基于STM32的多功能自動平衡輪椅設(shè)計

黃家域，劉子杰，梁毅俊，蔡樹強，朱又敏

(廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088)

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1 引言(Introduction)

2021 年初，著名愛心公益人士陳小平因無障礙坡道坡度太大，造成輪椅側(cè)翻而重傷去世。這場悲劇引發(fā)網(wǎng)友廣泛關(guān)注，呼吁給予使用輪椅出行的老年人和殘障人士更多關(guān)懷和便利。第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，全國殘疾人口達8,500萬人，約占人口總數(shù)的6%；65 周歲及以上的人口已達1.9億人，占比達13.5%。面臨人口結(jié)構(gòu)的巨大變化，無障礙設(shè)施和老年人設(shè)施就不應(yīng)該可有可無。隨著社會老齡化的加劇，可以預(yù)見未來輪椅出行者的人數(shù)會逐漸增加。方便輪椅使用者的出行生活，除了改良公共設(shè)施之外，當前迫切需要提升輪椅的安全系數(shù)。因此，為了減少輪椅坡道側(cè)翻的風險，本系統(tǒng)設(shè)計了一種座椅平面能在一定范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)至水平的多功能輪椅。同時，輪椅配置多種輔助模塊和OneNET物聯(lián)卡，結(jié)合微信小程序可以實現(xiàn)多種智能功能需求。

2 總體設(shè)計(Overall design)

在整體外形上，該輪椅主要結(jié)構(gòu)與普通輪椅接近，其總體結(jié)構(gòu)和布局如圖1所示。電池包、STM32單片機控制板和OneNET聯(lián)網(wǎng)模塊等部分加裝于輪椅底盤，使整體重心下沉，減少傾覆風險。輪椅兩個前輪上方各安裝一個用于檢測障礙物距離的超聲波模塊。在輪椅后部加裝了后備收納箱，可以方便使用者攜帶一些個人物品。在椅背上貼有一個用于檢測環(huán)境狀態(tài)的溫濕度模塊。在輪椅右側(cè)扶手，集成了包括移動搖桿在內(nèi)的所有功能按鍵，同時配備了一塊可以顯示氣象信息的OLED屏幕。座椅面自動平衡伺服電機固定在底盤上。MPU6050則貼在座椅底面，用于收集此時座椅面的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 輪椅設(shè)計和布局Fig.1 Wheelchair design and layout

考慮乘坐的舒適性，輪椅形狀符合人體工程學設(shè)計，對椅背和坐墊進行了調(diào)整，在坐墊和腳墊的選擇上優(yōu)先考慮了防滑材料，盡可能提高使用者的乘坐舒適度。同時，設(shè)計過程中嘗試實現(xiàn)輪椅低成本、模塊化組裝，采取一定的預(yù)留設(shè)計，便于功能模塊加裝與拆卸的同時，降低了使用者的經(jīng)濟負擔，還提高了維修便捷性。

3 硬件電路設(shè)計(Hardware circuit design)

輪椅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括主控芯片STM32、血氧心率檢測模塊、GPS定位模塊、超聲波模塊、聯(lián)網(wǎng)模塊、離體控制器、溫濕度傳感器和加速度傳感器。STM32單片機具有ARM和以Cortex-M為基礎(chǔ)的微控制器內(nèi)核，具有穩(wěn)定的工作狀態(tài)和較低的功耗，能夠快速實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的運算，非常適合智能控制系統(tǒng)的開發(fā)，因此選用STM32系列單片機作為中央控制系統(tǒng)。血氧心率檢測模塊、超聲波模塊和溫濕度傳感器用于人體生理和環(huán)境的數(shù)據(jù)采集；離體控制器和加速度傳感器用于輪椅狀態(tài)信息的采集和處理；GPS定位模塊和聯(lián)網(wǎng)模塊用于遠程數(shù)據(jù)通信。由于溫濕度傳感器和血氧心率檢測模塊僅僅提供輪椅輔助功能，根據(jù)模塊化設(shè)計理念，用戶可以選擇性加裝這部分拓展功能。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

