引 言

輪椅是幫助殘疾人士進(jìn)入社會(huì)交流最常用的工具。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球有超過(guò) 6 500 萬(wàn)人需要坐輪椅，占全球人口的 1%。我國(guó)有超過(guò) 3 000 萬(wàn)人口具有與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的身體殘疾。對(duì)身體殘疾者和老年人來(lái)說(shuō)，能夠生活自理至關(guān)重要。輪椅作為一種可以幫助這些人在不需要?jiǎng)e人幫助的情況下進(jìn)行正常生活的工具具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的新型多用途輪椅可以幫助這些殘疾人士實(shí)現(xiàn)自由行動(dòng)。

目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者在這方面做了許多工作，文獻(xiàn) [1] 提出的一種可用于車(chē)輛附近障礙物檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)的系統(tǒng)便可以擴(kuò)展到輪椅上。

S.Manogna等人 [2] 提出了一種在加速度計(jì)幫助下具有導(dǎo)航功能的輪椅系統(tǒng)，但該系統(tǒng)缺乏障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。松本yoshio提出了基于眼球和大腦運(yùn)進(jìn)行動(dòng)控制輪椅的人機(jī)接口， 為了使輪椅運(yùn)動(dòng)，使用者必須查看他想要到達(dá)的目的地，然后通過(guò)點(diǎn)頭或者搖頭控制輪椅的運(yùn)動(dòng)或停止。但該系統(tǒng)的椅子后面必須連接計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)致系統(tǒng)體積很大且成本高昂。同時(shí)該系統(tǒng)缺少障礙物檢測(cè)能力，對(duì)盲人沒(méi)有太多用處。

本文設(shè)計(jì)的輪椅在原有輪椅的基礎(chǔ)上拓展了諸多功能， 可以被身體殘疾、視力受損、行動(dòng)不便的老年人使用。文中設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以安裝在任何電動(dòng)輪椅上，無(wú)需做過(guò)多修改， 同時(shí)還可提供語(yǔ)音指導(dǎo)工具，對(duì)視障人士進(jìn)行語(yǔ)音指導(dǎo)。其子系統(tǒng)使用常用的廉價(jià)MP3 播放器與微控制器連接，預(yù)錄音文件放在該 MP3 中，存儲(chǔ)在微控制器中的算法根據(jù)要求執(zhí)行所需剪輯，從而向用戶(hù)提供必要的幫助。

1 系統(tǒng)概述

輪椅的整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為導(dǎo)航子系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)、語(yǔ)音導(dǎo)航子系統(tǒng)、障礙物檢測(cè)子系統(tǒng)四大模塊。系統(tǒng)整體框圖如圖 1 所示。

1.1 導(dǎo)航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)用于輪椅導(dǎo)航，便于用戶(hù)將輪椅向任何方向移動(dòng)。該系統(tǒng)主要由加速度計(jì)和磁力計(jì)組成，外形為一個(gè)小的導(dǎo)航板，可以戴在手腕或頭上，按照所需的運(yùn)動(dòng)方向傾斜導(dǎo)航板便可以使輪椅向相應(yīng)的方向移動(dòng)。X 和 Y 軸的數(shù)據(jù)從加速度計(jì)中讀取，與上限和下限比較，如果在范圍內(nèi)，則執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。該過(guò)程可以防止由于意外沖擊造成讀取數(shù)據(jù)突變，導(dǎo)致椅子失速，對(duì)用戶(hù)造成傷害。表 1 所列為讀數(shù)的上限和下限。

磁力計(jì)用于指示方向，對(duì)于有視力障礙的人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，地磁北方向可以通過(guò)磁力計(jì)顯示，用戶(hù)通過(guò)振動(dòng)墊感知該方向。振動(dòng)墊由四個(gè)振動(dòng)馬達(dá)和一個(gè)開(kāi)關(guān)組成，當(dāng)用戶(hù)需要指引北面方向時(shí)，位于北部的電機(jī)開(kāi)始振動(dòng)。

