摘要

本文介紹一種采用模塊化設(shè)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(qū)動模塊、避障模塊、跟隨模塊、定位模塊、報警模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)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(dāng)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(fā)出求助信號。

關(guān)鍵詞：老年,單片機,智能助手,自動駕駛,一鍵求助

作者：劉杰、林佳穎，天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院

老年人身體素質(zhì)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(fù)擔(dān)，使行李的托運更加方便化、智能化，對傳統(tǒng)行李箱進行有針對性的改進，設(shè)計一款專門為老年人服務(wù)的小型智能助手。

智能助手以單片機為控制核心，可以在人流密度相對較小的場合下實現(xiàn)自動跟隨，遇到障礙自動避開；在和主人距離較大時發(fā)出提示，避免跟丟；同時在老人疲累時，智能助手的上表面可以充當(dāng)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。

1 系統(tǒng)工作原理

通過箱體上的超聲波模塊對前進方向的障礙物信息進行檢測并傳回單片機，單片機通過控制直流電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向控制智能助手的運動，實現(xiàn)避障；自動跟隨則通過自動跟隨模塊實現(xiàn)；GPS模塊用來實現(xiàn)定位和求助功能；電源模塊為系統(tǒng)供電。再配合軟件系統(tǒng)及其他部件實現(xiàn)老人智能助手的各項功能。智能助手示意圖如圖1所示。

圖1 老人出行智能助手

2 硬件設(shè)計

老人智能助手采用模塊化設(shè)計，包括主控模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊、避障模塊、跟隨模塊、定位模塊、報警模塊等。

2.1 主控模塊

主控采用Arm Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機[3]。最高頻率72MHz，內(nèi)置高速存儲器，具有功能強大、響應(yīng)快、低功耗、工作溫度區(qū)間寬等優(yōu)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(xiàn)死區(qū)控制和緊急剎車；因此廣泛應(yīng)用于電機驅(qū)動和應(yīng)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-165dBm，通過外界有源線可在上電后幾秒內(nèi)實現(xiàn)定位[4]，并通過串口將位置信息發(fā)送到單片機，再由單片機處理后再次發(fā)送。

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

圖2 蜂鳴器電路

2.3 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊由直流編碼電機及TB6612電機驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)向；PWMA、PWNB分別控制A、B電機的轉(zhuǎn)速。電機的AB相連接單片機，以實現(xiàn)偏碼測速，如圖3所示。

圖3 電機驅(qū)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(cè)、前方中部和前方右側(cè)的3個超聲波傳感器實現(xiàn)，向超聲波模塊TRIG引腳發(fā)送至少10μs 的高電平信號，同時開啟定時器。模塊會自動發(fā)送8個40kHz 的方波并自動監(jiān)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(guān)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(jiān)測距離為0~500cm。

結(jié)合3個位置的超聲波傳感器監(jiān)測結(jié)果，可實現(xiàn)智能助手的可靠避障。

2.5 跟隨模塊

如圖4所示，采用SWM1000定位模塊實現(xiàn)對老人的定位跟蹤。該模塊是一款基于UWB（超帶寬技術(shù)）[6]的無線收發(fā)模塊，可實現(xiàn)高精度無線定位及測距功能，支持多基站和多標(biāo)簽。

圖4 SWM1000定位模塊

在智能助手內(nèi)部安裝3個基站，用戶攜帶一個標(biāo)簽。該標(biāo)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(qū)動模塊運動。用戶在智能助手的右側(cè)，則右轉(zhuǎn)；用戶在智能助手的左側(cè)則左轉(zhuǎn)；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(fā)報警系統(tǒng)。

2.6 電源模塊

采用12V 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3000W，可使智能助手連續(xù)運行1.5h以上。當(dāng)電力不足時電源指示燈會由綠色變?yōu)榧t色。

電池直接向TB6612電機驅(qū)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(shè)計

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)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(tài)，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(tài)，系統(tǒng)開始初始化，3個基站與標(biāo)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(jiān)測到前方有障礙物，優(yōu)先執(zhí)行避障程序[8]，避障成功后繼續(xù)自動跟隨。如果用戶與智能助手距離超過6m，則觸發(fā)報警系統(tǒng)。程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

3.2 自動避障程序設(shè)計

當(dāng)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(huán)節(jié)，由自動跟隨模塊驅(qū)動智能助手前進。當(dāng)至少1個超聲波傳感器檢測的距離小于警戒值，則根據(jù)不同的情況作出不同的避障動作及速度調(diào)整。避障部分的程序流程圖如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

圖6 避障部分的程序流程圖

4 結(jié)束語

該智能助手專為老年人設(shè)計，具有體型小巧、操作簡單、功能實用等優(yōu)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(xiàn)狀況，可以通過按鈕一鍵求助，親屬可以根據(jù)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(rèn)可，具有廣闊的市場前景。