3.1 電源設(shè)計

輪椅電源使用超威電動車48 V/10 Ah(JB款)鋰電池驅(qū)動智能輪椅行走機構(gòu)與舵機系統(tǒng)。通過PW8600電源管理IC和LDO穩(wěn)壓芯片輸出5 V和3.3 V電壓，為主控板的STM32F103RCT6芯片和外設(shè)供電。

3.2 配套模塊

超聲波障礙物檢測功能：使用US-100超聲波模塊，當其向前發(fā)射超聲波時，接收端接收到反射超聲波后將會記錄用時并計算障礙物的距離。傳感器直接輸出的是溫度信號數(shù)值，采用單總線技術(shù)可以方便地與單片機進行通信。如果對測量設(shè)備要求較高，則可以考慮通過選擇作用距離更長的感應(yīng)器、增加更多感應(yīng)器數(shù)量、在測距后的計算中增加溫度補償、采用多普勒測速法等措施進行調(diào)整提高。

輪椅速度監(jiān)控和調(diào)節(jié)功能：用MPU6050模塊獲取輪椅座椅面的三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過補償法與滑動均值濾波算法得出有效陀螺儀數(shù)據(jù)測出輪椅速度，對輪椅速度進行有效監(jiān)控和調(diào)節(jié)。

OLED顯示屏：OLED顯示屏顯示來自天氣服務(wù)接口的信息，通過OneNET物聯(lián)卡與基站進行數(shù)據(jù)交互。

伺服系統(tǒng)：STM32芯片接收MPU6050的姿態(tài)解算數(shù)據(jù)后，計算并輸出水平姿態(tài)所需伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動力矩數(shù)值。

輔助功能：心率檢測、血氧濃度檢測、溫濕度傳感器。

4 通信連接(Communication connection)

定位功能：通過GPS全球定位系統(tǒng)和基站定位獲取智能輪椅所在的實時位置。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將GPS位置信息傳輸?shù)津v訊地圖API接口,再經(jīng)過服務(wù)器處理，最終可以將定位信號在微信小程序地圖中即時呈現(xiàn)出來。

聯(lián)網(wǎng)功能：用OneNET開發(fā)板、物聯(lián)卡將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器云端。采用NB-IoT模塊連接到OneNET平臺。首先通過串口向NB模塊發(fā)送AT指令初始化NB-IoT；然后NB-IoT模塊與OneNET平臺建立TCP連接，將SD卡中保存的溫濕度數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)成HEX-String格式，向OneNET平臺發(fā)送具體數(shù)據(jù)。

離體控制器：設(shè)計一個獨立離體紅外控制器，以便能夠在較遠距離控制輪椅移動到使用者身邊并固定，方便使用者上下輪椅。

5 軟件程序設(shè)計(Software program design)

多功能自動平衡輪椅程序設(shè)計由三個部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)處理部分負責處理輪椅上各個功能模塊產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)；自動平衡程序接收MPU6050的數(shù)據(jù)，計算調(diào)節(jié)平衡電機需要輸出的力矩；微信小程序部分向使用者及其親屬提供直觀的圖形界面以便信息交互。

5.1 數(shù)據(jù)處理

將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，便可以利用軟件算法來模仿硬件濾波的功能?；瑒泳禐V波法是指通過設(shè)置某個統(tǒng)計緩沖區(qū)，根據(jù)時間順序存儲個采集統(tǒng)計結(jié)果，每當出現(xiàn)新數(shù)據(jù)就拋棄第一組數(shù)據(jù)，進而求得個統(tǒng)計的算術(shù)平均數(shù)或加權(quán)平均數(shù)。每完成一組采集后，就能夠歸一計算出一種新的平均值，由此建立了環(huán)型隊列結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)處理核心代碼如下：

5.2 自動平衡設(shè)計

MPU6050模塊內(nèi)置了三軸加速度計與三軸陀螺儀，是較為常見的一個六軸姿態(tài)感應(yīng)模組，它使用內(nèi)置的數(shù)字運動處理器(DMP)來計算與輸出姿態(tài)解算后的數(shù)值，最終通過IIC通信輸出。因為用四元數(shù)來描繪剛體運動的回轉(zhuǎn)運動較為簡單，且解算速率快，并能避開歐拉法的“奇異點”現(xiàn)象，常被用作剛體姿態(tài)的解算。在空間三維坐標系下，運動物件的姿勢一般以俯視角、橫滾角度和偏航角度表示。設(shè)姿態(tài)四元數(shù)=[1234]，通過四元數(shù)代數(shù)學和歐拉旋轉(zhuǎn)矩陣，即可得到姿態(tài)角。