1.2 定位子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)使用有源 RFID 技術(shù)構(gòu)建，用于實(shí)時(shí)定位監(jiān)控輪椅在室內(nèi)的位置。將有源 RFID 標(biāo)簽放置在室內(nèi)一些重要地方，用戶(hù)可以通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)獲得當(dāng)前輪椅所在位置，比如靠近樓梯，門(mén)口或者不同路徑通向不同地點(diǎn)的路口。輪椅進(jìn)入便簽范圍后，附在輪椅上的RFID 接收器會(huì)獲得標(biāo)簽的唯一ID 并將信息傳遞給微控制器。微控制器將接收到的ID 與預(yù)先存儲(chǔ)的ID 列表進(jìn)行對(duì)比，找到信息相匹配的ID 位置，生成MP3 播放器控制信號(hào)。

1.3 語(yǔ)音導(dǎo)航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由一個(gè)MP3 播放器和微控制器組成，適合為視覺(jué)受損的人群提供導(dǎo)航。MP3 播放器中預(yù)裝了剪輯音頻，當(dāng)輪椅運(yùn)動(dòng)到RFID 標(biāo)簽范圍內(nèi)時(shí)，微控制器將接收到唯一的標(biāo)簽 ID，然后向 MP3 播放器發(fā)送信號(hào)，播放特定的剪輯音頻， 從而向用戶(hù)提供周?chē)沫h(huán)境信息。用戶(hù)通過(guò)耳機(jī)收聽(tīng)音頻，可以很清楚地知道自己目前所處位置，以及可以到達(dá)的地方。

1.4 障礙物檢測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)由超聲波傳感器組成，用以檢測(cè)障礙物。這些傳感器可以發(fā)出頻率遠(yuǎn)高于人耳可感知的頻率范圍的聲波，這些聲波撞擊到物體后會(huì)產(chǎn)生反射聲波并被傳感器接收，因此， 通過(guò)測(cè)量聲波來(lái)往的總時(shí)間，就可以計(jì)算出離障礙物的距離。其計(jì)算公式為：

s=（t 10-6 34300）/2（1） 

式中：s 為離障礙物的距離，t為測(cè)量聲波來(lái)回的時(shí)間。在該系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)定 40cm為極限。如果任何障礙物接近該極限， 蜂鳴器便會(huì)被激活并告知用戶(hù)。但如果障礙物更靠近輪椅，則停止該方向的運(yùn)動(dòng)。

該系統(tǒng)的工作流程如圖 2 所示。

2 硬件選擇

2.1 加速度計(jì)和磁力計(jì)

加速度計(jì)是一種微電機(jī)系統(tǒng)，可以測(cè)量無(wú)論是由重力還是運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的加速度。磁力計(jì)用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，在某些情況下還可以測(cè)量空間的磁場(chǎng)方向。本文使用LSM303DLHC 模塊，該模塊由一個(gè)數(shù)字 3 軸加速度計(jì)和 3 軸磁力計(jì)構(gòu)成，而且滿足I2C通信協(xié)議。該模塊的加速度測(cè)量范圍為 2～16 g， 滿量程磁場(chǎng)測(cè)量范圍為 1.3 ～ 8.1 Gs。

2.2 超聲波測(cè)距儀

超聲波傳感器的工作原理類(lèi)似雷達(dá)或聲納，它們都會(huì)產(chǎn)生高頻聲波并接收反射回來(lái)的聲波。傳感器計(jì)算發(fā)送信號(hào)和接收回波之間的時(shí)間間隔，計(jì)算確定距離物體的位置。本文使用HC-SR04 超聲波傳感器，工作頻率為 40 Hz，可以測(cè)量2 ～350 cm 的距離，精度為 3 mm。

2.3 有源RFID

為了自動(dòng)識(shí)別和跟蹤附加到對(duì)象的標(biāo)簽，本文采用無(wú)線非接觸式射頻識(shí)別（RFID），利用射頻電磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。有源 RFID 標(biāo)簽采用電池供電，功耗低，識(shí)別范圍相對(duì)較長(zhǎng)。本系統(tǒng)使用的RFID工作頻率為433 MHz，識(shí)別范圍為4 ～5 m。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可為身體殘疾人士、視力受損人士和老人提供一些正常生活所需的幫助。該系統(tǒng)成本低、易實(shí)現(xiàn)，配有用于輪椅運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)和用于障礙物檢測(cè)的超聲波傳感器。該系統(tǒng)的語(yǔ)音導(dǎo)航功能可以隨時(shí)指引用戶(hù)到達(dá)目的地。因此，該系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，可有效協(xié)助需要幫助的人群。