CN105662743A - 一种智能轮椅用多路超声自主避障模块 - Google Patents

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刘继忠
范冰飞
徐健宁
张华�
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Abstract

一种智能轮椅用多路超声自主避障模块，是针对智能轮椅的经济性、安全性、交互流畅性等市场推广瓶颈，在单片机的基础上对传统电动轮椅进行智能化升级，使轮椅能够实现在不同环境下针对不同特征的障碍物和低洼地段采取不同的避障策略的自主避障运行，同时，该避障模块还可融入到智能轮椅的语音控制和视觉自主导航模态中，实现了智能轮椅在语音控制和视觉导航模态下的安全保护运行。同时，本发明无需PC机或DSP等高性能微处理器，具有成本低，功耗低，安装方便，结构紧凑、盲区小等优点，并且通用性强，可以移植到其它移动机器人平台上，具有很好的市场前景。

Description

一种智能轮椅用多路超声自主避障模块
技术领域
本发明涉及一种智能轮椅用多路超声自主避障模块。
背景技术
随着人们生活水平的提高和智能技术的快速发展与成熟，较低成本的智能轮椅产品将会真正进入人们的生活，自主避障运行是智能轮椅人－机－环境交互的重要交互模式。本专利就是围绕此类技术问题，设计一种基于高性能单片机SPCE061A的较低成本的能够检测前方低洼地段和周围凸出障碍物的智能轮椅多路超声自主避障运行模块。
发明内容
本发明的目的是提供一种较低成本的能够检测前方低洼地段和周围凸出障碍物的具有安全保护功能的嵌入式智能轮椅多路超声自主避障运行模块。
本发明是通过以下技术方案来实现的。如图1示，本发明由超声波发射模块、超声波接收模块、多路选通电路以及D/A模块组成。由超声波发射模块主要由超声波发射电路组成，其周围环境发射出超声波，遇到障碍物返回后经接收模块（主要由超声波接收电路组成）处理后送入到控制芯片SPCE061A，经控制芯片处理分析后根据一定的避障控制算法控制D/A模块输出相应的电压。从而控制轮椅的运动，使轮椅避开周围的障碍物或低洼地段。
本发明中的超声传感器组的分布如图2所示，1-6组传感器的安装方向沿着箭头方向，7-8组传感器朝下安装。1-3组传感器用于检测前方障碍物，4用于检测左方障碍物，5用于检测右方障碍物，6用于检测轮椅后方障碍物，7、8组传感器用于检测前方低洼地段。
本发明所述的超声波发射电路如图3所示，三极管放大电路和反向电路组成，连接关系如图所示，I0B9为SPCE061A的引脚。控制芯片发出的方波信号经过放大电路和反向电路后经过超声波发射传感器发射出超声波。
本发明所述的超声波接收电路如图4所示，由CX20106和相关外围电路组成，COMY端连接传感器，输出端连SPCE061A的IOB2。输入端接收来自传感器的信号，经过CX20106处理后变成高低电平输入到SPCE061A。
本发明所述的多路选通模块如图5所示，由多路模拟开关CD4097和三极管放大电路组成，SPCE061A的I/O经过放大电路分别连接到CD4097的10、11、14引脚。17脚接接收模块，1脚接电容后再接发射模块。本发明采用8通道测距测量轮椅的外部环境，由SPCE061A的三个I/O口控制8个通道分时工作的顺序。按照顺序依次检测各个方向上的障碍物信息。
本发明所述的D/A模块如图6由2个TLV5618和一个MC1403芯片组成。TLV5618的DIN、SCLK、CS分别与I/O口相连，输出端与电动轮椅平台相连。REF与MC1403的2引脚相连。控制芯片SPCE061A通过该模块将数字信号转换成模拟电压，根据一定的规律控制轮椅运动。
本发明的程序流程图如图8所示，轮椅运行时，各组传感器循环探测周围的障碍物，首先进行系统初始化，设置定时器开启即使，等待一段时间防止余波干扰，再开启EXT1，外部中断，接收到超声波信号后，处理测距结果，如果测距超时，则将结果值标记为2米，等到8路测距完成后根据三种避障策略左转优先避开前方障碍物和避开低洼地段的策略、避开左右侧面障碍物的策略和避开死角与胡同的策略进行避障，使轮椅避开周围的障碍物。
本发明的有益效果：在单片机的基础上对传统电动轮椅进行智能化升级，使轮椅能够实现在不同环境下针对不同特征的障碍物和低洼地段采取不同的避障策略的自主避障运行，同时，该避障模块还可融入到智能轮椅的语音控制和视觉自主导航模态中，实现了智能轮椅在语音控制和视觉导航模态下的安全保护运行。同时，本发明无需PC机或DSP等高性能微处理器，具有成本低，功耗低，安装方便，结构紧凑、盲区小等优点，并且通用性强，可以移植到其它移动机器人平台上，具有很好的市场前景。
附图说明
图1为本发明结构图；
图2为本发明超声波传感器的分布图；
图3为本发明超声波发射电路图；
图4为本发明超声波接收电路图；
