基于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的自主跟隨與避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

申嵐，熊中剛，賀曉瑩，劉德清，肖昌永，羅子強(qiáng)，陳溪華，李慧嫻

（桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

時(shí)代發(fā)展伴隨著科技的發(fā)展，使人們的生活和醫(yī)療衛(wèi)生水平提高。老齡年齡段的老人越來越多，同時(shí)還有殘疾人和經(jīng)歷各種災(zāi)難而造成生活不便的人群，幫助他們改善生活質(zhì)量成為一個(gè)重要問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究幫助老年人的智能輪椅成為一個(gè)迫切的趨勢(shì)，智能輪椅需要進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造進(jìn)而投入使用。在國(guó)外，從英國(guó)于1986年研制出第一批智能輪椅開始[1]，各國(guó)投入較多資金并著力開始研究各式各樣的智能輪椅。美國(guó)斯坦福研究院（SRI）[2]研制出世界上首臺(tái)名為Shakey的智能移動(dòng)機(jī)器人。法國(guó)在1989年進(jìn)行了智能輪椅項(xiàng)目VAHM，設(shè)置了自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)3種控制模式[3]。西班牙的SIAMO項(xiàng)目設(shè)計(jì)的輪椅包含操縱桿、眼睛、呼吸、語(yǔ)言、頭部五種模式共同組成輪椅的人機(jī)界面[4]。隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的不斷增長(zhǎng)，智能輪椅有了更好的交互性，以及更強(qiáng)的自主性和對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性[5]。近年來，智能輪椅正逐漸變得多功能化。我國(guó)中科院自動(dòng)化研究所承擔(dān)了“863”智能輪椅項(xiàng)目，成功研制出具有視覺和口令導(dǎo)航功能同時(shí)能夠進(jìn)行語(yǔ)音交互功能[6]。在2019年，由王淑坤、陳輝等[7-8]研究出一款具有對(duì)接、升降以及其他輔助功能的智能輪椅，能在一定程度上滿足一些需要特殊護(hù)理人群的需求。在2020年中，段佶、平雪良等[9-11]研究出一款基于移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的智能輪椅。上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了交龍智能輪椅，能進(jìn)行語(yǔ)音交互和多種環(huán)境下進(jìn)行路線規(guī)劃的功能[12]。本文研究的智能輪椅是近幾年提出的一種新式輪椅，在電動(dòng)輪椅的基礎(chǔ)上，增加了定位移動(dòng)、站立輔助、遙控移動(dòng)等一些智能的功能，其重要的一項(xiàng)功能是避障，本質(zhì)在于，判斷輪椅自身是否有障礙物阻擋，如有，則平穩(wěn)地繞開障礙物，不能影響到使用者的使用體驗(yàn)，甚至威脅到他人的生命安全。在原有的避障系統(tǒng)上增加一個(gè)自主跟隨的功能，以此改善用戶使用體驗(yàn)。當(dāng)他們站起來活動(dòng)身子時(shí)，輪椅保持一定距離的跟隨。這兩種功能提高了輪椅的性能。

1 智能輪椅的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文的整個(gè)控制系統(tǒng)將采用模塊化設(shè)計(jì)，其主要由中央控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波避障模塊以及跟隨模塊幾部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 智能輪椅的控制系統(tǒng)

基于總體方案設(shè)計(jì)，在Altium Designer中繪制出控制系統(tǒng)的總電路圖，其中包括中央控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、跟隨模塊、報(bào)警模塊以及按鍵模塊的硬件電路設(shè)計(jì)。采用STC89C52RC單片機(jī)作為該控制系統(tǒng)的中央控制器，分別在輪椅的中間、左邊和右邊安裝3路超聲波傳感器，其作用是用來測(cè)量障礙物的距離，同時(shí)把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)到控制模塊，中央控制模塊根據(jù)接收到的信息，執(zhí)行相應(yīng)操作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊執(zhí)行避障指令。跟隨系統(tǒng)是通過安裝在輪椅兩邊扶手下的紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)的，紅外傳感器檢測(cè)人體或障礙物，通過比較兩邊是否有紅外信號(hào)返回，來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟隨。系統(tǒng)總電路如圖2所示。

