基于STM32智能輪椅的控制系統(tǒng)研究

蔣欣雨，趙博洋，王曼瑤，何 杰

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，為了更好地服務(wù)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(fù)擔(dān)，也為最大限度節(jié)約制造成本，各國都在積極研發(fā)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(nèi)對電動輪椅的研究技術(shù)依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，這導(dǎo)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(shí)惠可靠的智能輪椅，對于代替進(jìn)口和引領(lǐng)國內(nèi)技術(shù)研發(fā)具有重要作用。

本文設(shè)計的智能輪椅控制系統(tǒng)以STM32為控制核心，集合物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)性。根據(jù)智能輪椅自身的特點(diǎn)，使多種人機(jī)交互方式在同一控制系統(tǒng)中共存，達(dá)到靈活便捷的操作目的。系統(tǒng)加入了緊急剎車和緊急避障功能，優(yōu)化控制方式，實(shí)現(xiàn)智能輪椅在復(fù)雜環(huán)境中的避障控制[1-2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能輪椅有關(guān)控制系統(tǒng)方面的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1所示的系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制器、故障檢測模塊、手操器模塊、雙陪護(hù)控制器、人機(jī)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

人機(jī)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(jī)交互方式在同一控制系統(tǒng)中共存，操作靈活、便捷。

主控芯片從性價比、性能、成本、設(shè)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(wěn)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?shù)目煽啃院捅憬菪浴Ｏ到y(tǒng)還加入了緊急剎車和緊急避障功能，進(jìn)一步避免了使用者因環(huán)境因素、操作不當(dāng)、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(shè)計

結(jié)合智能輪椅關(guān)于控制系統(tǒng)的硬件需要，選擇可進(jìn)行大量運(yùn)算，功耗低，具備完整硬件性能的控制芯片系統(tǒng)，經(jīng)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(guān)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(hù)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(shí)現(xiàn)智能輪椅的緊急剎車功能。本文設(shè)計中借助手操器的攝像頭模塊作為圖像傳感器，輔以相應(yīng)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(yīng)的控制算法實(shí)現(xiàn)相關(guān)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(zhuǎn)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(shè)計中用于有線傳輸數(shù)據(jù)的CAN總線控制器采用LVTTL邏輯電平，為了達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)的效果，選擇需要3.3 V電壓供電的8腳CAN收發(fā)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(xié)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(fēng)險。

圖3 CAN通信模塊的接口電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場中銷售的智能輪椅超過一半為直流有刷電機(jī)，因此將直流無刷電機(jī)用作執(zhí)行器的智能輪椅具有廣闊的發(fā)展前景。本設(shè)計采用的直流無刷電機(jī)具有效率高、壽命長、電磁干擾小和結(jié)構(gòu)簡單小巧等優(yōu)點(diǎn)，可滿足市場需要。

已知驅(qū)動控制器是在接收信息且控制算法運(yùn)算完成后輸出PWM波，以此達(dá)到對左右2個電機(jī)進(jìn)行控制的目的，故驅(qū)動控制器的電機(jī)驅(qū)動電路需使IR2184驅(qū)動芯片和IR1404相互配合，搭建合適的驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)對左右電機(jī)的驅(qū)動，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動控制器驅(qū)動電路

3 雙陪護(hù)模塊

雙陪護(hù)模塊作為一個獨(dú)立且需要對電機(jī)驅(qū)動控制器進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)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(hù)控制器與電機(jī)驅(qū)動控制器之間的信息傳遞提供硬件支持；

（2）具有一定數(shù)量的普通GPIO口。

經(jīng)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(lián)以獲取更多I/O端口。利用按鍵K1～K4控制發(fā)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(quán)轉(zhuǎn)換按鍵。

4 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。主程序，別名主函數(shù)。此函數(shù)是程序運(yùn)作的開端，也是系統(tǒng)運(yùn)行的程序基礎(chǔ)。系統(tǒng)主要完成硬件初始化、循環(huán)接收控制命令、控制電機(jī)運(yùn)行、執(zhí)行相應(yīng)的緊急剎車中斷程序等任務(wù)。

圖6 系統(tǒng)主程序流程

5 結(jié) 語

本文所設(shè)計的智能輪椅控制系統(tǒng)以STM32為控制核心，集合物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yīng)性。本文給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及部分硬件電路和軟件設(shè)計流程圖。該控制系統(tǒng)以STM32F103RBT6為主控芯片，采用模塊化設(shè)計思想，具有清晰度高、邏輯性強(qiáng)等特點(diǎn)，打造了一個低損耗的控制環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)輪椅功能的多樣化，同時滿足輪椅使用者的不同需求。