6-7]。

2.1 手操器

手操器的主要按鍵包括電源開關按鍵、速度加減按鍵、喇叭按鍵、緊急制動按鍵等，具有按鍵鎖定指示、陪護指示、故障指示等功能，模塊主要分為攝像頭模塊與CAN通信模塊。

2.1.1 攝像頭模塊電路

為確保輪椅使用者的安全，需要確保實現智能輪椅的緊急剎車功能。本文設計中借助手操器的攝像頭模塊作為圖像傳感器，輔以相應的軟件控制算法，從而保證在緊急情況下智能輪椅能夠緊急剎車。在這個模塊中，攝像頭采集道路上的信息，一旦檢測到障礙物，則立即傳遞信息給微控制器，再通過相應的控制算法實現相關功能[9-10]。攝像頭采樣電路如圖2所示。

圖2 攝像頭采樣電路

攝像頭視頻信號端與LM1881的視頻信號輸入端相連，同時也與MC9S12DG128 A/D轉換器的PAD1相連。LM1881的引腳1與MC9S12DG128的外部中斷IRQ端口相連，LM1881的引腳7作為奇-偶場同步信號輸出端與MC9S12DG128的普通I/O端口（選擇PORTM0）相連。

2.1.2 CAN通信模塊

為提高芯片的集成度并降低功耗，此次設計中用于有線傳輸數據的CAN總線控制器采用LVTTL邏輯電平，為了達到優化系統的效果，選擇需要3.3 V電壓供電的8腳CAN收發器SN65HVD230。CAN 通信模塊的接口電路如圖3所示。

圖3中，R3和R4具有限流電阻的作用，上拉電阻R1和下拉電阻R5協作搭配使用，可以一定程度上起到抑制反射波干擾的作用，通過這種方式可以增大信號的幅值，提高信噪比，降低誤碼風險。

圖3 CAN通信模塊的接口電路

2.2 電機驅動模塊

通過調查發現，目前市場中銷售的智能輪椅超過一半為直流有刷電機，因此將直流無刷電機用作執行器的智能輪椅具有廣闊的發展前景。本設計采用的直流無刷電機具有效率高、壽命長、電磁干擾小和結構簡單小巧等優點，可滿足市場需要。

已知驅動控制器是在接收信息且控制算法運算完成后輸出PWM波，以此達到對左右2個電機進行控制的目的，故驅動控制器的電機驅動電路需使IR2184驅動芯片和IR1404相互配合，搭建合適的驅動電路實現對左右電機的驅動，如圖4所示。

圖4 驅動控制器驅動電路

3 雙陪護模塊

雙陪護模塊作為一個獨立且需要對電機驅動控制器進行實時準確控制的模塊，它選定并采用的主控芯片必須滿足以下條件：

（1）為雙陪護控制器與電機驅動控制器之間的信息傳遞提供硬件支持；

（2）具有一定數量的普通GPIO口。

經過考慮，采用STM32F103RBT6（36引腳）作為該控制器的主控芯片，電路如圖5所示。

圖5 顯示電路

圖5中，電路采用共陽極接法，將7個LED燈連接到主控芯片的PA4～PA10引腳，放棄芯片級聯以獲取更多I/O端口。利用按鍵K1～K4控制發光二極管，其中，K1為增速按鍵，K2為減速按鍵，K3為速度固定按鍵，K4為輪椅控制權轉換按鍵。

4 軟件設計

控制系統的主程序流程如圖6所示。主程序，別名主函數。此函數是程序運作的開端，也是系統運行的程序基礎。系統主要完成硬件初始化、循環接收控制命令、控制電機運行、執行相應的緊急剎車中斷程序等任務。

圖6 系統主程序流程

5 結 語

本文所設計的智能輪椅控制系統以STM32為控制核心，集合物聯網和自動化技術實現輪椅的自動感知、可靠控制、無線通信等功能，使輪椅具備較好的可操控性、自主性、適應性。本文給出了系統的整體結構及部分硬件電路和軟件設計流程圖。該控制系統以STM32F103RBT6為主控芯片，采用模塊化設計思想，具有清晰度高、邏輯性強等特點，打造了一個低損耗的控制環境，可實現輪椅功能的多樣化，同時滿足輪椅使用者的不同需求。