摘要
随着科技发展，传统轮椅逐渐被使用更为便利的电动轮椅取代，而智能化技术的发展，给电动轮椅带来巨大变化，各种智能化电动轮椅陆续出现。本文基于STM32单片机设计了一个电动轮椅防撞系统，该系统大致可分为八个部分：单片机控制模块，供电模块，电机驱动模块，超声波测距模块，液晶显示模块，网络通信模块，电量报警模块和GPS定位模块。该系统使用
STM32F103C6T6最小核心板作为主控模块，通过，MX1508驱动模块控制FC130SA电机转动，使用HC-SR04超声波测距模块测量障碍物距离进行避障，并可将GPS定位信息和电量信息传到云平台，对轮椅的实时状态进行监控。通过一系列的试验表明，本文所设计的电动轮椅防撞系统具有使用简便、系统稳定、成本低廉等优点。
【关键词】电动防撞轮椅 STM32单片机 GPS 云平台
1 绪论
1.1 研究背景
目前，我国逐渐进入老年化社会，同时由于意外事故频发，行动不便的患者普遍存在，因此智能轮椅的需求越来越大。随着社会智能化程度的提高，智能轮椅的自动避障问题越来越重要。我国是世界人口最多的国家，老龄化问题是我们必须面对的重大问题。据老龄委统计结果显示，截至2004年底我国60岁以上的老龄人已达到1.43亿[2]，占全国人口总数的10.97%以上，2010
年底我国老龄人口已有近1.6亿，约占人口总数的12%[3]。
另一方面，疾病、灾难也造成了大量行动不便的残疾人。对于他们来说，轮椅是一种非常有效的代步工具。轮椅不仅方便了家属移动和照顾病员，同时，轮椅也使行动不便人士可以进行简单的身体锻炼和康复性训练以及参与社会活动。这些都体现出轮椅是行动不便人士生活中必不可少的一种工具，是帮助他们提高生活质量的得力助手。
汽车防撞系统普通的轮椅需要人力推行，而长时间进行推行会给推动者的手臂造成一定的负担。后来电动轮椅出现了，其在普通轮椅的基础上增加了电机驱动系统，由电机带动轮椅移动，这大大减轻了使用者的负担。但随着新需求的出现，电动轮椅已经越来越无法满足行动不便人士的需求，随着电动轮椅不断的智能化并且提高了行动不便人士的生活质量，智能轮椅就成为了新的发展方向。与普通电动轮椅相比，智能化轮椅系统的研究与开发正往智能化、人性化、模块化、产品化这几个方面发展。
1.2研究意义
行动不便人士这一人在社会上属于弱势体，我们应该给与他们更多的关爱。他们需要依靠轮椅才能过上更接近普通人的生活，轮椅为他们带来了便利，是提高他们生活自理能力的一大助力。而随着轮椅性能的提高，他们的生活也日渐恢复更多的彩。
此外，由于智能轮椅在普通电动轮椅的基础上加入了许多智能化技术，与普通电动轮椅相比，它具有一定的自主决策性，使用起来更容易上手。智能轮椅的自主性、适应性、便利性等特性，使得轮椅的操作变得更为简单安全，这会极大地提高了以此作为代步工具的人的生活质量，帮助他们重获自理能力，使他们更容易融入社会[4]。
因此，去研究一种功能较为全面且安全可靠、性能优越、操作简单、价格低廉，具有一定智能性去辅助使用者操作的智能电动轮椅，是具有十分重要的研究价值和意义的。
1.3研究现状
在国外，电动轮椅的研究起源于二十世纪四十年代，那时候汽车电池和电机被用于制作简单的电动轮椅，这些处于研究初期的电动轮椅只能以固定速度运行，无法进行速度调节[5]。后来，随着单片机的诞生，大批电子产品的研究达到了高潮，而电动轮椅便是其中的一员。
我国在智能化轮椅方面的研究，总体而言时间短、起点低，但经过30年的研究也取得了一定的进步，凭借自己的技术优势，已经开发出一些接近国外先进水平的智能轮椅[6]。
目前，在国内市场上销售的轮椅有价格在400左右的传统手推式轮椅、2500左右的普通电动轮椅以及7000以上的有许多特有功能的智能轮椅。其中有不少智能化轮椅需要进口，在国内市场上目前智能化轮椅还有许多的发展空间。
2 系统总体结构
2.1 系统结构
系统硬件使用的内核是ARM32位Cortex-M3 CPU的STM32最小系统板STM32F103C6T6。系统的主要功能由主控芯片接收超声波测距模块传来的数据再控制电机做出响应来实现，通过超声波测距模块获取前方障碍物距离再控制电机实现避障功能，通过GPS模块获取轮椅位置信息再上传到云平台，可以通过终端观察到轮椅的实时信息。本设计的电动轮椅防撞系统的系统框图如图1所示。
图1电动轮椅防撞系统的系统框图
2.2 STM32单片机
STM32单片机是由意法半导体（ST）公司专门对要求高性能、低成本、低功耗的产品进行有针对性的研发而出的，主流集成的内核有ARM Cortex-M0，M3，M4和M7系列，分别针对不同客户的需求所分类。本系统采用基于Cortex-M3系列的STM32F103C6T6。
3 系统的硬件设计
3.1 测距模块
在设计中，传感器测量出的障碍物距离是避障功能的重要参数，测距传感器的选型对避障功能有直接的影响，下面是测距传感器的选择方案。
方案1：超声波测距传感器。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生明显反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应[7]。超声波检测被应用在很多的领域，而超声波传感器必须产生超声波和接收超声波才能完成对物体的探测。利用超声波反射这一原理进行反射波接收便可知道检测方向上有物体并从检测时间上可得出两者间的距离，这就是超声波传感器。
方案2：激光测距传感器。激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经过目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测到极其微弱的光信号[7]。与超声波测距相似，从光脉冲发出到返回的时间可得知两者间的距离。由于光速太快，所以激光传感器使用时要求传输时间的测定必须精确，否则测量结果会有很大的误差。
方案3：红外测距传感器。由于红外信号遇到物体的距离不同时，反射的强度也不同的，红外传感器便是利用这一特性实现障碍物远近的检测的。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到单片机，单片机即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化[7]。
对以上三种备选方案分析后发现，激光测距传感器是测量精度最高的，但由于对单片机的性能要求比较高，考虑到这导致系统硬件模块性能参差不齐并且会拉高整体的成本，而本系统应该使用更为亲民的模块，所以认为这种测距传感器不适用与本系统的障碍物测量。而红外测距传感器和超声波测距传感器各有好处，经过多方面考虑后，最终将更为常用的超声波测距传感器作为此系统所要选用的测距模块。
HC-SR04传感器实物图如图2所示：
图2 HC-SR04传感器
性能指标：
表1HC-SR04电气特性
参数数值
工作电压5V
工作电流15mA
工作频率40Hz
测量距离2cm-4m
感应角度不大于15度
引脚介绍：
表2HC-SR04引脚说明
引脚名称说明
GND 接地
Trig控制端
Echo接收端
VCC 接电源，5V 超声波时序图：
模块工作原理：
（1）从时序图可知，触发测距需要给Trig端超过10us的高电平信号。（2）模块自动循环发送8个40KHz的脉冲方波。
（3）模块Echo端输出高电平并发出超声波，计算Echo端的置位时间。（4）接收超声波回响信号，Echo端复位。
（5）根据Echo端置位时间计算出障碍物距离。
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