WiFi環(huán)境下多功能輪椅床研究與設(shè)計(jì)

周小華 吳濤 楊叢叢

摘 ?要： 利用樹莓派軟件設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種WiFi環(huán)境下的遙控多功能輪椅床，智能手機(jī)作為多功能輪椅的主要控制終端，以樹莓派為基礎(chǔ)作為該多功能輪椅床的核心控制器，其中控制系統(tǒng)的程序采用Python語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。樹莓派對(duì)舵機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)多功能輪椅床的轉(zhuǎn)換變形，同時(shí)樹莓派對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的移動(dòng)，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多功能輪椅與周邊的情況，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的自主避障功能。該多功能輪椅主要由輪椅床底盤模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和超聲波測(cè)距等多個(gè)功能模塊構(gòu)成。多功能輪椅與智能手機(jī)之間的通信方式采用WiFi通信，用戶能夠使用智能手機(jī)遠(yuǎn)程遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障等。

關(guān)鍵詞： 多功能輪椅;樹莓派;電機(jī)驅(qū)動(dòng);超聲波避障;WiFi

中圖分類號(hào)： TP242.3 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.038

【Abstract】： Using Raspberry Pi software to design and develop a remote control multifunctional wheelchair bed under WiFi environment， the smartphone is the main control terminal of the multifunctional wheelchair， and the Raspberry Pi is used as the core controller of the multifunctional wheelchair bed. The program of the control system is developed using Python language. The control of the raspberry party steering gear can realize the transformation and deformation of the multifunctional wheelchair bed. At the same time， the control of the raspberry party motor can realize the movement of the multifunctional wheelchair. The ultrasonic ranging module can monitor the situation of the multifunctional wheelchair and its surroundings in real time to achieve the corresponding autonomous obstacle avoidance function. The multifunctional wheelchair is mainly composed of multiple functional modules such as a wheelchair bed chassis module， a motor drive module， and ultrasonic ranging. The communication method between the multifunctional wheelchair and the smartphone uses WiFi communication， and users can use the smartphone to remotely control the transformation， movement， and obstacle avoidance of the multifunctional wheelchair.

【Key words】： Multifunctional wheelchair; Raspberry Pi; Motor drive; Ultrasonic obstacle avoidance; WiFi

0 ?引言

伴隨著人口老齡化的問(wèn)題日漸突出，體弱的老年人士的生活狀態(tài)也越來(lái)越被人們關(guān)注和重視，尤其在出行和自由活動(dòng)方面。因此本次設(shè)計(jì)針對(duì)該問(wèn)題，采用智能手機(jī)在WiFi的環(huán)境中可以遠(yuǎn)程控制多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障。采用樹莓派（RaspberryPi）作為多功能輪椅的“大腦”，可通過(guò)編程來(lái)管理多功能輪椅的操作（轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)等）。本次設(shè)計(jì)旨在服務(wù)那些下半身癱瘓人群、腿腳行動(dòng)不便人群和體弱的老年人士，通過(guò)遠(yuǎn)程控制多功能輪椅實(shí)現(xiàn)從床上到輪椅上，并能在無(wú)人照看情況下進(jìn)行基本的活動(dòng)，能夠滿足這些特殊人群的日常生活。

1 ?硬件選擇與設(shè)計(jì)

1.1 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用SolidWorks軟件對(duì)該多功能論文進(jìn)行的三維建模如圖1所示，從圖1中可以看出，當(dāng)撐桿1推出的時(shí)候，病床的底板撐起，變形成輪椅靠背2;撐桿1收回的時(shí)候，靠背2變形為床板。

1.2 ?電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖1中前面的輪椅部分的4個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)與相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N連接，驅(qū)動(dòng)模塊L298N通過(guò)樹莓派自帶的GPIO口進(jìn)行控制[1]。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)由電機(jī)輸入信號(hào)的邏輯關(guān)系來(lái)決定，其速度通過(guò)使能端ENA、ENB輸入PWM信號(hào)來(lái)控制和調(diào)節(jié)[2]。如圖2所示為電機(jī)、L298N模塊和樹莓派的連接方式。L298N模塊的邏輯輸入端為IN1～I(xiàn)N4，這4端口分別與樹莓派的4個(gè)GPIO口相連。

1.3 ?輪椅轉(zhuǎn)換變形模塊

（1）輪椅轉(zhuǎn)換變形驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置

輪椅轉(zhuǎn)換變形模塊需要四個(gè)舵機(jī)分別驅(qū)動(dòng)其對(duì)應(yīng)的零件的轉(zhuǎn)動(dòng)，選用驅(qū)動(dòng)電路板PCA9685與舵機(jī)連接的接線圖如圖3所示。四個(gè)舵機(jī)分別連接在型號(hào)為PCA9685的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板上，舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板同時(shí)與樹莓派連接。輪椅車底盤是固定的，1號(hào)舵機(jī)能夠控制多功能輪椅背椅的轉(zhuǎn)動(dòng)，2號(hào)和3號(hào)舵機(jī)分別控制多功能輪椅左扶手和右扶手的轉(zhuǎn)動(dòng)，而多功能輪椅腳踏板的運(yùn)動(dòng)通過(guò)4號(hào)舵機(jī)進(jìn)行控制。最后，多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形由1至4號(hào)伺服舵機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.4 ?避障功能

本文所設(shè)計(jì)多功能輪椅的避障原理是：首先初始化及超聲波模塊及樹莓派的GPIO端口，然后由控制器發(fā)送觸發(fā)電平并讀取返回電平。接著通過(guò)計(jì)算與障礙物的距離來(lái)判斷是否有障礙物，若計(jì)算距離大于10?cm，則判斷前方有障礙物，否則無(wú)障礙物[6]。在避障模塊的設(shè)計(jì)中利用超聲波模塊和對(duì)樹莓派進(jìn)行編程，最終實(shí)現(xiàn)輪椅的避障功能。

2 ?多功能輪椅的運(yùn)動(dòng)控制

2.1 ?控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)WiFi使用者將操作指令經(jīng)由樹莓派發(fā)送給各功能模塊，使多功能輪椅完成相應(yīng)的操作，本次設(shè)計(jì)中多功能輪椅床的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 ?結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于樹莓派的無(wú)線遙控多功能輪椅，可實(shí)現(xiàn)多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形、移動(dòng)和避障。樹莓派作為核心主控板，通過(guò)L298N實(shí)現(xiàn)利用電機(jī)控制多功能輪椅的移動(dòng)，通過(guò)PCA9685實(shí)現(xiàn)利用舵機(jī)控制多功能輪椅的轉(zhuǎn)換變形，通過(guò)WiFi模塊與手機(jī)交換信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制多功能輪椅，通過(guò)超聲波測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能輪椅在移動(dòng)的過(guò)程中自主的躲避障礙物。實(shí)驗(yàn)表明多功能輪椅具有較好的遠(yuǎn)程控制、轉(zhuǎn)換變形和自主避障功能，在智能化的輪椅中具有一定的實(shí)用創(chuàng)新價(jià)值。該多功能輪椅系統(tǒng)簡(jiǎn)單，精度較高，實(shí)用性較強(qiáng)，為多功能輪椅實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

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