智能轮椅控制系统设计与实现

智能轮椅控制系统设计与实现

冯宏烨,张赟,张丽影

大连科技学院  交通与电气工程学院；辽宁  大连；116000

项目信息：本文系大连科技学院大学生创新创业训练项目成果，项目号是：X202213207149

作者简介：张赟（1985.06-），女，满族，辽宁大连人，工学硕士，大连科技学院工程师，研究方向：控制理论与控制工程。

摘要：为了更好地满足残障人士、伤病人以及行动不便的老人对于智能轮椅的实际需求，本文设计了一款基于单片机的智能轮椅控制系统，该系统选择STM32F103C8T6微控制器作为核心处理器，搭配电机驱动模块、语音识别模块、超声波测距模块、电源模块、蓝牙模块、心率采集模块、温度采集模块以及按键模块等。最终实现智能避障，智能语音控制、无线通信、测温测心率等功能。实验结果表明，系统功耗低，可靠性强，功能丰富。

关键词：智能轮椅；STM32F103C8T6；智能避障；语音控制

1引言

随着技术的发展，各国都在研究功能丰富的智能轮椅来满足伤病人、残障人士和行动不便的老人的实际需求，目前主流的智能轮椅是增加一些人工智能技术，以便增加轮椅的交互性和自主性。

本文设计的智能轮椅控制系统，通过各类功能强大的传感器对轮椅使用者的心率、体温等健康指标进行监测，同时能够实现智能避障，智能语音控制等功能，实现了结合健康监护和运动辅助的多功能智能轮椅系统的设计。

2系统结构

  基于单片机STM32F103C8T6的智能轮椅整体控制系统结构如图1所示。

图1 智能轮椅整体控制系统结构图

该系统主要由STM32F103C8T6主控制芯片、电源模块、电机驱动模块、语音控制模块、超声波测距模块以及温度心率传感器等部分组成。

智能轮椅使用者可以通过手机APP、机械按键和语音控制来实现人机交互功能，通过语音控制轮椅的前进后退和左转右转。当外界环境过于嘈杂，语音识别会产生一定的影响，则可以选择应用APP或者是按键控制轮椅的动作。

本系统采用超声波测距模块用于智能小车判断障碍物并进行躲避。通过超声波测距模块将得到的信息经过主控芯片分析处理，如果检测到前方障碍，则进行转向或者停止操作。

同时，系统还设置有人性化的温度和心率检测，时时刻刻关注老人的身体状况，随时进行检测。温度和心率参数能够直接显示在手机屏幕上，方便直观。

3系统主要硬件设计  

系统的主控芯片选用的是STM32F103C8T6型号单片机。该芯片数据处理能力强，低功耗，扩展能力强。所有外围电路均与之相连，由主控芯片进行数据处理和控制。下面针对主要功能模块进行介绍。

3.1电机驱动系统设计

       L298N电机驱动模块，专用驱动集成电路，属于H桥集成电路，输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机的正转和反转，实现此功能只需要改变输入端的逻辑电平。

3.2无线通信模块

无线通信模块采用NRF24L01新型射频收发器件。NRF24L01功耗很低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA；而对应接收机的工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。

3.3语音识别模块

语音识别模块程序设计中采用中断的工作方式，首先是进行初始化，根据LD3320相应的操作，保证LD3320完成语音识别功能，接下来写入关键词列表；将相应的寄存器设置好了之后就可以开始语音识别，首先是设置麦克风的输入通道及其增益值，这个增益值可以设定为00H-7FH，一般要设置在50H左右，可以提高麦克风的音量、从而提高识别的灵敏度，当麦克风有数据输入，就会产生一个数据处理信号，进入相应的运算函数对采集到数据进行分析处理，得到相应的语音数据。

3.4超声波测距模块

智能采用HC-SR04超声波传感器发射超声波，在发射时刻开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据时间差和超声波的速度可以估算出发射位置到障碍物位置的距离。其原理图如下所示：

通过原理图可得：

                                            （1）

s--传感器与反射点之间的距离；t-传播时间；c-声速

由此可算的测量的距离：

                                         （2）

d-障碍物与轮椅的距离；h-超声波测距模块的发射和接收器的距离

由于s>>h,即可近似得到：

                                          （3）

3.5 蓝牙模块

   通过手机连接蓝牙，可以实现应用APP控制轮椅的运动状态，避免在嘈杂的环境下语音识别受到强烈干扰。

3.6附加健康指标检测模块

本系统采用的是XL01型心率检测传感器以及DS18B20传感器，能够在平时给老人进行基本的健康检查，保障老人的基本身体健康指标正常。

4 系统的软件设计

本系统主要实现的软件功能为语音识别，手机APP控制，按键操作，超声波测距避障以及辅助的心率和温度检测。当轮椅启动后，整个系统由供电模块进行供电，此时，单片机开始执行预设程序，进行各个模块的初始化操作，最后进行各功能的实现。

5 系统测试结果分析

进行语音、机械按键以及手机APP测试，都能实现轮椅的行驶功能。蓝牙连接情况良好，轮椅运行平稳。测试在室内环境下,测试避障功能，测距 6次, 测量结果如表1所示，测距精度较高， 在±5 cm之间，满足系统设计要求。同时能够进行心率和温度的测量，实现了辅助健康监测的功能。

6 总结

通过系统的软硬件设计和测试，本设计实现了轮椅智能控制，轮椅能够在手机APP、机械按键和语音控制这三种方式下安全运行。调试结果表明，轮椅的工作模式可以任意切换，语音模式下用户可以完全解放双手，轮椅自动行进，当轮椅通过红外传感器检测到障碍物时，传感器会向单片机发送信号，当轮椅距离障碍物小于安全距离时，轮椅控制系统将会控制转向，从而远离障碍物，保障用户安全，整体测试结果符合预期。

参考文献

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