核心板將判斷姿態(tài)數(shù)據(jù)是否有偏差，如果有偏差，將會計算輸出力矩并反饋給伺服系統(tǒng)，將座椅面調(diào)整至水平。在這個過程中，我們會采用低通濾波或者滑動均值濾波算法去除高頻噪聲以獲取模塊輸出的有效數(shù)據(jù)。自動平衡流程如圖3所示。

圖3 自動平衡流程圖Fig.3 Flow chart of auto balance

5.3 微信小程序

本系統(tǒng)調(diào)用了騰訊地圖API,在小程序編寫時要注意是否獲取到正確的Acckey，如果Acckey錯誤將導(dǎo)致地圖無法加載?？梢酝ㄟ^記錄的位置數(shù)據(jù)增加智能輪椅途經(jīng)路線記錄。通過NB-IoT模塊發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后使用微信小程序進行定位查找。

通過天氣接口API可以查看實時位置的天氣信息，包括天氣實況信息、衛(wèi)星云圖、雷達圖、未來一周的天氣預(yù)報、格點預(yù)報、氣象預(yù)警、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)信息等?？梢詮姆?wù)器調(diào)取接收輪椅上傳感器的數(shù)據(jù)。

6 市場調(diào)查(Market survey)

對國內(nèi)外購物平臺和搜索網(wǎng)站的調(diào)查顯示，隨著科學技術(shù)的不斷進步，市場上涌現(xiàn)出越來越多的電動輪椅生產(chǎn)企業(yè)。其中，國內(nèi)低端品牌有貝珍、互邦等，價格在3,000元以下；中端品牌有威之群、英洛華、信康達、羽揚等，價格在6,000 元左右；中高端品牌有我國臺灣的康揚和美利馳、上海的斯維馳，價格在8,000 元以上；高端品牌有奧托博克等，價格在1萬元以上。這些輪椅都融入了機器人應(yīng)用領(lǐng)域的諸多成果，涉及運動控制技術(shù)、機器視覺、模式識別、多傳感器信號融合及人機交互技術(shù)等。

可以看到，市場主流產(chǎn)品已從手動輪椅逐漸變成電動輪椅乃至智能輪椅，并且功能齊全，如自動伴隨、上下樓梯、自動折疊、主動剎車、導(dǎo)航定位等。隨著全球老齡化趨勢日益加劇，越來越多的人關(guān)注老年人的生活，輪椅也成為關(guān)注的焦點之一，許多大學或研究機構(gòu)如中科院、新加坡-麻省理工學院研究與技術(shù)聯(lián)盟等也在參與研究智能輪椅?？傊?，更多功能、更低成本、更人性化是未來研究的方向。

7 結(jié)論(Conclusion)

綜上所述，本設(shè)計實現(xiàn)了一款具有座椅平面自動平衡功能的智能輪椅。水平自動調(diào)節(jié)和速度控制功能可以更好地輔助使用者上下坡，減少摔落與失控風險，用戶體驗更好，設(shè)計更加人性化，具有一定的創(chuàng)新性，填補了市場中這一功能的空缺。而微信小程序?qū)崿F(xiàn)了對輪椅的遠程監(jiān)控，STM32端通過OneNET模塊接入基站發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，讓親屬能實時了解使用者的各種狀態(tài)。本設(shè)計還集合了市面上主流智能輪椅的實用功能，如生理信息檢測、搖桿控制、主動剎車、障礙物檢測功能等，提高了輪椅使用者在復(fù)雜地形環(huán)境行走的安全性，幫助使用者勇敢地走向社會，改變生活模式，增強獨立性。本設(shè)計目標人群定位清晰，創(chuàng)新特色優(yōu)于同類產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)用前景。