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            基于單片機的老人出行智能助手的設計

            作者:劉杰,林佳穎(天津科技大學電子信息與自動化學院,天津 300222)時間:2021-07-27來源:電子產品世界收藏
            編者按:介紹一種采用模塊化設計,為老年人出行提供便利的智能助手。它包括主控模塊、電源模塊、驅動模塊、避障模塊、跟隨模塊、定位模塊、報警模塊等,能夠實現適量載物、自主跟隨、自動避障、超出連接范圍警報、一鍵求助、充當移動座椅等功能。它可以有效解決老年人出行不便,拖拽行李困難,行李易丟失等問題。必要時可通過智能行助手發出求助信號。


            本文引用地址:http://www.snowlakeshores.com/article/202107/427162.htm

            0   引言

            身體素質較差,行動不便,但日常生活中仍有出行需求,如買菜、購物等。

            為了減輕老人出行的負擔,使行李的托運更加方便化、智能化,對傳統行李箱進行有針對性的改進,設計一款專門為服務的小型。為控制核心,可以在人流密度相對較小的場合下實現自動跟隨,遇到障礙自動避開;在和主人距離較大時發出提示,避免跟丟;同時在老人疲累時,的上表面可以充當臨時座[1-2],供老人休息;老人需要幫助時可按下箱體上的求助按鈕,求助信號接收人可通過GPS 定位信息找到老人。

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            圖1 老人出行智能助手

            2.1 主控模塊

            主控采用Arm Cortex-M3 內核的STM32F103ZET6[3]。最高頻率72 MHz,內置高速存儲器,具有功能強大、響應快、低功耗、工作溫度區間寬等優勢。由于有2 個基本定時器、3 個通用計時器及2 個高等定時器,且每個通用定時器都有4 個通道用于輸入捕獲或輸出比較;自帶編碼器模式;2 個高級定時器可實現死區控制和緊急剎車;因此廣泛應用于電機驅動和應用控制。

            2.2 定位及報警模塊

            采用ATK1218-BD GPS+ 北斗雙模擬定位模塊,定位精度可達2.5MCEP,捕獲追蹤靈敏度可達-165 dBm,通過外界有源線可在上電后幾秒內實現定位[4],并通過串口將位置信息發送到,再由單片機處理后再次發送。

            報警系統可在單片機上連接蜂鳴器電路實現。蜂鳴器電路如圖2 所示,用NPN 三極管(S8050)驅動,R33 主要用于防止蜂鳴器的誤發聲。

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            圖2 蜂鳴器電路

            2.3 驅動模塊

            驅動模塊由直流編碼電機及TB6612 電機驅動組成[5]。12 V 電源通過VM 向電機供電,5 V 電源通過VCC 電機驅動芯片供電,同時STBY 端需高電平使其正常工作。AIN1、AIN2、BIN1、BIN2 分別連接至單片機的I/O 口,控制A、B 兩個電機的轉向;PWMA、PWNB 分別控制A、B 電機的轉速。電機的AB 相連接單片機,以實現偏碼測速,如圖3 所示。

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            圖3 電機驅動原理圖

            2.4 避障模塊

            避障功能主要由分別位于箱體前方左側、前方中部和前方右側的3 個超聲波傳感器實現,向超聲波模塊TRIG 引腳發送至少10 μs 的高電平信號,同時開啟定時器。模塊會自動發送8 個40 kHz 的方波并自動監測是否有返回信號。若有返回信號則ECHO 引腳會輸出一個高電平信號,此時關閉定時器,即可讀出時間t。利用公式distance=V×t/2 (V=340 m/s) 可以求出障礙物與箱體的距離,該超聲波傳感器可監測距離為0~500 cm。結合3 個位置的超聲波傳感器監測結果,可實現智能助手的可靠避障。

            2.5跟隨模塊

            如圖4 所示,采用SWM1 000 定位模塊實現對老人的定位跟蹤。該模塊是一款基于UWB(超帶寬技術)[6]的無線收發模塊,可實現高精度無線定位及測距功能,支持多基站和多標簽。

