多傳感器智能輪椅的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 超聲傳感器與接近開(kāi)關(guān)

本超聲波測(cè)距系統(tǒng)共有8個(gè)超聲波傳感器，組成超聲波傳感器陣列，分別置于輪椅四周各兩個(gè)。為了檢測(cè)到一些被超聲波傳感器遺漏或未能及時(shí)處理的障礙，還要在輪椅四周加裝四個(gè)電感式接近開(kāi)關(guān)。障礙物碰到防撞橡膠圈引起金屬條發(fā)生變形，產(chǎn)生垂直方向上的位移，觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，得到一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)(中斷請(qǐng)求信號(hào))，使移動(dòng)機(jī)器人立即停止運(yùn)行。

超聲波環(huán)境探測(cè)電路主要由多路模擬開(kāi)關(guān)、升壓放大電路、緩沖放大整形電路和超聲波換能器等環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖2所示。

升壓放大電路和超聲波發(fā)射換能器組成了超聲波發(fā)射部分。發(fā)射過(guò)程是：首先由DSP的脈寬調(diào)制通道產(chǎn)生一定脈寬的調(diào)制脈沖波，經(jīng)變壓器升壓放大電路后產(chǎn)生一個(gè)瞬間的高能信號(hào)，激發(fā)超聲波發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)。需要注意的是，超聲波在發(fā)射的瞬間，有部分聲波會(huì)直接進(jìn)入超聲波接收端，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的虛假反射波，造成所謂的振鈴現(xiàn)象。為了避免振鈴，需要進(jìn)行軟件延時(shí)處理，從而導(dǎo)致探測(cè)盲區(qū)。在程序處理上，就是在DSP發(fā)射激勵(lì)脈沖波以后一段時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)的CAP中斷關(guān)閉，盲區(qū)間隔過(guò)了以后再將CAP中斷打開(kāi)。超聲波的接收部分必須與發(fā)射部分協(xié)調(diào)一致地工作，才能保證信號(hào)準(zhǔn)確靈敏地接收。此部分主要由超聲波接收換能器、放大濾波、整形觸發(fā)輸出電路組成。由于在超聲波傳播中，其能量會(huì)隨著傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射回的回波信號(hào)一般比較弱，所以需要經(jīng)過(guò)多級(jí)信號(hào)放大處理后才能夠被DSP中斷輸入端口檢測(cè)到。

2.2 編碼器

在智能輪椅系統(tǒng)中，除了要對(duì)環(huán)境的距離信息進(jìn)行測(cè)量，有時(shí)還要對(duì)方位信息進(jìn)行有效的觀測(cè)或者估計(jì)。對(duì)于大多數(shù)的室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)而言，方位信息一般是通過(guò)碼盤(pán)信息間接估計(jì)得出的，本系統(tǒng)也采用這種方法。通過(guò)計(jì)算從碼盤(pán)讀出的信息得出結(jié)果，代價(jià)是需要一定的計(jì)算時(shí)間。

在TMS324LF2407A芯片上有兩個(gè)時(shí)間管理模塊(EV)，每個(gè)EV模塊都有一個(gè)正交編碼脈沖電路，使用該電路后，在兩個(gè)相應(yīng)引腳上即可輸入正交編碼脈沖。該電路可用于連接光電碼盤(pán)以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息，但需要注意的是，此時(shí)必須禁止相應(yīng)引腳上的捕獲功能。

正交編碼脈沖電路的時(shí)序可由通用定時(shí)器2(或通用定時(shí)器4，EVB模塊)提供，通用定時(shí)器必須設(shè)置成定向增/減模式，并且以正交編碼脈沖電路作為時(shí)鐘源。

正交編碼脈沖是兩個(gè)頻率變化且正交(相位相差90°)的脈沖，它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生，碼盤(pán)在電機(jī)軸上并且有許多空線槽，可以透光，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果發(fā)光二極管發(fā)出的光被擋住，那么后面的光電傳感器就接收不到信號(hào)，然后光電傳感器發(fā)出一個(gè)低電平脈沖，即“0”，如果旋轉(zhuǎn)位置正好使得光源可以透光線槽，那么光電傳感器感應(yīng)到信號(hào)，就發(fā)出一個(gè)高電平脈沖，即“1”。

正交編碼脈沖電路的方向檢測(cè)邏輯決定了兩個(gè)脈沖序列中哪一個(gè)是先導(dǎo)序列，接著它就產(chǎn)生方向信號(hào)作為通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)方向輸入，兩列正交輸入脈沖的兩個(gè)邊沿都被正交脈沖編碼電路計(jì)數(shù)，因此，產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍，且把這個(gè)時(shí)鐘作為通用定時(shí)器2或4的輸入時(shí)鐘。圖3給出了正交編碼脈沖、增減計(jì)數(shù)方向及時(shí)鐘的波形。