基于麦克纳姆轮和LPC 芯片控制的智能轮椅

李哲林，张倩倩，王子涵，朱聪强，李春华

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽宣城 242000）

0 引言

随着老龄化问题的日益严重，养老逐渐成为影响国家经济、政治以及社会发展的重要问题。在这样的大环境下，轮椅行业开始发挥出越来越重要的作用：当老年人在家康复训练时，出门时，外出锻炼活动时，轮椅都是他们重要的移动工具。对于瘫痪、中风以及体弱的老年人，轮椅更是可以帮他们改善生活自理能力，使他们重获希望从而早日回归社会，它在塑造积极向上的态度方面具有非常积极的意义。在此基础上，设计出一款集安全、舒适、便捷于一身的新型智能轮椅，其中与麦克纳姆轮和云端监测技术的结合是它最大的亮点。

1 电动轮椅优缺点

电动轮椅问世以来，受到绝大多数消费者的好评，但其中自然也不乏非。对此进行过长期市场调研，发现其受众相对较广，但电池大都以铅酸蓄电池为主，虽然可以回收，但是容量太小，因而轮椅体积都较大，移动性、转向性都大打折扣。而最近几年出现的锂电池驱动轮椅，相较而言价格又过高，在短期内这个情况还很难改变。同时，现有的电动轮椅既没有与WiFi 通信相接轨，也没有GPS 定位，更没有引进更便于移动的麦克纳姆轮。

综上我们认为，可以站在保障老年人群体与残障人士切身利益的角度，用创新的眼光和思维，将麦克纳姆轮与APP、WiFi通信等专业技术相匹配、结合，在已有轮椅构架的基础上，设计出更安全、更便捷、更多功能、更适合消费者的智能轮椅。

2 控制系统原理构成

2.1 系统构件的选择

使用NXP 推出基于ARMRCortexR-M4 内核、带有高级外设的节能型MCU（LPC546xx MCU Family）设计轮椅功能。该器件DSP 功能在数据密集型应用中支持复杂算法。能够灵活地适应各种设计要求变化。智能轮椅需要4 个麦克纳姆轮，4 个电机，4个编码器测速，LPC54606 可以完成此设计。

2.2 麦克纳姆轮移动原理概述

麦克纳姆轮的特点是每个轮子都有自己独立的驱动电机，在驱动力和摩擦力共同作用下，车体可以实现向任意方向移动。这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，通过机轮间力的转化，同时依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4 个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

基于麦克纳姆轮新型技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等多种运动方式。在此基础上通过其研制的设备非常适合转运空间较有限、作业通道狭窄的室内外环境。

2.3 系统原理组成

图1 为项目所研究的实物智能轮椅，该实物仅搭建了主要的机械骨架以及控制电路和相关的传感器。项目研究使用其实现了下面所述的相关功能，该实物仅为验证思路的载体。

智能轮椅控制系统主要由信息显示部分、无线通信部分、传感部分和执行机构部分四大部分组成。

图1 智能轮椅实物

图2 显示了控制系统的方框图，其中信息显示部分的功能主要由触摸显示屏发挥作用，该触摸显示屏（以下简称操作屏）通过数据总线与控制器LPC54606 连接，从而实现指令的输入和相关信息的显示，以达到人机交互的目的。

无线通信部分采用了广州机智云公司的机智云平台，使用ESP8266-12F WiFi 芯片作为通信载体，其工作原理是通过串行通信与控制器进行通信，以获取相应的数据信息（如环境感知模块里的GPS 定位坐标数据等），该芯片再将获取的数据通过连接路由器发送到机智云平台的服务器里面，这样监管者移动端就可以调用相应的接口去获取数据，并将数据存放到相应设备标识码的数据库中去。

图2 控制系统原理方框

传感部分主要是由一些采集模块所组成，其中包含GPS 定位模块、超声波传感器和摄像头模块等。该部分需要对使用者位置信息进行采集，以及对使用者的视频监控，去确保使用者的安全。另外超声波模块和编码器传感器地使用以确保系统安全可靠的运行，其中超声波模块对障碍进行感知，编码器对轮椅的车速进行控制。