图5为本发明多通道选通模块电路图；
图6为本发明D/A模块电路图；
图7为本发明超声传感器距离检测图解；
图8为本发明自主运行模块程序流程图。
具体实施方式
本发明将通过以下实施例作进一步的说明。
参见图1，一种基于SPCE061A的嵌入式智能轮椅多路超声自主避障模块，包括主控芯片SPCE061A，超声波发射模块，超声波接收模块，多路选通模块，超声波传感器组，D/A模块。
本发明所述的SPCE061A主控电路板，包括了单片机需要的晶振、复位、程序烧写接口等电路。SPCE061A与超声波发射模块、超声波接收模块、D/A模块电信相连，D/A模块与电动轮椅平台电信相连。多路选通模块与超声波发射模块和接收模块电信相连。如图1所示。
本发明中的超声传感器组的分布如图2所示，1-6组传感器的安装方向沿着箭头方向，7-8组传感器朝下安装。1-3组传感器用于检测前方障碍物，4用于检测左方障碍物，5用于检测右方障碍物，6用于检测轮椅后方障碍物，7、8组传感器用于检测前方低洼地段。
本发明所述的超声波发射电路如图3所示，三极管放大电路和反向电路组成，SPCE061A的IOB9首先经过一个三极管放大电路，然后再经过一组反向器。再分支成两路，一路经过两组并列的反向器和一个电容后与超声波传感器电信相连。另一路经过一组反向器和两组并列的反向器后与超声波传感器电信相连。
超声波发射模块的作用是根据SPCE061A发出的方波信号使超声波传感器发射出对应频率的超声波。
本发明所述的超声波接收电路如图4所示，由CX20106和相关外围电路组成，1引脚连接传感器，7引脚连SPCE061A的IOB2。输入端接收来自传感器的信号，经过CX20106处理后变成电平信号输入到SPCE061A触发单片机的中断，得出超声波从发射到接收的时间，从而计算出轮椅到障碍物之间的距离。
本发明所述的多路选通模块如图5所示，由多路模拟开关CD4097和三极管放大电路组成，SPCE061A的I/O经过放大电路分别连接到CD4097的10、11、14引脚。17脚接接收模块的输入端，1脚接电容后再接发射模块的输出端。本发明采用8通道测距测量轮椅的外部环境，由SPCE061A的三个I/O口控制8个通道分时工作的顺序。按照顺序依次检测各个方向上的障碍物信息。
本发明所述的D/A模块如图6所示，由2个数模转换芯片TLV5618和一个基准电压芯片MC1403芯片组成。TLV5618的DIN、SCLK、CS分别与I/O口电信相连，4路输出端与电动轮椅平台的驱动器相连。REF与MC1403的2引脚相连。控制芯片SPCE061A通过该模块将数字信号转换成模拟电压，根据一定的规律控制轮椅运动，从而使轮椅实时避开周围的障碍物。
本发明所述的超声波自主避障模块的超声波传感器在检测障碍物的距离时分为三个区，如图7所示，盲区，安全距离，和远端距离。当检测的距离大于安全距离程序就认为该方向上没有障碍物，是安全的。
该避障模块的避障策略有三种：
1.左转优先避开前方障碍物和避开低洼地段的策略，当前方3组传感器没有探测到障碍物并且前方两组朝下的传感器没有探测到低洼地段时，轮椅前进。当前方3组传感器在55厘米内检测到障碍物或者第7、8组传感器探测到低洼时，优先判断是否可以左转，当左边没有转向空间时，再判断是否可以右方，左右都有障碍物时则轮椅停止前进。
2.避开左右侧面障碍物的策略
对于侧面障碍物，让单片机比较左右方几次测距的变化情况来调整轮椅运动轨迹，如果测到左方连续三次数据呈线性递减，且三个数都小于一个设定距离，则判定左方侧面障碍物，此时判断右方是否有足够转向空间，有则向右偏转一定角度后继续前进对于侧面突出的障碍物，系统可能还来不及判断侧面障碍物，于是对轮椅系统设置了左右最小安全距离，当障碍物突然进到非安全区域时，同样判断另一边是否有足够转向空间，有则向该方向偏转一定角度后继续前进。
3.避开死角与胡同的策略
为了防止轮椅在遇到一些墙角和胡同陷入了避障的死循环，轮椅左转右转交替进行，却无法退出。为了摆脱这种状态，设计了使轮椅走出死角避障的相应策略，并使轮椅能在不同环境下转换相应的避障策略，在程序中，给轮椅设置了两个权值，顺畅度、滞留度。当前进顺畅时滞留度被清空，反之清顺畅度。当遇到死角前进不畅，滞留度不断升高，积累到一定值的时候判断为进入死角，这时通过单片机改变轮椅避障状态，让轮椅后退，并且在后退的过程中检测后方的障碍物，后退一定的距离后再转一定的角度后重新回到前进避障状态。
当用户使用装有该超声自主避障模块的电动轮椅时，用户首先坐在轮椅上，然后按下启动按钮，当轮椅运行时，轮椅上的8组超声波传感器实时的检测周围障碍物信息，当遇到前方障碍物或者低洼地段则按照左转优先避开前方障碍物和避开低洼地段的策略进行避障，当遇到左右方障碍物时轮椅则按照.避开左右侧面障碍物的策略进行避障，当遇到死角或者胡同时，轮椅会自动判断已经进入死角，然后按照避开死角与胡同的策略退出死角或胡同。

