摘要
我国正逐步进入人口老龄化社会，对于多数老年人和肢体残障人士来说，轮椅已经成为了一种不可或缺的代步工具。为了提高老年人和残障人士生活质量，对于轮椅智能化的研究不断深入，环境感知是其中一项重要的研究内容，它是实现主动避障、路径规划等智能功能的基础，可以排除安全隐患。现有环境感知系统应用于轮椅上大多会出现经济性差，硬件要求高等问题，本文从智能轮椅的安全性、经济性角度出发，设计了一种基于超声波检测技术的障碍检测系统。 本文首先讨论了视觉检测、激光雷达检测、红外测距、超声波测距这几种环境感知技术的特点，选择环境适应性较强、经济性好的超声波测距技术作为本文主要障碍物检测技术。介绍了智能轮椅的研究现状、超声波的基本概念和测距原理，并分析了超声波测距误差来源及解决办法。针对智能轮椅的结构特点及性能要求完成了智能轮椅障碍检测系统总体方案的设计，其中包括人机交互模块、障碍物检测模块、通讯模块、轮椅驱动模块、电源模块及机械结构。 然后基于STM32F103CBT6芯片设计了智能轮椅障碍检测系统的主控制器和超声波传感器，并分别从硬件电路和软件算法两方面进行了详细介绍。硬件电路部分主要工作为：完成MCU最小系统电路、电源电路、通讯电路、人机交互模块电路、超声波收发电路等模块的原理图设计和PCB板设计。软件算法部分主要工作为：通过Hilbert变换求包络、滤波、回波起点搜索、温度补偿等算法实现了超声波传感器对障碍物距离的精准测量，利用CAN总线实现了多路超声波、主控制器、电机驱动器之间的数据传输，使用语音模块和显示器完成了障碍物预警工作，设计了一种基于多传感器融合运动控制算法，提高了轮椅的安全性。 最后，搭建实验平台，对智能轮椅障碍检测系统进行测试。完成了超声波传感器的精度实验和测距角度实验，在0.26~2.5m范围内可以稳定测得平面型障碍物的测距且相对误差不超过1%，在0.9m范围内检测角度不小于45.8度，在2.5m处的检测角度为15.4度。完成了障碍物检测系统的功能测试，实验结果表明该智能轮椅障碍检测系统可以实现正前方等六个方位的障碍物检测及预警工作，其融合运动控制算法可以在发生碰撞之前完成轮椅制动，提高了轮椅的安全性。
NETL