智能輪椅上傳感器的綜合應(yīng)用

智能輪椅如今社會(huì)不是什么新鮮的設(shè)備了。所謂的智能就是集合了多種傳感器的數(shù)據(jù)采集，整合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對輪椅的控制，能讓使用者更加方便的去使用。智能的數(shù)據(jù)采集歸功傳感器的性能特征，在復(fù)雜的環(huán)境下能有效的獲取信息。整個(gè)采集系統(tǒng)包含了很多傳感器的配合使用。

智能輪椅的設(shè)計(jì)目的是安全便捷的把需求者送到指定的目的地，在運(yùn)動(dòng)的過程中操作者通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)輪椅的功能。要求在設(shè)計(jì)之初就把人這個(gè)因素納入考慮之中，所以，安全、舒適和容易操作應(yīng)成為智能輪椅設(shè)計(jì)中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設(shè)計(jì)為一個(gè)功能多元化，能滿足多種層次需要的電子系統(tǒng)，而模塊化最能體現(xiàn)系統(tǒng)多功能化的特征，每個(gè)用戶都能根據(jù)其自身殘障類型和程度選擇適當(dāng)?shù)哪K集成，且設(shè)計(jì)者可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過增添功能模塊，很方便地對輪椅功能進(jìn)行改進(jìn)。智能輪椅和移動(dòng)的機(jī)器人不同，雖然都結(jié)合了傳感器的操作，但是在使用過程中，輪椅與用戶成為一個(gè)協(xié)同工作的系統(tǒng)才是稚嫩輪椅的突破點(diǎn)。

智能輪椅的構(gòu)造相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，它結(jié)合了超聲波傳感器、接近開關(guān)、自定位傳感器、角度傳感器和視覺傳感器等等。整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊和人機(jī)交互模塊3部分組成。其中傳感器模塊主要有內(nèi)部狀態(tài)感知和外部環(huán)境感知兩部分構(gòu)成，通過角度傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息。視覺、超聲波和接近開關(guān)主要負(fù)責(zé)持續(xù)獲得周圍環(huán)境和障礙物的距離信息。驅(qū)動(dòng)控制模塊我們采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式，每一個(gè)后輪配置一個(gè)電動(dòng)機(jī)，在控制器的操作下實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。人機(jī)交互界面由操作桿和個(gè)人電腦界面數(shù)據(jù)輸入兩種方式，實(shí)現(xiàn)基本的人機(jī)交互功能。

系統(tǒng)的智能輪椅有2個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輪，各自配備一個(gè)電機(jī)碼盤。由2個(gè)電機(jī)碼盤的實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)構(gòu)成了里程計(jì)式的相對定位傳感器，同時(shí)安裝了角度傳感器和陀螺儀傳感器來測量輪椅在行進(jìn)過程中的姿態(tài)狀態(tài)。超聲波傳感器和接近開關(guān)被用于感知周圍環(huán)境信息。為獲取更大范圍內(nèi)的障礙物信息，系統(tǒng)配備了8個(gè)紅外傳感器和8個(gè)超聲波傳感器。另外安裝了一個(gè)CCD攝像頭用于判斷前方行進(jìn)路程中的深度信息。數(shù)據(jù)采集需要選擇的是高性能的數(shù)字信號處理器作為傳感器模塊的控制芯片，需要較高的頻率和豐富的外圍接口。而系統(tǒng)難點(diǎn)在于姿態(tài)的控制，而此輪椅能夠僅僅依靠兩個(gè)輪子完成車體的平衡，保持兩個(gè)輪子分別由獨(dú)立的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且在一條軸線上，車體的重心保持在輪軸以上，使用檢測車體傾斜角度的傳感器實(shí)時(shí)地獲取車體的姿態(tài)信息，機(jī)器人的處理器將傳感器信號進(jìn)行處理，按照一定的控制算法計(jì)算出控制量控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)或后退，完成車體的平衡。角度傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度，陀螺儀用來測量角速度。這樣兩個(gè)傳感器的組合構(gòu)成姿態(tài)傳感器來檢測車體平臺(tái)的運(yùn)行姿態(tài)是最重要的。智能輪椅的多傳感器環(huán)境感知系統(tǒng)，各數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用簡單可靠的硬件電路感知環(huán)境信息，每一個(gè)點(diǎn)都得到了充分的使用，也可以便于消費(fèi)者根據(jù)自身生活需要，選擇和組合各模塊使得傳感器模塊的使用恰到好處。