序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來了一篇電動輪椅控制器設(shè)計(jì)分析范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

目前，普通電動輪椅的保有量不斷增加，但是有些輪椅使用者對普通輪椅的基本功能已經(jīng)不滿足，對輪椅的功能提出更多的要求。而且輪椅的安全性很大程度上取決于使用者的操作意識，雖然電動輪椅的操縱比較簡單，但是使用者往往都是老年人，他們在操縱輪椅時的反應(yīng)速度較慢。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，對輪椅的操縱不及時，容易出現(xiàn)安全事故。所以電動輪椅的智能化，例如，語音交互、緊急制動、智能導(dǎo)航等功能，具有較廣闊的前景。本文基于Arduino控制器，設(shè)計(jì)了一種電動輪椅的控制系統(tǒng)，利用紅外遙控實(shí)現(xiàn)無線控制，同時融入了語音模塊、超聲波模塊傳感器，實(shí)現(xiàn)了對電動輪椅的語音交互控制和無線遙控，還可以對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，遇到障礙物可以緊急停止。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。紅外接收器接收到使用者發(fā)送的紅外信號，Arduino控制器給兩個電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送信號，控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。同時給兩個繼電器發(fā)送信號，控制電機(jī)的電源電路的通斷。語音模塊可以接收到使用者的語音指令，來控制輪椅的運(yùn)動。大部分的電動輪椅使用者在使用過程中，都是獨(dú)自操控輪椅的，而且電動輪椅也具有一定的速度，當(dāng)遇到障礙物時，使用者沒有及時剎車造成的安全事故屢見不鮮，所以增加傳感器進(jìn)行檢測障礙物是很有必要的。常用的避障傳感器有激光傳感器、紅外傳感器、超聲波傳感器等，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波信號成一定的扇形，檢測范圍較廣，檢測距離能達(dá)到2～450cm，對于電動輪椅的避障檢測距離合適。紅外傳感器的檢測距離較近，激光傳感器雖然檢測距離遠(yuǎn)，精度高，但是價格較貴，所以本文采用超聲波傳感器作為電動輪椅的避障傳感器。將超聲波傳感器安裝在電動輪椅的前方和后方，可以檢測輪椅前進(jìn)方向上是否有障礙物，當(dāng)障礙物距離小于設(shè)定的安全距離，則控制器會主動控制輪椅停下。電動輪椅的驅(qū)動電源采用24V的鉛酸蓄電池進(jìn)行供電，蓄電池的安全性較高，電壓穩(wěn)定，價格較便宜，直流電機(jī)的額定電壓為24V，所以采用24V的蓄電池，蓄電池直接給電機(jī)驅(qū)動板進(jìn)行供電。再通過降壓模塊，將24V直流電轉(zhuǎn)變成5V直流電，給控制器及傳感器進(jìn)行供電。運(yùn)動控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

1.1Arduino控制器

本文的控制系統(tǒng)采用的主控制器是ArduinoUno控制板，該開發(fā)板是一款基于開放源代碼的控制器，所以使用靈活方便，該控制板共有14個數(shù)字輸入輸出口，其中6個可以為PWM輸出，6個模擬輸入，16MHz晶振時鐘，能夠滿足該控制系統(tǒng)的使用要求。Arduino控制器的編程是基于Arduino編程語言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（basedonProcessing）來實(shí)現(xiàn)的，能進(jìn)行直觀控制，增強(qiáng)程序的可讀性的同時也提高了開發(fā)效率。

1.2驅(qū)動電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動器

本文中電動輪椅的驅(qū)動電機(jī)采用了兩個24V的直流減速電機(jī)，在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上增加了減速器，提高了輸出扭矩。直流電機(jī)起動和調(diào)速性能好,調(diào)速范圍廣，平滑，過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小，同時具有良好的啟動特性和調(diào)速特性，比較適合電動輪椅中的使用。區(qū)別于常見的電動輪椅驅(qū)動器，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動器，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動模式，兩個直流電機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)組合，能夠?qū)崿F(xiàn)輪椅的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向，提高了輪椅運(yùn)動的靈活性，使輪椅在狹小空間內(nèi)可以完成轉(zhuǎn)向動作。電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)和輪椅的運(yùn)動狀態(tài)關(guān)系如表1所示。該電機(jī)的驅(qū)動器采用了大功率的直流電機(jī)驅(qū)動器，最大持續(xù)負(fù)載電流達(dá)到了15A，輸入電源為0～36V的直流電源，驅(qū)動板的輸出與直流電機(jī)直接相連接。驅(qū)動板的控制邏輯簡單，控制輸入有共有IN1、IN2、PWM三個信號口，IN1和IN2輸入信號的組合控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停止，PWM口通過輸入的PWM信號控制電機(jī)的速度，調(diào)速范圍0～100%，具體控制邏輯如表2所示。同時，該直流電機(jī)驅(qū)動器還具有一個5V直流電流的輸出。

