智能遙控輪椅單片機(jī)開發(fā)

隨著中國(guó)人口老齡化以及殘疾人數(shù)量的增加的問題日益嚴(yán)峻。智能輪椅憑借其操作簡(jiǎn)單，便于老年人和殘疾人更好地融入社會(huì)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為一種重要的代步工具。本文介紹的輪椅適合那些雙手或者頸部以下行動(dòng)都不方便的人士，本輪椅采用頭戴式控制裝置對(duì)使用者頸部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并且通過短距無線通訊系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)指令輸傳輸給輪椅，使輪椅做出相應(yīng)的動(dòng)作。另外，為防止由于使用者操作不當(dāng)而發(fā)生碰撞，輪椅的四周加裝了避障傳感器。另外，為了防止輪椅電量不足，此輪椅還安裝有電量檢測(cè)系統(tǒng)，在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電量，輪椅饋電時(shí)，輪椅的液晶顯示屏?xí)@示“No Power”，以提醒使用者及時(shí)充電。

一、智能輪椅設(shè)計(jì)思路

該輪椅主要應(yīng)該包括三個(gè)部分：頸部姿態(tài)檢測(cè)單元，信號(hào)無線傳輸單元，輪椅運(yùn)動(dòng)控制單元。本文介紹輪椅系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

1.1頸部姿態(tài)檢測(cè)單元

該單元的主體部分為一個(gè)gy-85九軸重力加速度傳感器模塊。本作品主要以gy-85中的三軸加速度計(jì)對(duì)使用者的頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。并將測(cè)量結(jié)果以16位二進(jìn)制補(bǔ)碼的形勢(shì)傳輸給控制端，使用者的頸部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過這種形式得到的數(shù)據(jù)其測(cè)量誤差不會(huì)超過1°。這些數(shù)據(jù)將通過傳輸模塊傳輸給運(yùn)動(dòng)單元，使運(yùn)動(dòng)單元按指令運(yùn)動(dòng)。

1.2信號(hào)無線傳輸單元

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c精度以及使該套設(shè)計(jì)留出足夠的改進(jìn)空間，該設(shè)備以NRF24L01模塊作為無線傳輸單元。該單元具有傳輸速率快，傳輸通道多，可以與其他NRF系列的芯片兼容的特點(diǎn)，具有極佳的測(cè)量精度，較高的保密性和巨大的改進(jìn)空間。

1.3輪椅運(yùn)動(dòng)控制單元

當(dāng)控制端接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的指令，這些指令將控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N工作，輪椅在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)之下向指定的方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)輪椅按照人體頸部運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的目的。

1.4其他功能單元

為了增加該設(shè)備的安全性，提高該設(shè)備的人機(jī)關(guān)系，該設(shè)備還包括其他兩個(gè)部分：前方障礙物檢測(cè)單元，電量檢測(cè)單元。

（1）前方障礙物檢測(cè)單元：為了防止由于輪椅使用者操作不當(dāng)而引起撞車事故，保護(hù)使用者的安全，該輪椅特意加入了這一模塊，此模塊由紅外避障傳感器和超聲波傳感器構(gòu)成，當(dāng)紅外避障傳感器檢測(cè)到前方路面不平整時(shí)，輪椅會(huì)自動(dòng)停止，并通過液晶顯示屏顯示輪椅與前方障礙物的距離。此系統(tǒng)可以有效地防止輪椅與前方障礙物的碰撞，以達(dá)到保護(hù)使用者安全的目的。

（2）電量檢測(cè)單元：該單元是通過ADC0804模塊將測(cè)到的電壓數(shù)據(jù)與滿電時(shí)電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出當(dāng)前電量的剩余值，當(dāng)電量不足時(shí)，液晶顯示屏上將會(huì)顯示“No Power”用以提醒使用者及時(shí)充電，以防止使用者沒有留出足夠的時(shí)間而到不了充電處的尷尬情況發(fā)生。

二、智能遙控輪椅的工作原理

2.1姿態(tài)檢測(cè)傳感器原理

本輪椅采用gy-85作為使用者頭部姿態(tài)的檢測(cè)裝置。該傳感器又稱“九軸重力加速度傳感器”，是一種功能強(qiáng)大的傳感器。一般采用三軸加速度計(jì)對(duì)使用者頭部的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。其檢測(cè)方式為：以物體受重力方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，根據(jù)傳感器在三個(gè)軸上的重力加速度分量的大小來判斷當(dāng)前使用者的頸部姿態(tài)。

2.2短距無線射頻通訊技術(shù)原理

為了保證該車擁有足夠的改造空間和通訊頻道，本輪椅的通訊主要使用NRF24L01模塊。該模塊擁有125個(gè)通訊頻道，以SPI模式與相同頻道的其他NRF24L01模塊進(jìn)行通訊。同時(shí)，此種芯片與其他的NRF系列的芯片可以兼容使用，從而使本文所介紹的輪椅具有良好的兼容性。

三、智能遙控輪椅的市場(chǎng)前景

在人口老齡化日益成為突出問題的現(xiàn)代社會(huì)，解決老年人出行問題，給老年人足夠的陪伴已經(jīng)逐漸成為一個(gè)社會(huì)性問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年，中國(guó)大約有老年人17764萬，而這些老年人中又有相當(dāng)一部分老年人是雙手殘疾甚至頸部以下無法運(yùn)動(dòng)的群體。假設(shè)這些人中只有3%有意愿和能力購(gòu)買輪椅，那么輪椅的年需求量也將超過35萬臺(tái)，需求量非常巨大。

在經(jīng)過大量的市場(chǎng)調(diào)查之后，我們發(fā)現(xiàn)，市面上的輪椅大多數(shù)都是采用以手部向輪椅的車輪施力使輪椅運(yùn)動(dòng)的，即使有少量的電動(dòng)輪椅可以憑搖桿的擺動(dòng)方向來控制輪椅的運(yùn)動(dòng)方向，但該種控制模式依然要依靠使用者依靠手部運(yùn)動(dòng)的方向來控制。

立足于為雙手及頸部以下殘疾的人士提供一種合適的代步工具，輪椅自帶防撞擊系統(tǒng)和饋電告警系統(tǒng)使此之具有更好的人機(jī)交互功能，更優(yōu)的實(shí)用性，而獨(dú)特的頭部控制則使一些長(zhǎng)時(shí)間無法出門的老年人看到了走出家門，融入社會(huì)的希望。本文介紹的輪椅只需要對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的電動(dòng)輪椅進(jìn)行改進(jìn)即可，在未來具有相當(dāng)大的商業(yè)價(jià)值和極其優(yōu)越的發(fā)展空間。

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