多模态交互智能轮椅控制系统的研究.pdf
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1、井冈山大学学报(自然科学版)90文章编号:1674-8085(2023)03-0090-07多模态交互智能轮椅控制系统的研究华谦,*吴全玉,张 煜,孙玉彬,潘玲佼,陶为戈(江苏理工学院 电气信息工程学院,江苏,常州213001)摘要:多模态交互智能轮椅是在现有的摇杆电动轮椅基础上,新增触摸屏和语音控制方式,提高了轮椅的控制便捷性和智能性。整个系统采用模块化思想,将驱动电路、主控电路和保护电路进行有机结合,对轮椅电机驱动器进行设计和改进,实现了轮椅调速和变向功能。交互系统采用双主控芯片,触屏交互采用STM32F103ZET6主控芯片,在移植C/OS-实时操作系统和emWin图形界面库的基础上进行
2、交互界面设计,并以4.3寸电容屏为显示和触摸终端。语音交互采用LD3320模块,通过串口与STM32F103ZET6通信。摇杆控制模块通过与驱动器主控相连接完成交互。电机驱动器以STM32F103RCT6为主控,主要任务是摇杆ADC的采集、电机调速PWM的产生和电机电流的检测。两个主控之间通过串口通信,经验证,系统显示界面友好、性能可靠、运行稳定且实时性好。关键词:智能轮椅;语音交互;电机驱动器;触屏控制;交互系统中图分类号:TP368.1文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-8085.2023.03.014RESEARCH ON THE CONTROLSYSTEM O
3、F MULTIMODALINTERACTIVE INTELLIGENT WHEELCHAIRHUAQian,*WU Quan-yu,ZHANG Yu,SUN Yu-bing,PAN Ling-jiao,TAO Wei-ge(School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University of Technology,Changzhou,Jiangsu 213001,China)Abstract:Basing on the existing rocker electric wheelchair,touch screen and
4、 voice control methods are added toimprove the control convenience and intelligence of the multi-mode interactive intelligent wheelchair.Adoptingthe idea of modularization,the drive circuit,the main control circuit and the protection circuit are organicallycombined,and the motor driver of the wheelc
5、hair are designed and improved,which realize the function of speedregulation and direction change of the wheelchair.This interactive system adopts dual main control chips,and thetouch screen interaction adopts STM32F103ZET6 main control chip.The interactive interface is designed on thebasis of trans
6、planting the C/OS-real-time operating system and emWin graphical interface library,and the4.3-inch capacitive screen is used as the display and touch terminal to complete the interaction task.The voiceinteraction adopts the LD3320 module,which communicates with the STM32F103ZET6 through the serial p
7、ort tocomplete the interaction.The joystick control module completes the interaction by connecting with the drivermaster.The motor driver is controlled by STM32F103RCT6,and the main tasks are the acquisition of the joystickADC,the generation of the motor speed regulation PWM and the detection of the
8、 motor current combined withthe motor drive circuit.The two main controllers communicate through serial ports.It is proved that the systemhas friendly interface,reliable performance,stable operation and good real-time response.Key words:intelligent wheelchair;voice interaction;motor drive;touch scre
9、en control;interactive system收稿日期:2022-09-18;修改日期:2022-11-30基金项目:国家自然科学基金青年项目(62001196);江苏省重点研发计划项目(SBE2020648);常州市社会发展项目(CE20225045);江苏理工学院研究生实践创新计划项目(XSJCX21-24)作者简介:*吴全玉(1977-),男,安徽宿州人,副教授,博士,硕士生导师,主要从事嵌入式系统装置开发、医学信号的智能检测和血流动力学仿真研究(E-mail:).第44卷第4期Vol.44 No.4井冈山大学学报(自然科学版)2023年7月Jul.2023Journal o
