摘要：本文简要介绍了电动轮椅的智能避障系统的设计与实现方式。对电动轮椅进行优化，以单片机为核心，整体采用超声波避障模块、GPS模块进行加装设计，使电动轮椅在工作时可以接受用户的指令完成相应的动作，在不同环境中检测障碍物并自动避开。实验证明，智能避障轮椅具有操作方便，智能化等优点。
关键词:STM32F103单片机；超声波避障；GPS
随着生活水平的提升，轮椅已成为当代必不可少的实用工具之一。生活中总是会有一些老年人或残疾人因为使用电动轮椅不便而发生一些事故，轮椅需要加装一些装置来达到避障的目的以减少事故的发生。因为智能轮椅的使用者多为自我保护能力不足的老年人和残疾人士，他们应对危险的反应要弱很多，在使用轮椅的过程中不能避开障碍物，从而导致智能轮椅在正常工作时存在很大的安全隐患。
1.项目总体设计
本项目以STM32F103RCT6单片机作为控制核心，由超声波避障模块，GPS模块和生活中常见的电动轮椅有机结合起来，制作出可以自动避开障碍的电动轮椅，实现智能避障功能，并且利用智能控制算法，实现轮椅自动绕过障碍物的功能.当遇到障碍物时，轮椅的控制电路会控制轮椅停止，等待手动操作或自动躲避。集成手动与自动控制轮椅，在自动避障优先的条件下，增强手动操作的优先性，设计手动、自动智能切换的控制策略，使手动，自动人性化，且两种控制互不干涉。
2.硬件部分设计
单片机的选择：本设计选用多个STM32F103RCT6单片机作为主控器件，STM32F103系列单片机为成本低，功能多的嵌入式应用设计，内核为ARM32位Cortex-M3CPU，调试多达13个通信接口。
图1-STM32F103开发板MCU原理图
2.1单片机控制系统：
单片机主控芯片根据避障传感器接受的信号做出判断，分析动作要求，发送相应的动作命令给电机驱动模块，控制实现转向，并执行命令完成相应动作，达到避障的目的。同时，超声波传感器检测到固定障碍物时，单片机根据反馈的信息判断距离，主控芯片控制车轮及时做出相应调整，重新规划运动轨迹，以达到避障的目的。【1】
2.2控制轮椅电机的电路设计：
电动轮椅的控制电路工作原理：轮椅控制器是由红色，黑色，绿色，黄色四根电线，两个三极管以及其他电路器件组成，它的方向是由四根电线控制的。对电线电压进行测量，根据表中数据可知：轮椅前进时，绿线为高电平；轮椅后退时，绿线为高电平；轮椅左转时，黄线为高电平；轮椅右转时，黄线为高电平。
表1-测量数据
从中判断出：绿线和黄线是两根信号线，分别控制轮椅的前进后退和左转右转，我们需要做的就是通过设计来控制这两条线的高低电平，从而达到控制轮椅的目的。
经过讨论本设计决定用三极管来控制轮椅的电路，具体操作如下：三极管的发射级接地，集电极接在5V的电压上，基级接在STM32单片机上，用于控制电路的通断；集电极下方接一个电阻用于保护电路，电阻下方引出一条电路，这条电路用于控制轮椅的前进后退和左转右转。电路图和实物图如下，当单片机的基级给出高电平时，电路上为低电平；当单片机的基级给出低电平时，电路上为高电平。以达到单片机控制轮椅的目的。
2.3 GPS/北斗模块
ATK-S1216F8-BD-V23 模块，是 ALIENTEK 生产的一款高性能 GPS/北斗模块，具有167个通道【2】，追踪灵敏度高达165dBm，测量输出频率最高可达 20Hz。【3】ATK-S1216F8-BD GSP/北斗模块具有以下特点：
1．模块采用S1216F8-BD 模组，体积小巧，性能优异。【3】
2．模块可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部 FLASH，使用方便。
3．模块自带IPX接口，可以连接各种有源天线，适应能力强。
4．模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统。
ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块非常小巧（25mm*27mm），模块通过5个2.54m间距的排针与外部连接。
2.4超声波避障模块：
本设计选用HC-SR04超声波避障模块，其工作原理是：采用IO口TRIG触发测距，给最少10us高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离为
X=（高电平时间*声速（340M/S））/2；
这款超声波避障模块测量距离精确，测量精度高，视线盲区较小，适用于物体测距。
3.软件程序设计
使用多个单片机，每个单片机控制一个超声波模块，然后核心单片机控制整个系统，这样可以将程序模块化，将大程序区分成几个小程序去编写，并且各个模块也采用了相应的形参作为接口。本程序主要采用 Keil5 软件进行编写与调试， 程序语言采取通俗易懂和可移植性高的 C 语言进行编写。设计程序的编写主要包括 main 函数、时钟函数、定时函数、 距离转换时间函数等。【4】当单片机通电时，单片机首先会对相关参数进行初始化，并且使能相应的时钟，然后通过各个模块的控制给出相应的指令，从而实现轮椅的自动避障功能。
4.调试过程
4.1超声波模块的调试
我们准备了5V和3.3V两种额定电压不同的HC-SR04超声波测距模块，在调试过程中，我们发现使用3.3V的模块测距比5V的模块更精准，3.3V和5V的电压均由STM32F103单片机提供。
4.2单片机程序的调试
使用串口调试助手调试程序，建立关于超声波传感器的项目工程文件，设置软硬件调试环境，创建源程序文件写入相关代码。调试主要是对STM32F103单片机控制一个HC-SR04超声波模块的例程进行试验，最后用一个STM32F103单片机来控制整个电路。
5.结语
本文采用STM32F103RCT6单片机模块、超声波传感器和GPS模块等制作智能避障轮椅。结果表明，该系统实现了遇到障碍可以采用手动以及自动操作以达到成功避障的功能，具有安全，可操作性强，零件成本较低等优点，优化轮椅功能。
参考文献：
【1】唐渊；周汝；段武斌；刘臻.《基于单片机控制的红外线与超声波混合避障智能小车》.中国设备工程.2018
【2】张帅；宋月鹏；徐保岩；王征；柳洪洁；高东升；《基于uC/OS-Ⅲ系统全向型农业测控平台的设计与试验》. 山东农业大学学报(自然科学版).2018
【3】杨晔；李司航. 《基于北斗卫星的货物定位系统的设计》. 产业与科技论坛.2018
【4】霍海波；许逸；王世明；赵举；杨波，《基于北斗卫星通信的波浪能监控系统设计与应用》，全球定位系统，2017
论文作者:刘栋栋,芈菁,李嘉琳,陈文婷,王克标
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/6
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