3 智能輪椅控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 跟隨模塊

本文選擇E18-D50NK紅外傳感器作為實(shí)現(xiàn)跟隨功能的主要硬件。該傳感器是一種發(fā)射與接收一體化的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)調(diào)質(zhì)后，接收頭對(duì)光進(jìn)行調(diào)質(zhì)輸出，一定程度上避免可見光干擾。該型號(hào)傳感器外殼通體黃色，同時(shí)其外部連線，末端增加有杜邦頭，方便組裝。傳感器外部共有3根線，棕色線接VCC，黑色線作為信號(hào)輸出連接到中央控制器的I/O口上以及藍(lán)色線接GND，每根線不能接反，否則將會(huì)有燒壞傳感器的風(fēng)險(xiǎn)。該輪椅的跟隨功能主要靠?jī)蓚€(gè)裝在輪椅斜前方的紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，紅外傳感器檢測(cè)障礙物或人體，通過判斷兩個(gè)紅外傳感器是否接受到返回信號(hào)來調(diào)整輪椅方向，從而達(dá)到跟隨目標(biāo)的作用。在仿真模擬圖中，由于在Proteus仿真軟件中無法畫出紅外傳感器，為此將用單刀雙擲開關(guān)代替。當(dāng)開關(guān)打到下面觸點(diǎn)時(shí)，表示接受頭收到紅外信號(hào)，上傳至控制器，控制器下達(dá)指令給執(zhí)行電機(jī)完成指令從而實(shí)現(xiàn)跟隨功能。

圖3 跟隨模塊

3.2 超聲波避障模塊設(shè)計(jì)

本文的避障模塊由3個(gè)HC-SR04超聲波模塊組成，這種型號(hào)的超聲波模塊可提供2～400 cm測(cè)距，其精度最高可達(dá)3 mm。整個(gè)模塊主要由超聲波發(fā)射器，接收器與控制器組成，下方共有4個(gè)引腳，其中Trig為觸發(fā)信號(hào)輸入端口，Echo為回響信號(hào)輸出端口，采用3個(gè)超聲波模塊分別對(duì)前方、左邊和右邊的障礙物進(jìn)行測(cè)距。通過3個(gè)放置于不同位置的超聲波，得出超聲波遇到障礙物反射回模塊本身所需要的時(shí)間，經(jīng)過中央控制模塊的算法運(yùn)算，算出障礙物離輪椅本身的距離，當(dāng)距離小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，電機(jī)控制模塊開始控制左右兩邊的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到轉(zhuǎn)彎的效果，實(shí)現(xiàn)避障功能。如圖4所示。

圖4 超聲波避障設(shè)計(jì)

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)采用L293D芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其作用是接收來自傳感器的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生動(dòng)作。L293D芯片是由SEG公司研發(fā)產(chǎn)品，其內(nèi)部包含4通道邏輯電路，在通常情況下可直接連接并同時(shí)控制兩個(gè)36 V，2 A以下的直流電機(jī)，它還能接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，基本上滿足本模塊設(shè)計(jì)要求。由于芯片可直接對(duì)電機(jī)控制，因此無需連接隔離電路，其主要電路連接如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

3.4 報(bào)警模塊

該模塊由一個(gè)三極管，一個(gè)蜂鳴器組成，它的作用是在一些特定的場(chǎng)合中發(fā)出尖銳的聲響來引起其他路人的注意，當(dāng)輪椅跟隨失去目標(biāo)時(shí)，提醒使用者自己的輪椅已丟失，其主要電路連接如圖6所示。圖中蜂鳴器連接三極管的原因是單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足以使蜂鳴器工作，利用三極管具有放大信號(hào)的作用來使蜂鳴器正常工作。