10、f Jinggangshan University(Natural Science)90井冈山大学学报(自然科学版)910引言人口老龄化已成为全球普遍现象,根据老龄化研究报告:我国老年人口的数量在2020年已突破1.91亿,中国老年人口规模庞大,老龄化速度快,老年人的养老和日常照理问题日益严峻。轮椅对于高龄人和下肢残疾人来说是日常生活中必不可少的出行工具,而一款性价比高、功能全面、性能可靠的智能轮椅不仅能提高残疾人和老年人的生活质量,还能减少照看者的负担。智能轮椅的研究对于我国助老工程的发展有着重大作用1。从20世纪80年代英国研发出首台智能轮椅开始,美国、日本、法国等国家也开展了对智能轮椅的
11、研究2-6。我国开展智能轮椅的研究起步较晚,但近年来也取得了一定的研究成果。基于视觉跟踪7、自动驾驶8、肌电9、头部10、多传感器融合11和语音12等交互方式的智能轮椅的研究也不断进步,但目前这些轮椅还停留于实验室阶段,价格昂贵,安全性和实时性还不能满足需求。所以本研究从以上问题为出发点,在目前已有的轮椅机械基础之上进行系统的改进设计,来满足当前的需求。研究首先对轮椅电机驱动器进行设计和改进,采用主控单元和功率单元分开布局,H桥功率13-15输出电路采用开窗布线,增大电路载流和散热能力。在保证驱动器安全稳定的前提下,进行多交互设计。使用者不仅可以直接转动摇杆,还可通过触屏和语音来完成对轮椅的控
12、制。触屏控制是以STM32F103ZET6为主控,移植实时操作系统C/OS-和emWin图形界面库设计交互界面,界面简洁易操作,方便残疾人的使用。语音交互是通过LD3320模块通过串口与STM32F103ZET6主控相连,触屏控制界面中有语音控制的启动按钮,打开语音控制的按钮之后可以进行人机交互。三种控制方式可以任意切换而互不干扰。其操作简单,适用于老年人和残疾人使用,同时也提升了使用者的体验。1多模态交互系统整体结构文中设计的多模态交互智能轮椅控制系统分成为轮椅电机驱动器的设计和人机交互平台的搭建。驱动器和交互平台都有各自的主控单元,他们通过串口通信。系统结构框图如图1所示,交互平台是由语音
13、模块、摇杆模块和触屏模块组成,两个直流有刷电机的驱动器是由电源电路、主控电路、隔离电路、驱动电路和过流保护电路组成。驱动器通过接收串口发送过来的指令,完成轮椅控制。触摸屏语音模块PWMSTM32F103ZET6主控驱动器主控PWM左PWM右PWMOUT+OUT-隔离电路驱动电路两路电机限流保护电源电路摇杆模块驱动器交互平台指令 串口并口图1系统整体框图Fig.1 Overall block diagram of the system2多模态交互系统硬件设计2.1交互平台的搭建人机交互平台的主控为STM32F103ZET6,由触屏、语音、摇杆三个部分组成,摇杆控制采用霍尔摇杆模块,连接驱动器主控
14、的ADC采集通道。语音控制模块选用LD3320语音芯片来接收语音信息并通过串口和STM32F103ZET6主控的串口2通信。LD3320是一款专用的语音识别芯片,集成了语音识别处理器和外围电路。触屏选用4.3寸触摸电容屏,通过16位80并口驱动,采用STM32F103ZET6的可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller,FSMC)来控制LCD触摸屏。2.2轮椅电机驱动器设计对于当前普通电动轮椅驱动器,只有摇杆单一控制模式,无法进行二次开发和功能升级,所井冈山大学学报(自然科学版)92以从智能性和安全性出发对轮椅驱动器进行设计和升级来满足开发者需求。驱
15、动器承担着指令接收和解析,传感器数据的采集和处理,程序任务的运行以及控制电机转动,是整个系统的核心部件。2.2.1驱动器主控电路考虑到成本和需求,选用STM32F013RCT6为主控芯片,它拥有最高72 MHz工作频率、较高的实时性和丰富的功能外设。主控系统包括由供电电路、系统复位电路、晶振电路、程序下载电路。2.2.2驱动器电源电路本智能轮椅采用24 V蓄电池供电,但主控芯片需要3.3 V电压供电,隔离电路需要5 V电压供电,电机驱动芯片需要15 V供电,所以电源转换电路的稳定工作是整个驱动器正常运行的关键保证。本驱动器电源电路如图2所示,24 V转5 V电路选用MC34063降压芯片,其输
16、出电压值可通过R60和R61的阻值来调整,改变后的电压值符合:Vout=(1+R61/R60)*1.25 V。通过计算选定R61和R60的阻值分别为2.7 K和0.9 K,可以输出Vout为5 V。电路中R50、R53、R54组成限流电阻,通过改变限流电阻的大小来改变限流值。Switch Collector1Switch Emitte2Timing Capacitor3GND4Comparator Inverting Input5VCC6Ipk7Driver Collector8U12MC34063D29M7R50R53C43D30S14C52C53R6112F1FL1C39IN3OUT2GN
17、D1OUT4U15ASM117-3.3R54GNDR60C55C56GNDVCC24-2VVCC5VGNDC47GNDVCC3.3VGNDGNDR44C38GNDVin1GND2Vout3GH16DU10GNDR49R52GNDGNDR45R48C44GND213Q1312Q2C37VCC-15VC42GNDD23M7I/O11TAP12I/O13I/O24TAP25I/O26K2PB1412H6DCVCC24-2VGND图2驱动器电源电路图Fig.2 Driver power circuit diagram2.2.3电机驱动电路本系统采用了两个24 V直流供电的250 W大功率直流有刷电机,
18、改变直流有刷电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术,但主控输出的PWM信号无法直接驱动电机转动,电机驱动电路就是将功率比较小的PWM信号经过电路设计能够输出驱动电机的大功率信号。相当于主控和电机之间的桥梁,主控通过改变PWM通过驱动电路便可以获得电机不同的转速。左右两电机驱动电路原理相同,可以互用。电机驱动电路主要由光耦隔离电路、H桥式驱动电路和电流采集电路3部分构成如图3所示。光耦隔离电路在图3中由两部分组成,分别是U8和U14,U8选用高速光耦,输入端连接单片机主控,接收PWM信号,经过U8内部光耦隔离电路之后输出与PWM电平相反的信
19、号。因为隔井冈山大学学报(自然科学版)93离芯片内部电路是通过发光二极管来控制导通和关断,所以输出信号和输入信号不直接连接,从而起到保护主控电路的作用。另外一个隔离元器件U14选用PC817,用来隔离IR2104S芯片的控制引脚。其中U8和U14采用接入不同的地端,GND和DGND之间通过0电阻连接,保护电路的安全性。H桥驱动电路中采用IR2104S驱动MOSFETIRF3607形成全桥驱动电路,由电机驱动原理可知,一个完整的H桥驱动电路需要两片MOS驱动芯片。图3中U9和U11为IR2104MOS管驱动芯片,两个半桥高端MOS管的源极和低端MOS管的漏极共同连接电机的两端,低端MOS管的源极
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