执行机构部分是实现轮椅运动的关键部件，其由4 路直流电机和麦克纳姆轮构成，通过操作屏或者操纵杆使用移动端的控制，发送控制命令给控制器，继而控制器再对直流电机进行控制，这样就可以实现对麦克纳姆轮的控制，已实现相应的运动，从而避开障碍，灵活移动。

以上就是对系统原理组成的详细阐述，总的来说，该智能轮椅的系统原理构成较为简洁，可能在实际使用过程中还需要不断修正和校对，但在实验阶段其已基本实现了上面所阐述的功能。

3 移动端APP 开发

智能轮椅除了操作屏和操作杆可以控制轮椅以外，还配备了蓝牙通信，可实现轮椅使用者使用手机通过蓝牙连接轮椅进行控制，以实现更多的功能。

图3 使用者移动端

图4 监管者移动端

图5 使用者移动端APP 开发框架

所提到的移动端包含使用者移动端和监管者移动端两部分，该移动端的开发语言均采用C++计算机语言，调用Qt5 跨平台开发库接口，完成移动端APP 的开发。在设计中，每一个轮椅都将会有独一无二设备标识码，该设备标识码分别用于使用者移动端的登录和监管者移动端的登录，另外该设备标识码也被用于在使用者没用使用移动端的时候，用于验证轮椅的用户信息，以便可以通过操作屏，利用ESP8266 物联网芯片将数据进行上传到相应设备标识码的数据库中，这样监管者移动端也就可以访问请求的数据。

图3 显示了所设计的使用者移动端APP 界面，特别要说明的是，这里的用户名与设备标识码等同，界面首先会进行身份验证，以确保信息安全以及对数据的上传。进入控制界面之后，采用虚拟方向轮作为控制轮椅的构件，方向设定完毕以后，在运行过程中也可以通过加减速按钮，从而进行对轮椅运动速度的控制。在设置界面，提供紧急呼叫、位置定位和与轮椅通信的蓝牙连接设置等服务，但由于前期开发比较粗糙，在功能上还比较单一。

图4 显示了所设计的监管者移动端APP，和使用者移动端类似，监管端也采用设备标识码作为用户名进行登录，以保证信息的对称，监管端APP 的功能目前主要用两种功能：一方面是接收使用端所发出的警报，另一方面是接收使用端的位置信息。

图5 和图6 分别显示了该系统使用端和监管端APP 的开发框架。

在整个系统开发中，为每一个智能轮椅都建立了唯一设备标识码所对应的数据库，用来存放其用户信息、位置信息和状态信息等，这样就可以实现对智能轮椅的云监管和智能控制。总而言之，两移动端基本上已经满足了初步设计的需求。

4 创新点和应用价值

采用麦克纳姆轮，能够解决传统轮椅转弯、掉头极其不便利的问题，使坐在轮椅上的人可以同正常人一样自由水平移动，当遇到直角转弯的时候，可以直接水平移动，免去绕直角转动。掉头的时候也免去绕一大圈运动，可以直接原地掉头，这样一来便可以让残障人士享受身体健全者的待遇。

轮椅APP 中包含GPS 定位和紧急呼救等多方面功能，既方便监护人对家属的位置监控，也便利于独处时遇到危急时刻，使用者能够自主求救。

使用人机交互操作屏、操作杆以及移动端控制三种方式控制轮椅运动，使得系统操作更加灵活方便。

5 结束语

作为创新型实用训练项目，采用新一代麦克纳姆轮作为驱动轮，使得轮椅结构变得更加紧凑。智能轮椅系统采用LPC54606 控制芯片、ESP8266WiFi 芯片和蓝牙技术，实现了软硬件的交互，使得智能轮椅具有环境信息捕获、对信息的处理、对数据的上传和存储等基本功能，另外还采用了人机交互操作屏、操作杆以及移动端控制三种方式控制轮椅运动，使得系统操作更加灵活方便；另外轮椅与移动客户端相连实现了云监测，采用监管端APP 对轮椅的状况进行监测，从而有力地确保了轮椅使用者的安全。该智能轮椅的实际应用将可为广大残障人士带来更好的服务，系统经过初步验证已达到了设计基本的目的。

图6 监管者移动端APP 开发框架