智能电动撑伞轮椅系统的设计研究

张文静，王朝阳，李雪松

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引 言

本论文的选题是智能电动撑伞轮椅的研究。

本研究是在电动轮椅基础上增加可根据当地实时天气情况自动开伞的装置，包括撑伞装置、电动轮椅、GPS 定位装置、红外接收端、传感器。可用遥控器或者手机对轮椅进行操纵使其开伞或闭伞，也可以调整开伞模式为自动，当太阳曝晒、下雨或下雪时，传感器通过GPS 定位接收当地天气预报信号，当感知未来半小时内有雨或气温高于30℃时，天气预报信息转为是否开合伞的电信号，从而实现伞的张开与闭合。

该项目主要利用了卫星定位技术、温度传感技术、自动化技术等现代化新型技术。智能撑伞轮椅通过卫星定位系统将位置信息转化为天气预报信息，进而将天气预报信息转变为伞开关撑开或闭合指令的电信号，从而实现轮椅的伞的撑开与闭合。作品研究内容、理论依据、技术方案、主要技术指标等均得到科学解决。下一步将通过调查了解目前技术的应用是否符合大部分人的要求，是否满足大部分使用者的需要，从而进一步升级并实现该轮椅的应用。

1 研究的背景及发展现状

随着人口老龄化的发展趋势，轮椅越来越成为每个家庭的需要。随着智能轮椅的出现，越来越多的用户需求难关被逐一突破。此项目将轮椅的使用与卫星定位技术、传感技术、自动化技术等相结合，实现智能撑伞轮椅的具体应用。它能实现从制造业领域到医学领域、从残障人士到正常人、从理想到现实的应用。相比一些发达国家，我国电动轮椅起步晚。没有领先的技术，往往受制于人，而且价格高昂。但自从我国加入世贸组织，我国的电动轮椅行业发展得到了提升。目前我国的轮椅产业到达了稳定期，产量和出口持续增长。

2 总体设计分析

2.1 功能需求分析

随着消费能力提升、消费观念转变，我国市场对电动轮椅的需求快速增长，轮椅市场升级趋势明显。尽管相较于手动轮椅，电动轮椅的便利性较高，但其在使用功能方面仍存在较大不足，市场对舒适、安全性高、辅助性好、容易操作的智能轮椅的需求愈发迫切。传统的电动轮椅的缺点是雨雪天气出行不便，需要自己打伞或者穿雨衣出门，既危险又麻烦，如果轮椅能够自动撑伞，那会方便很多，同时可对轮椅底座进行特殊处理就会方便又安全。

2.2 系统总体设计

智能撑伞轮椅通过温度传感器将温度信息转化为电信号，从而将温度信号变为智能撑伞轮椅的伞开关是否闭合的相关指令，从而实现轮椅的伞的撑开与闭合。智能撑伞轮椅主视图如图1 所示。

图1 智能撑伞轮椅主视图

本装置涉及主控芯片、传感器模块、动力模块、电源模块四大模块。其中包括伞主体部分、撑伞控制装置部分、轮椅主体部分以及接收器部分四大部分。

该装置的顶端（即1—伞主体部分）为撑伞部分，由撑伞控制装置部分控制，为黑色涤纶材料，可以有效地抵御紫外线对人们的伤害，以及防止雨水滴落到人身上。

该装置的主体（即2—撑伞控制装置部分）为本智能撑伞轮椅系统的动力部分，可以实现轮椅中雨伞的开合，本模块由传感器模块传感，由主控芯片控制，在轮椅靠背内置收缩式遮雨装置，小巧不占空间，也不影响轮椅的舒适度。在其两边安装支架，在支架下面安装可控电机由电机撑起支架从而撑起雨伞，实现可控雨伞。从而实现不需人的干预就可以实现伞的自动开合的动力装置。

其次，轮椅主体（即3—轮椅主体部分）为此系统中的轮椅部分，其中一部分为常见轮椅所共有的部分，可以帮助残疾人或腿脚不方便的老年人乘坐。另一部分则由主控芯片模块构成，通过传感器传感信号到主控芯片，由主控芯片控制该系统的动力模块，进而实现轮椅的撑伞与闭合。

最后为接收器（4—接收器部分）由接收器和传感器部分组成，接收器负责接收压力以及紫外线信号。而接收器部分由紫外线传感器以及雨滴传感器（接触式压力传感器）构成，将紫外线浓度信息以及压力信号转化为数字信号，输出给主控芯片，从而由AD 模块将数字信号转化为是否控制雨伞张合的动力信号，进而实现本装置系统中雨伞（伞主体部分）的开合。

