避障助行器控制系統(tǒng)設(shè)計方案

張涵

摘??要：針對目前市面上現(xiàn)存的各類助行器都存在安全性比較低，定位方面不夠明確，針對性不強(qiáng)，實際效果差等缺點。設(shè)計了一種以ATmega16單片機(jī)為主控芯的避障助行器控制系統(tǒng)設(shè)計方案，通過紅外傳感器與超聲波傳感器對路況進(jìn)行采集，并通過A/D轉(zhuǎn)換電路將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識別的數(shù)字信號，以便于單片機(jī)分析處理。通過單片機(jī)對紅外傳感器和超聲波傳感器檢測信息的分析、判斷，從而給出判斷結(jié)果，并給相應(yīng)端口數(shù)字信號，再經(jīng)過相應(yīng)驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)傳感器，以達(dá)到自動控制轉(zhuǎn)向，改變行駛路徑，繞過障礙物的目的，從而實現(xiàn)自主避障的功能。

關(guān)鍵詞：避障;助行器;紅外線;超聲波

中圖分類號：TP242.6????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0??引言

助行器作為一個老年人出行時最常選用的工具，能讓老年人在無家人和護(hù)工的看護(hù)幫助下，能達(dá)到方便出行、實現(xiàn)生活上的自我照料的目標(biāo)。目前，市面上現(xiàn)存的各類助行器都存在安全性比較低，定位方面不夠明確，針對性也不強(qiáng)，實際效果差等缺點，并不能很好滿足老年人所需。助行器的設(shè)計是為了給老人提供出行方便的，考慮到適用人群特征，因此對安全性要求特別高，所以助行器的運(yùn)行速度一般較慢。為了使助行器功能多樣化，也為提升助行器的安全性。針對上述問題，需要從老年人的身體和心理入手，分析老年人生理和心理特征和生活方式，增加其安全性，因此，制定了避障助行器控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1??總體設(shè)計方案概述

避障助行器控制系統(tǒng)設(shè)計方案主要由電源模塊，電機(jī)模塊，測距模塊，避障模塊件，單片機(jī)主控模塊等部分組成。其中，單片機(jī)選用以ATmega16單片機(jī)為主控芯片，電源模塊選用穩(wěn)壓電源，避障模塊采用雙紅外線傳感器避障，測距模塊采用超聲波傳感器進(jìn)行測量。

2??電源模塊的設(shè)計

電源模塊是為了給系統(tǒng)中各個模塊中的器件模塊分配一定的電壓的，是助行器能夠穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。在本次設(shè)計中采用2塊12V鋰電池作為整車的動力源，為電機(jī)模塊與其他模塊供電。當(dāng)輸入電壓在8V～40V時，系統(tǒng)電源可以利用電壓變化器LM2678將輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V穩(wěn)壓分別給避障模塊、測距模塊，單片機(jī)模塊等模塊供電。

3??電機(jī)模塊的設(shè)計

由于助行器需要前進(jìn)后退轉(zhuǎn)向調(diào)速等功能，所以需要電機(jī)正反轉(zhuǎn)來進(jìn)行調(diào)速，針對助行器驅(qū)動系統(tǒng)，功率密度為主要性能指標(biāo)，伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)各項指標(biāo)較為適宜，其中閉環(huán)控制方式可得到比開環(huán)控制更精密的伺服控制。所以本次本次設(shè)計中選用直流伺服電機(jī)，并且采用ST公司生產(chǎn)雙極型H橋驅(qū)動芯片L298N，可以驅(qū)動46V、2A以下電機(jī)，并且內(nèi)含兩個H橋，可同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)。

4??避障模塊的設(shè)計

由于助行器在進(jìn)行工作時，速度不會過高，為了保障避障效果，本次設(shè)計中分別在助行器的左右兩側(cè)安裝紅外避障模塊。當(dāng)左側(cè)傳感器檢測到障礙物時，立即讓助行器左轉(zhuǎn)彎后退，右轉(zhuǎn)彎前進(jìn);當(dāng)右側(cè)傳感器檢測到障礙物時，立即讓助行器右轉(zhuǎn)彎后退，左轉(zhuǎn)彎前進(jìn);當(dāng)兩側(cè)都未檢測到障礙物，助行器一直前行，避障傳感器電路圖如圖1。

5??測距模塊的設(shè)計

在本設(shè)計中，為了測量障礙物的距離，擬定采用超聲波傳感器進(jìn)行測量，并且利用測量方法是簡單實用的渡越時間法。在本次設(shè)計中擬采用HC-SR04模塊的I/O接口TRIG觸發(fā)測距模塊自動發(fā)送8個40kHZ的方波，自動檢測是否有信號返回。若有信號返回，則輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，高電平持續(xù)的時間可以用定時器計時完成。超聲波模塊接線圖如圖2所示，根據(jù)檢測到的距離信息，讓單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

6??軟件的設(shè)計

助行器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計是實現(xiàn)助行器控制的重要組成部分，助行器通過紅外傳感器來實現(xiàn)避障功能，通過超聲波傳感器來實現(xiàn)測距功能，將傳感器檢測到的信息經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將信號傳遞給單片機(jī)，使得單片機(jī)輸出信息，從而對助行器的運(yùn)動進(jìn)行控制，使得助行器能夠按照正確且通順的道路行駛，最后建立流程圖如圖3和避障子程序如圖4。

7??總結(jié)

隨著我國科技事業(yè)的發(fā)展，助行器的研究也將更加深入。作為助行器的關(guān)鍵部分，助行器控制系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)直接關(guān)系到助行器的后續(xù)功能體驗和運(yùn)行維護(hù)實效。本文中助行器控制系統(tǒng)的設(shè)計從使用者的安全角度出發(fā)，希望設(shè)計出更加適合老年人的助行器。但是，該方案還存在不足之處，仍需要繼續(xù)改進(jìn)，從而實現(xiàn)最大程度的智能化。未來隨著科研的深入，助行器也將朝著更加智能化、簡單化、高效化的方向發(fā)展，將會更好的造福人類和社會。

參考文獻(xiàn)

[1] 王子卿.可持續(xù)設(shè)計理念下的老年人智能助行器創(chuàng)新設(shè)計研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2019.

[2] 謝揚(yáng).步行訓(xùn)練中助行器的選擇和使用問題[J].現(xiàn)代康復(fù)，2000（07）：974-975.

[3] 高懷民.使用助行器械和矯形器步行訓(xùn)練的最新進(jìn)展[J].現(xiàn)代康復(fù)，2000（07）：964-965.

[4] 黃海晶，王志彬，金鴻賓.助行器的演變與發(fā)展[J].中國矯形外科雜志，2006（18）：1397-1399.

[5] 常鐳民.動力式助行器的控制系統(tǒng)設(shè)計[D].天津科技大學(xué)，2013.