圖6 報(bào)警模板

4 智能輪椅控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序系統(tǒng)流程

本文采用Keil C51編寫本系統(tǒng)的控制程序，其中包括超聲波測(cè)距程序、避障程序、跟隨程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、PWM信號(hào)發(fā)生程序、蜂鳴器報(bào)警以及按鍵設(shè)定程序。控制系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程

4.2 避障模板軟件控制

避障系統(tǒng)是本控制系統(tǒng)的核心組成部分，且由于本系統(tǒng)采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)避障，因此整個(gè)避障模塊的軟件設(shè)計(jì)可分為超波測(cè)距和避障系統(tǒng)兩部分。當(dāng)單片機(jī)上電初始化，同時(shí)會(huì)將Echo和Trig端口置于低電平的狀態(tài)中。當(dāng)開始準(zhǔn)備測(cè)距工作時(shí)，中央控制器首先向Trig端口發(fā)送超過10 μs的高電平脈沖，同時(shí)模塊的超聲波發(fā)射器向外發(fā)射8個(gè)40 kHz的方波，接著接收頭開始等待收到由障礙物反射回來的超聲波；當(dāng)有超聲波返回時(shí)，模塊的Echo端口輸出上升沿，中央控制器在捕捉上升沿的同時(shí)打開定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)，并開始等待捕捉Echo端口的下降沿；當(dāng)捕捉到下降沿時(shí)，停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，讀出計(jì)時(shí)器時(shí)間t，此時(shí)的t就是超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。由于定時(shí)器T1在工作方式1下是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，因此可通過time=TH1×265+TL1轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。單片機(jī)根據(jù)公式s=vt算出障礙物離輪椅的距離，其中，v為超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s。此外，由于中央控制器中的計(jì)時(shí)器所記錄的時(shí)間是超聲波在輪椅與障礙物之間傳播一個(gè)來回的時(shí)間，因此公式中的t要在計(jì)時(shí)器所讀出的時(shí)間基礎(chǔ)上除以2，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)所用單位為μs。最后經(jīng)過單位轉(zhuǎn)換以及上文提到的數(shù)據(jù)處理后，計(jì)算障礙物距離公式可整理為s=(17t)/1000，單位為cm。在經(jīng)過超聲波測(cè)距得到障礙物的距離后，接下來的操作就是如何避開障礙物。避障的主要核心在于把超聲波模塊所測(cè)得的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)所設(shè)置的數(shù)值相比，接著做出相應(yīng)的動(dòng)作避開障礙物，由于本文采用三路超聲波實(shí)現(xiàn)避障功能，因此將會(huì)得到由3個(gè)超聲波模塊計(jì)算出來的3個(gè)距離數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)采取的思路如圖8所示。圖中首先將中間超聲波模塊得到的距離與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，就開始判斷左右兩邊障礙物的距離；哪一邊的距離小于設(shè)定值就向反方向行駛；若左右兩邊距離均小于設(shè)定值，就驅(qū)動(dòng)輪椅先后退一小段距離，再重新測(cè)量左右兩邊距離，哪一邊的距離大就驅(qū)動(dòng)輪椅向著距離大的方向行駛。

圖8 避障系統(tǒng)流程

4.3 跟隨模塊軟件控制

跟隨模塊是該輪椅控制系統(tǒng)重要組成部分，系統(tǒng)進(jìn)入跟隨模式后，左右兩側(cè)的紅外探測(cè)器分別開始工作，若兩個(gè)探測(cè)器均接受反射回的信號(hào)，表明前方是跟蹤目標(biāo)，中央控制器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)使輪椅向前移動(dòng)，跟隨目標(biāo)；若只有左邊的探測(cè)器接受到信號(hào)，則表明目標(biāo)在輪椅左側(cè)，于是輪椅就向左運(yùn)動(dòng)；輪椅向右運(yùn)動(dòng)與向左運(yùn)動(dòng)同理。該模塊采取的思路如圖9所示。