2.3 系统主要原理

本装置主要依靠AD 传感器模块实现温度的传感，利用温度传感等多项技术实现智能撑伞轮椅系统的设计。传感器基本原理图如图2 所示。

图2 传感器基本原理图

雨伞模块为此系统的动力装置，可以实现轮椅中雨伞的开合。

传感器模块，此模块是电动轮椅能自动感应开合雨伞的关键所在，传感器模块分为两部分，一部分是紫外线传感器，另一部分是雨滴传感器。

紫外线传感器是基于光敏元件的光电导效应，轮椅上的接收装置接收光电信号，并将光信息转化为数字信号。当室外检测到紫外线达到一定程度可对人体皮肤造成危害时，紫外线传感器通过光导模式，将紫外线信号转化成电信号，同时电信号传输到两个电机，进而将伞撑开，并通过51 单片机实现。即当紫外线达到一定数值时，接收装置产生的数字信号会转变为控制轮椅雨伞装置开合的动力信号，进而实现和完成雨伞装置的开合。

雨滴传感器是基于Arduino 和51 单片机进行监控。接上5 V 电源，感应板上没有水滴时，DO 输出为高电平，伞正常，滴上一滴水，DO 输出为低电平，伞撑开。AO 模拟输出，可以连接单片机的AD 口检测滴在上面的雨量大小DO，TTL 数字输出也可以连接单片机检测是否有雨。

除此之外，雨滴传感器，也就是我们熟知的接触式压力传感器，通过51 单片机控制接触式压力传感器，当轮椅接收信号部分感知到压力信号，由接触式压力传感器将压力信息数字信号输出并控制雨伞装置动力模块，使雨伞装置实现张开。

该撑伞轮椅的智能之处在于轮椅通过GPS 定位获取当地的位置，从而获取到当地的天气状况，当该地天气预报有雨时，轮椅会监测到并且自动撑起雨伞，释放了双手，增加了便利性；同理，当天气预报当地的太阳光紫外线强度过高时，也会自动撑起伞进行遮阳。不需要的时候可以将模式调成手动模式，进行手动操控伞开和伞闭。

通过以上步骤，轮椅将电信号转化为撑伞的物理信号，可释放双手实现真正的智能。

2.4 AD 转换模块

AD 转换模块我们采用sigma-delta ADC 型，该型号的AD 转换精度最高，非常适合精度达到20 位以上的场合。

从图3 可以看出，Sigma-Deltal ADC 由差动、积分器、比较器组成，组成一个反馈回路。为了提供过取样，调制器在比模拟输入信号带宽高得多的速度下工作。该模拟输入差分（delta）与反馈信号（错误信号）相比较。这个比较所得到的差分输出被输入一个积分器。该积分器的输出随后被输入一个比较器。该比较器的输出同时向差速器发送一个反馈信号（错误信号），而其本身则输入一个数字滤波器。

图3 sigma-deltal 型AD 转换器原理图

这样的反馈回路旨在将反馈信号（错误信号）趋向为0。比较器的输出是1/0 的数据流。若1 密度高，则表示模拟输入电压高；如果0 密度越高，则模拟的输入电压就越低。然后将1/0 流输入数字滤波器，使1/0 流由高速率低精度的数字流转换为低速率、高精度的数字信号。

相关演示程序为：

2.5 基本原理框架

该轮椅的电源模块采用三菱AX11A 系列、输入AX11AC 输入32 点、响应时间25 ms 系列电源。

动力模块主要实现轮椅的前进后退和雨伞的开闭。动力模块采用24 V 直流减速电机，这种电机扭力大并且控制力强，能够很好地与控制模块链接，从机械方面来看，该电机具有很好的过载能力和平衡性，并且运行时噪音也小。

该智能轮椅的主控模块是基于STM32 的智能操作系统，选用的主控芯片是意法半导体公司（ST 公司）的STM32F103C8T6，该芯片具有较高的实时性、较低的功耗、丰富的片外扩展能力、强大的数据处理能力等。所有外围电路均与主控芯片相连，由主控芯片进行数据处理和控制。基本原理框架图如图4 所示。

图4 基本原理框架图

3 结 论

本论文从发展现状以及总体功能两方面进行分析，讲述了智能撑伞轮椅在当今时代的必要性并且对主要技术进行了分析。

该轮椅研发结果实现后，将打破智能轮椅的壁障，能更好地服务于残疾人士，使他们出行更加便利，不再担心天气状况。