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            圖4 SWM1000定位模塊

            在智能助手內部安裝3 個基站,用戶攜帶一個標簽。該標簽可以從不同角度、距離獲得基站的位置信息?;緦@得的信息傳送給單片機,單片機控制驅動模塊運動。用戶在智能助手的右側,則右轉;用戶在智能助手的左側則左轉;用戶在智能助手的前方則直行。在該過程中接收超聲波避障的中斷請求。

            同時,利用定位模塊的距離檢測功能實時判斷用戶與智能助手的距離,如果大于6 m 則觸發報警系統。

            2.6電源模塊

            采用12 V 鋰電池供電[7],該鋰電池具有過流保護、過壓保護、短路保護、溫度保護等功能;最大輸出功率達3 000 W,可使智能助手連續運行1.5 h 以上。當電力不足時電源指示燈會由綠色變為紅色。

            電池直接向TB6612 電機驅動模塊供電,同時通過LM2596S 模塊降壓,為單片機及其他低壓模塊供電。

            3   軟件設計

            3.1 系統程序設計

            打開總電源后,首先檢測電量是否充足,若電量不足,則電源指示燈呈紅色閃爍狀態,提示用戶充電后使用;若電量充足,電源指示燈呈綠色常亮狀態,系統開始初始化,3 個基站與標簽自動連接。隨后開始跟隨用戶運動。在跟隨運動期間,如超聲波傳感器監測到前方有障礙物,優先執行避障程序[8],避障成功后繼續自動跟隨。如果用戶與智能助手距離超過6 m,則觸發報警系統。程序設計流程圖如圖5 所示。

            3.2 自動避障程序設計

            當3 個方位的超聲波傳感器檢測距離均大于警戒值時,程序不進入避障環節,由自動跟隨模塊驅動智能助手前進。當至少1 個超聲波傳感器檢測的距離小于警戒值,則根據不同的情況作出不同的避障動作及速度調整。避障部分的程序流程圖如圖6 所示。


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            圖6 避障部分的程序流程圖

            4   結束語

            該智能助手專為設計,具有體型小巧、操作簡單、功能實用等優點。老人出行前只需將要帶的東西放入智能助手的儲物間中,打開電源按鈕,智能助手即可自動跟隨老人移動,為老人的出行提供方便。如果老人走累了,可以隨時坐在平坦且堅硬的坐蓋上休息。如果老人需要幫助,或者身體突然出現狀況,可以通過按鈕,親屬可以根據智能助手上的GPS 定位找到老人,提供幫助。此外,箱體上還有2 個較大的上樓輔助輪,可以為老人上下樓省去很多力氣。這樣一個集便捷出行、安全防護等功能于一體的老人出行智能助手必將受到社會的認可,具有廣闊的市場前景。

            參考文獻:

            [1] 趙占西,黃明宇.作品造型設計材料與工藝[M].北京:機械工業出版社,2016.

            [2] 陳關龍,包友霞,林忠欽,等.智能行李箱蓋板大變形區域的壓延筋結構研究[J].上海交通大學學報,1998(11):144-147.

            [3] 吳國經.單片機應用技術[J].北京:中國電力出版社,2004.

            [4] 沈磊賢,龐佳逸,張卿云,等.基于北斗導航的定位服務平臺設計與實現[J].計算機技術與發展,2019(01): 173-177.

            [5] 吳紅星.電機驅動與控制專用集成電路及應用[M].北京:中國電力出版社,2006.

            [6] 吳微威,王衛東,衛國.基于超寬帶技術的無線傳感器網絡[J].中興通訊技術,2005,11(04):28-31.

            [7] 賈英江,傅孝忠,王耀濟,等.鋰電池充電方法分析[J].科技資訊,2009(02):123-123.

            [8] 劉芳,張田田,牛夢豪.基于STM32的智能循跡避障小車[J].科技風,2019(19):18.

            (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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