多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了提高智能輪椅在復(fù)雜環(huán)境下獲取有效信息的能力，提出了一種基于DSP的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括：超聲傳感器、接近開關(guān)、自定位傳感器、姿態(tài)傳感器和視覺傳感器。本文主要對系統(tǒng)構(gòu)架、組件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和闡述。

0 引言

智能輪椅的任務(wù)是安全、便捷地把用戶送到目的地，完成既定任務(wù)。在運(yùn)動(dòng)過程中，輪椅既需要接受用戶的指令，又需結(jié)合環(huán)境信息啟動(dòng)自身避障、導(dǎo)航等功能模塊，與移動(dòng)機(jī)器人不同的是，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)。這就要求在設(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)。本文著重就智能輪椅模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

1 傳感器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能輪椅的總功能可以分為以下幾個(gè)子功能：環(huán)境感知及導(dǎo)航功能、控制功能、驅(qū)動(dòng)功能和人機(jī)交互功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分，再結(jié)合具體的研究內(nèi)容和期望控制目標(biāo)，本系統(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，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。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，通過姿態(tài)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。

其中，數(shù)據(jù)采集單元擬選擇DSP TMS320LF2407A作為傳感器模塊的控制芯片。TMS320LF2407A是一款高性能的數(shù)字信號處理器，它具有較高的頻率，豐富的外圍接口。它的主頻可達(dá)150MHz、低功耗(核電壓1.8V，I/O電壓3.3V);128kXl6位片上FLAsH，18kXl6位片上SRAM，4kXl6位片上ROM;用于電機(jī)控制的外設(shè)，2個(gè)事件管理器;多種標(biāo)準(zhǔn)串口外設(shè)，1個(gè)SPI同步串口、2個(gè)UART異步串口、1個(gè)增強(qiáng)型CAN總線接口、1個(gè)McBSP同步串口;16通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器;56個(gè)獨(dú)立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。能夠符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

2 多傳感器數(shù)據(jù)采集與處理

本系統(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)安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進(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，本系統(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。

以下依次介紹上面幾種傳感器的硬件設(shè)計(jì)方案。