基于STM32的智能輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭天然 張梅

摘 要：為了更好地服務(wù)老年人和殘障人士，文中設(shè)計(jì)一種基于STM32的智能輪椅控制系。該系統(tǒng)主要由主控芯片、傳感器模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、GPS模塊、無線通信模塊和報(bào)警模塊等部分組成，實(shí)現(xiàn)輪椅的自動(dòng)感知、可靠控制、無線通信、GPS定位等多種功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功耗低、可靠性強(qiáng)、功能多等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能輪椅;STM32;控制系統(tǒng);人機(jī)交互;無線通信;GPS

0 引 言

為了更好地服務(wù)老年人和殘障人士，使其獲得更好的幫助，盡可能地融入社會(huì)，最大程度地節(jié)約人工陪護(hù)成本，各國都致力于功能豐富的輪椅的研究。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，輪椅越來越智能化、人性化。目前存在的智能輪椅是在電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上，集合一些人工智能技術(shù)，使輪椅具備較好的自主性、適應(yīng)性與交互性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能輪椅控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32為控制核心，其利用低功耗控制芯片、高精度傳感器、GPS模塊、超聲波模塊、無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)輪椅的自動(dòng)感知、可靠控制、無線通信、GPS定位等多種功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于STM32的智能輪椅控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由主控芯片、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、GPS模塊、無線通信模塊、報(bào)警電路、電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等部分組成。使用者通過按鍵可選擇不同的人機(jī)交互模式，如操縱桿、按鍵或手機(jī)等;通過傳感器模塊中的角度傳感器和次聲波傳感器采集輪椅自身和外部環(huán)境的信息，經(jīng)主控芯片分析處理后，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使電機(jī)運(yùn)行;系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置自動(dòng)避障算法，可進(jìn)行自動(dòng)避障;其GPS模塊可以定位輪椅，通過無線通信模塊將位置信息、輪椅信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)者，在輪椅發(fā)生跌倒時(shí)本地報(bào)警的同時(shí)還發(fā)送報(bào)警信號(hào)到監(jiān)護(hù)者手機(jī)端。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司（ST公司）的STM32F103C8T6。該芯片具有較高的實(shí)時(shí)性、較低的功耗、豐富的片外擴(kuò)展能力、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力等。所有外圍電路均與主控芯片相連，由主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制。下面對(duì)部分硬件電路做介紹。

2.1 傳感器模塊電路

系統(tǒng)傳感器模塊主要有角度傳感器、超聲波傳感器，用來感知智能輪椅的自身狀態(tài)和外部的環(huán)境信息，來確定輪椅自身的位姿信息、周圍環(huán)境和障礙物的距離信息等。

角度傳感器選用MPU-6050角度傳感器，其與主控芯片的連接電路如圖2所示。

MPU-6050角度傳感器通過I2C接口與STM32F103C8T6相連接，通過I2C串口通信實(shí)現(xiàn)角度信息的傳送。

超聲波傳感器采用HC-SR04超聲波傳感器，來獲得輪椅與物體的距離信息。這里設(shè)計(jì)了3路超聲波傳感器，分別安裝在輪椅的前方、左側(cè)和右側(cè)，同時(shí)采集這3個(gè)方向的距離信息，通過避障算法控制后達(dá)到較好的避障效果，超聲波傳感器與主控芯片的連接電路如圖3所示。

圖3中的3個(gè)HC-SR04超聲波傳感器分別與STM32 F103C8T6的PC0～PC5等6個(gè)GPIO口相連，STM32 F103C8T6通過控制這些通信接口進(jìn)行信息的交互。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

智能輪椅采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式，每一個(gè)后輪配置一個(gè)電動(dòng)機(jī)，這里采用雙H橋直流電機(jī)口驅(qū)動(dòng)器L298N來驅(qū)動(dòng)輪椅的左、右輪電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

STM32F103C8T6通過光電隔離電路TLP521-4與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N芯片相連。TLP521-4內(nèi)部包含了4組光電耦合管，可以將負(fù)載電路與控制信號(hào)完全隔離，可以增強(qiáng)抗干擾能力提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠性。STM32F103C8T6通過控制ENA和ENB使L298N使能，通過控制IN1～I(xiàn)N4引腳的電平高低即可控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，OUT1～OUT4為控制信號(hào)輸出引腳，該引腳通過整流電路直接與電機(jī)相連進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互接口要求操作簡(jiǎn)單、便捷、合理，本系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊組成如圖5所示。

本系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊由手機(jī)端、操控桿和觸摸屏3個(gè)部分組成。手機(jī)端通過WiFi信號(hào)與輪椅相連，來設(shè)置相關(guān)參數(shù)、查看輪椅相關(guān)信息，同時(shí)也可操控輪椅。操控桿的控制方式為電磁感應(yīng)式，控制輪椅的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)在操控桿的手柄上增加一些獨(dú)立的功能按鍵，這里設(shè)置5個(gè)按鍵，分別是緊急停止、加速、減速、鳴笛、控制模式選擇按鍵。觸摸屏采用電容屏，可以實(shí)現(xiàn)輪椅的運(yùn)動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)顯示等功能。

2.4 無線通信模塊與報(bào)警電路

本系統(tǒng)的無線通信模塊利用GPRS芯片SIM300通過手機(jī)短信的形式把輪椅位置、報(bào)警信息發(fā)送給指定人員，發(fā)生傾倒時(shí)本地報(bào)警，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的，其電路如圖6所示。

STM32F103C8T6的PB110和PB11引腳與SIM300的RXD和TXD相連，通過串口通信發(fā)送AT指令即可實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM300模塊控制。同時(shí)在SIM300模塊的外圍擴(kuò)展模塊上設(shè)計(jì)蜂鳴器電路，當(dāng)輪椅發(fā)生傾倒可以實(shí)現(xiàn)本地聲音報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)智能輪椅設(shè)計(jì)的運(yùn)行情況，系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)的主程序是整個(gè)智能輪椅軟件編寫的整體框架，也是系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)行程序依據(jù)。系統(tǒng)主要完成硬件初始化、循環(huán)接收輪椅控制命令、控制電機(jī)運(yùn)行等功能。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能輪椅控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、部分硬件電路和軟件流程。該系統(tǒng)選擇STM32F103C8T6作為主控芯片，采用模塊化、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、GPS模塊、無線通信模塊、報(bào)警模塊共同作用，相互協(xié)調(diào)，構(gòu)成了一個(gè)安全可靠的智能輪椅控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]高強(qiáng).面向老人的智能輪椅研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

[2]郝付英.智能輪椅控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[3]朱亞坤，姚立綱，徐業(yè)良，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2019，48（2）：164-168.

[4]滕興旺，從蘭美，邱建龍，等.基于單片機(jī)的智能輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，11（4）：495-498.

[5]麻文剛，王小鵬，馬鵬.基于GMR傳感器校正的智能輪椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（1）：117-119.

[6]石學(xué)文，杜勇，秦川，等.基于無線通信的電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2018，47（8）：90-92.

[7]李瑛達(dá)，周海波，楊易青.腦波控制的智能醫(yī)療輪椅系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（5）：63-66.

[8]ZHAO Cong，WANG Zhengxing，JIANG Shihong，et al. The design of wheelchair lifting mechanism and control system [J].Computer aided drafting，design and manufacturing，2014，24（2）：? 43-47.

[9]陳真誠，龐雪燕，孫統(tǒng)雷，等.腦控智能輪椅控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（9）：126-129.

[10]羅元，楊楊，張毅，等.智能輪椅嵌入式手勢(shì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，44（z2）：68-72.