圖9 跟隨模塊流程

5 仿真分析

本文選用Proteus軟件作為主要仿真測(cè)試工具。圖10所示為控制系統(tǒng)仿真電路。首先在keil5軟件中新建一個(gè)工程，并在其中編寫C51程序，接著將編寫好的程序進(jìn)行保存，并同時(shí)命名后綴為“.c”為結(jié)尾，然后將程序在軟件中調(diào)試，待程序成功且無報(bào)錯(cuò)和無警告后，生成Hex文件。然后在Proteus軟件中新建一個(gè)工程，并在其中畫出整個(gè)控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)，避障模塊，跟隨模塊等一系列模塊的電路圖。雙擊位于畫面中的STC89C52 RC芯片，導(dǎo)入由Keil5生成的Hex文件。點(diǎn)擊Proteus畫面左下角的開始鍵，開始仿真，觀察電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和各引腳的電平情況。如圖11所示。

圖10 控制系統(tǒng)仿真電路

圖11 HEX文件導(dǎo)入

在超聲波避障模塊方面，經(jīng)過不斷調(diào)整3個(gè)超聲波模塊上的數(shù)值來模擬現(xiàn)實(shí)中障礙物相對(duì)輪椅自身的距離，發(fā)現(xiàn)左右兩邊電機(jī)基本上按照程序設(shè)定中那樣做出相應(yīng)動(dòng)作，如圖10所示仿真電路，當(dāng)開關(guān)1撥到下面時(shí)，表示左邊的紅外傳感器接受到了由障礙物反射回來的信號(hào)，則左電機(jī)靜止，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，輪椅整體向左轉(zhuǎn)，并趨向于障礙物方向；在跟隨模塊方面，兩紅外傳感器均正常工作，當(dāng)按下按鍵時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入跟隨模式，由于左右紅外跟隨模塊沒接受到返回信號(hào)，故左右電機(jī)不工作，同時(shí)蜂鳴器開始發(fā)聲，報(bào)警。

6 實(shí)物分析

實(shí)物如圖12所示，通過測(cè)量輪椅避障時(shí)的距離，從而測(cè)試出輪椅在某種情況下的避障性能。圖中所示為輪椅垂直遇到障礙物的情況，在本次測(cè)試中將輪椅放置于同一位置中啟動(dòng)，進(jìn)行3組每組5次測(cè)量輪椅避障的距離，如圖13所示，橫坐標(biāo)為測(cè)量次數(shù)，縱坐標(biāo)為測(cè)量距離，將測(cè)量結(jié)果與程序中設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，由此測(cè)試出輪椅在此情況下的避障功能。結(jié)果表明，輪椅都能有效避障，而且經(jīng)過幾次長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，輪椅均能跟使用者的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，能基本上滿足跟隨要求。

圖12 實(shí)物展示

圖13 輪椅避障數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語(yǔ)

本文是基于單片機(jī)控制的智能輪椅的自主避障與跟隨控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一個(gè)能讓輪椅正常地進(jìn)行自主避障和跟隨的控制系統(tǒng)，能在行進(jìn)的過程中，識(shí)別出障礙物的位置，并作出避障的動(dòng)作以及能夠跟隨目標(biāo)的功能。采用STC89C52RC單片機(jī)作為中央控制器，通過編程仿真和實(shí)物演示，結(jié)果表明能實(shí)現(xiàn)跟隨和避障功能。實(shí)物測(cè)試結(jié)合了理論與實(shí)際，證明了控制系統(tǒng)具有可實(shí)行性，提高了輪椅的安全性能，能有效幫助輪椅使用者解決實(shí)際問題。結(jié)合社會(huì)的實(shí)際需要，有必要對(duì)智能輪椅進(jìn)行設(shè)計(jì)研究以幫助行動(dòng)不便人群，智能輪椅能輔助他們的日常生活，進(jìn)而達(dá)到改善生活質(zhì)量的目的。