基于SPCE061A的智能轮椅避障控制系统的设计

摘 要：应用超声波传感器多路测距技术和凌阳大学的61单片机技术实现了普通轮椅各个方向上的自主避障，介绍了该避障系统的多路测距模块、电机驱动模块、电源模块，给出了超声避障测距与控制程序，并进行了轮椅自主避障及相关实验，通过实验发现基于SPCE061A的智能轮椅自主避障控制系统结构简单，性价比高，易于功能扩展和移植，具有广阔的应用前景。

关键词：超声波传感器；避障；SPCE061A；电机驱动模块

中图分类号：TP23文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2009)03-116-03

Design of Obstacle Avoidance Control System for Intelligent Wheelchair Based on SPCE061A

NIU Fengying1,2,ZHANG Hua LIU Jizhong WU Xuepei1

(1.Key Lab of Robot & Welding Automation of Jiangxi,Nanchang University,Nanchang,330031,China;

2.Mechano-electronics Engineering College,Nanchang University,Nanchang,330031,China)

Abstract：Ultrasonic sensors and SPCE061A microcontroller technology is applied to achieve a common wheelchair autonomous obstacle avoidance in each directions,the system module of measure distance,the drive module of electric motor and the module of power source are introdued.It designs obstacle avoidance,control procedures,auto obstacle avoidance and related experiments.Experiment shows that the frame of obstacle avoidance control system based on SPCE061A is simple,the ratio of capability to price is high,the system can be enlarged in function and transplanted easily and has wide application foreground.

Keywords：ultrasonic sensors;obstacle avoidance;SPCE061A;driver module of electric motor

0 引 言

全世界人口老龄化进程正在加快，今后50年内，60岁以上的人口比例预计将会翻一番，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们存在不同程度的能力丧失。如行走、视力、动手及语言等。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融人社会，将智能机器人技术应用于电动轮椅的智能轮椅被提了出来。智能轮椅又称轮椅式移动机器人。可以灵活避障［1］是轮椅智能化的一个重要体现。

避障就是指机器人根据获得的障碍物信息，做出相应的避障决策。本课题采用超声波传感器获取机器人外部障碍物信息，再把障碍物信息传给上位机，由上位机根据得到的障碍物信息做出相应的避障决策。

1 智能轮椅自主避障硬件设计

智能轮椅自主避障系统的硬件结构主要包括多路超声波测距模块、微处理器模块、D/A驱动模块、电源模块，如图1所示。

1.1 多路超声波测距［2］模块

本智能轮椅自主避障系统采用超声波传感器测量障碍物的距离，工作时，由61单片机通过三路信号线选通多路模拟开关，由多路模拟开关负责每一路超声波传感器的通断。每一路超声波传感器工作时，都由61单片机［3］的IOB9口发射出频率为40 kHz，幅值为5 V的矩形脉冲信号，经过信号放大电路，变成稳定的12 V矩形脉冲信号，由超声波发射换能器发射出超声波。超声波遇到障碍物返回，由超声波接收换能器接收，经过信号滤波放大集成电路，触发61单片机中断。由61单片机计算渡越时间，从而计算出障碍物的距离，总体结构框图如图2所示。

1.2 微处理器模块

选用台湾凌阳16位单片机SPCE061A作为系统的核心,SPCE061A主要包括通用I/O端口、定时器/计数器、A/D转换器、D/A转换器、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和低电压复位等部分，并且内置了在线仿真电路ICE接口，SPCE061A具有体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展，较强的中断处理能力，高性能价格比，功能强、效率高的指令系统，低功耗、低电压等特点［3］。采用SPCE061A作为机器人系统的核心部件，由61单片机处理障碍物数据信息，并根据数据信息做出相应的避障决策。使智能轮椅灵活避障。

1.3 D/A驱动模块［4］

系统采用直流永磁电动机DG-168A左右配对分别来驱动轮椅左右轮，左、右配对使用DG-168系列具有机械性能好、过载能力大、平衡性好、调速性宽阔平滑、噪音低之优点。DG-168A电机功率为168 W，使用电压为24 V。买回来的电动轮椅本身自带手柄控制，经研究发现，手柄部分共六条线，红、黑、黄、褐、兰、白，输出四路信号。黄、褐两路控制轮椅前进后退；兰、白两路控制轮椅左转右转(如表1所示)。每两路的电压加起来要等于5 V，当黄线电冶高于褐线电压时，轮椅前进；反之轮椅后退，同理，兰线电压高于白线电压时右转；反之左转。

本课题的D/A模拟电路的B1，A1，A2，B2的电压输出分别代替了黄、褐、兰、白四条线的电压输出。

所以通过两个D/A［4］转换器TLV5618的输出，代替了手柄控制，具体转换电路如图3所示。

TLV5618与凌阳61单片机的3个I/O口相连，分别是数据串口DIN、时钟信号SCLK、片选信号CS。MC1403只有3只脚有效，VDD，VSS及供给DA 2.5 V的参考电压。

1.4 电源模块

电路驱动模块中用到了24 V，12 V，5 V三种电源，选用24 V，24 Ah的高能充电蓄电池作为动力能源，它为电机直接提供24 V工作电压，12 V，5 V分别通过7812，7805芯片由24 V转换得到。

2 智能轮椅自主避障软件设计

系统软件是在61单片机集成开发环境IDE2.0.0上开发的，该集成开发环境集程序的编辑、编译、链接、调试以及仿真等功能为一体，具有友好的交互界面，使用户的编程、调试工作更加方便且高效。

主程序设计如下：

主程序主要是通过扫描键盘，等候用户指令，不在避障状态下扫描等候，而进入避障状态后会根据探测到的环境选择相应的避障策略。在避障过程中若用户按下停止键则退出避障循环,主程序采用键盘扫描，节约了61单片机的中断资源，同时也减小了对测距的干扰，增加了智能轮椅实时避障的灵敏度。主程序流程图如图4所示。

3 实验结果分析

选用实验室外空旷环境作为轮椅运动的测试环境，对轮椅的运动进行反复测试可知，轮椅的运动最低平均速度为16 cm/s，最高平均速度为41 cm/s；转弯半径为50 cm左右，根据使用者对速度的要求，可以通过改变系统的特定参数来设置速度的范围。

利用介绍的方法对智能轮椅做自主避障实验，智能轮椅自主避障良好。

4 结 语

智能轮椅自主避障具有很重要的实用价值，本文设计的基于SPCE061A的自主避障系统结构简单，性价比高，易于功能扩展和移植。系统测试结果表明该系统基本达到实用化要求。

参考文献

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作者简介

牛凤英 女，1983年出生，在读硕士研究生。

张 华 男，1964年出生，教授，博士生导师。研究领域为移动机器人技术、机器人智能化、智能自动化技术、智能结构快速制造技术。

刘继忠 男，1974年出生，副教授。研究领域为超声检测，服务机器人。