1.3繼電器

電動輪椅在斷電或者電池電流不足的情況下，還是需要人為地輔助推動輪椅。當(dāng)速度過快時，此時，直流電機(jī)會反向給電機(jī)驅(qū)動板供電，會燒壞電機(jī)驅(qū)動板。所以在電機(jī)驅(qū)動板和電機(jī)之間需要增加繼電器，保護(hù)整體的電路的安全。繼電器的輸出端口有常開、常閉和公共端口，將電機(jī)的電源線接入繼電器的常開和公共端。控制輪椅運(yùn)動時，繼電器的控制端輸入口有I/O口、5V電源和GND口，當(dāng)I/O口輸入高電平時，繼電器內(nèi)部吸合，常開端口閉合，電機(jī)通電轉(zhuǎn)動。

1.4語音模塊

語音模塊的使用能夠很好地滿足一些使用者的需求。該系統(tǒng)中采用了LD3320A的語音模塊，模塊上有一個單片機(jī)，可以和語音模塊進(jìn)行SPI通信，從而識別語音功能。該模塊可以識別普通話，集成了語音信號的采集和識別功能，通過修改語音模塊中的程序，可以修改語音識別的口令。該語音模塊可以識別50條口令，能夠滿足控制輪椅的需求。該語音模塊通過串口與Arduino控制器通信，在主控程序中定義好口令相對應(yīng)的運(yùn)動模式，語音模塊識別使用者的口令后，給Arduino控制器發(fā)送指令控制輪椅運(yùn)動。

1.5超聲波傳感器

利用超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)輪椅運(yùn)動過程中的障礙物檢測。超聲波傳感器是利用傳感器的壓電晶片發(fā)出超聲波信號，接收遇到障礙物反射超聲波的信號，從而檢測出障礙物距離的傳感器。Arduino控制器給超聲波模塊一個觸發(fā)信號，傳感器發(fā)出8個40kHz的超聲波信號并檢測是否有信號返回，有信號返回時，傳感器輸出一個高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)出到返回的時間。則障礙物到輪椅的距離為：s=v×t/2（1）式中，s為障礙物到輪椅的距離，v為聲音在空氣中的傳播速度，在常溫下速度為340m/s，t為超聲波從發(fā)出到返回的時間。

1.6紅外遙控模塊

紅外遙控模塊是一種常見的無線遙控模塊，具有抗干擾能力強(qiáng)，信息傳輸可靠，成本低、容易使用等特點(diǎn)。本文使用的紅外遙控模塊遙控距離8m，載波頻率38kHz，采用的是NEC編碼格式。紅外遙控模塊分為紅外遙控器和紅外接收器，紅外接收器和Arduino控制器連接。紅外遙控器發(fā)送的紅外信號，被紅外接收器接收，在編程軟件中，通過串口確定紅外遙控器的每個按鍵的編碼，在編程中定義每個按鍵的功能。

2軟件設(shè)計(jì)

使用者啟動輪椅電源后，通過按鈕確定是手動遙控模式還是語音模式。手動模式中，使用者通過紅外遙控的按鈕操控輪椅的運(yùn)動。語音模式中，使用者通過設(shè)定好的語音指令，通過發(fā)出語音口令控制輪椅的運(yùn)動。超聲波傳感器持續(xù)檢測輪椅前后方的障礙物距離，當(dāng)距離小于安全距離，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

3結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以Arduino為主控制器的電動輪椅控制系統(tǒng)，控制方式靈活，方便輪椅使用者的使用，而且增加了超聲波測距傳感器，提高了輪椅使用的安全性。

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作者:黃鐘書 陳云 譚福瓊 董陽陽 趙璐 單位:南通理工學(xué)院