Claims (4)

1.一种智能轮椅用多路超声自主避障模块，包括超声波传感器组(2)，多路选通模块(3)，超声波接收模块(4)，超声波发射模块(5)，主控芯片SPCE061A(6)以及D/A模块(7)，其特征是超声波发射模块(5)接受来自主控芯片(6)发出的方波信号，经过处理后使超声波传感器发射出超声波，超声波接收模块(4)接受来自超声波传感器的信号，经过处理后转换成电平信号输送给主控芯片(6)，多路选通模块(3)接收来自主控芯片(6)的选通信号，使该模块上连接的8组传感器，按照顺序分时工作；D/A模块(7)接收来自自主控芯片(6)的数字信号，根据这个数字信号转换成对应的模拟信号，然后接连到电动轮椅平台控制轮椅的运动；
所述程序中设计的避障策略分为三种，即左转优先避开前方障碍物和避开低洼地段的策略、避开左右侧面障碍物的策略和避开死角与胡同的策略。
2.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用多路超声自主避障模块，其特征是：所述超声波传感器组包括1-6组传感器和7-8组传感器，1-6组传感器沿着箭头方向安装，7-8组传感器朝下安装。
3.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用多路超声自主避障模块，其特征是：所述超声波发射模块和超声波接收模块通过多路选通模块后与8组超声波传感器电信相连。
4.根据权利要求1所述的一种智能轮椅用多路超声自主避障模块，其特征是：所述D/A模块与主控芯片SPCE061A相连，使该模块最终输出四路模拟电压，通过四路模拟电压控制轮椅的运动。
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