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摘 要：残疾人出行主要靠轮椅，但是目前市场上或轮椅不够智能，或稍微智能一点轮椅价格昂贵，而且目前市场上的智能轮椅的功能都不够全面。所以基于单片机的全面智能轮椅是需要的，而且加入更能满足残疾人群的需要的声控模块，避障模块，GPS导航模块等会让轮椅更加智能化和实用化。声控模块能使不熟悉轮椅操作的老年人适应轮椅的使用；避障模块能够在存在盲区的情况下避免意外的发生；GPS模块能够让家人随时掌握使用人的位置，让家人放心。
关键词：语音识别模块； 避障模块 ；GPS模块； 51单片机
根据第二次全国残疾人抽样调查的数据公报显示，全国各类残疾人总数为8296万人，占全国总人口的6.34%。无论是老年人还是残疾人，由于肢体功能障碍，他们的日常生活都受到很大的制约，生存质量和生活自由度都有很大程度的降低。不仅给家人带来了护理负担，还有许多方面需要不断地求助于人。轮椅作为一种辅助代步工具，无论是老年人还是肢体功能障碍的残疾人对其的需求都十分迫切。手动轮椅和简的电动轮椅由于功能单一已渐渐无法满足使用者的需求。
在前期调研中我们发现虽然市场已经有类似本产品功能的产品，但是这些产品都没有全面的考虑到残疾人的需要。有的产品并没有声控功能，让一些不熟悉操作的人很难适应轮椅的使用；有的产品没有避障的功能，这对于残疾人来说将是一个很大的隐患，在使用轮椅的时候不可避免的存在一些盲区。
所以我们在设计声控智能轮椅的初始就想到了这些问题并且设计了相应的模块来克服这些缺点。所以我们不仅加入声控功能，同时加入了行为模块，可以使残疾人通过手机或者其他智能设备来操作轮椅的行动。
1.智能轮椅的总体设计
智能轮椅的组成包括主要有四个模块，即语音识别模块，避障模块，GPS导航模块，驱动模块。其中语音模块检测到的语音数据通过数据线发送到单片机，单片机进行相应的动作。避障模块利用光电传感器探测实现避障。GPS导航模块利用北斗双模模块作为定位接收设备实现此项功能。驱动模块利用全桥驱动原理设計动力电机驱动电路和方向电机控制电路两个部分。
2.智能轮椅的语音识别模块
本设计中语音识别模块起着检测识别语音的作用，语音模块检测到的语音数据通过数据线发送到单片机，单片机进行相应的动作。这个模块采用的语音识别芯片是 LD3320、语音通过麦克风输送到 LD3320，LD3320 将收到的语音进行数据分析处理后传到单片机进行相应的处理后，然后给电机驱动模块指令，使轮椅做出相应的反应（启动，关闭，前进，后退，向左，向右等）关系图如下图所示
语音识别程序设计中采用中断的工作方式，首先是进行初始化，根据LD3320 相应的操作，保证 LD3320 完成语音识别功能；然后写入关键词列表，不同的关键词对应一个相应的代码，代码可以相同，但是这个代码的值限定在 00H-FFH，支持50 个识别代码，每一个代码都是标准的普通话汉语拼音，汉语拼音之间用空格隔开；将相应的寄存器设置好了之后就可以开始语音识别，首先是设置麦克风的输入通道及其增益值，这个增益值可以设定为00H-7FH，一般要设置在50H左右，可以提高麦克风的音量、从而提高识别的灵敏度，但相应的误识别概率也会相应的增加，增益值越小麦克风音量也就越小，但是其误识别率也就比较小，而且只有近距离的情况下才能完成语的输入，否则的话麦克风将无数据输入； 当麦克风有数据输入，就会产生一个数据处理信号，进入相应的运算函数对采集到数据进行分析，处理，得到相应的语音数据。
3.智能轮椅的避障模块
我们选择四路红外探测光电传感器模块为智能轮椅和机器人等自动化机械装置提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。它使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，并使用LM339电压比较器（可以加入迟滞电路让它更加稳定）作为核心器件构中控电路。此系统具有多种探测功能较大的满足各种自动化、智能化小型系统的应用，并且此模块具有易于安装、使用简便的特点。
该传感器中的4 路分别独立工作，工作时不受数量限制；中控板与探头分开，安装位置不受限制； 模块高度≤10毫米；安全工作电压范围在3伏特至6伏特之间，驱动电流10-20mA。
4. GPS导航模块
4.1 定位
（1）通过定位导航服务，确定轮椅的具体位置。
（2）定位从安全性与可靠性考虑，此项目采用深圳市百年科技的BD-228款GPS北斗双模模块，它支持北斗二代和GPS的高性能集成模块，此模块是单天线卫星定位接收设备，具有GPS模块和BD模块及混合模式共三种定位模式，能满足全方位定位要求以及各类定位设备的需求，在一定程度上有助于提高定位的精度与稳定性。（如图3）
4.2 路径规划
（1）路径规划根据对环境的（局部）未知或已知分成全部路径规划和部分路径规划，全部路径规划方法：栅格法、自由空间法、拓扑法；部分路径规划方法：人工势场法、模糊逻辑算法。
（2）基于GPS定位以及超声波避障方式的组合实现智能轮椅的安全行驶，勘探环境，采用这种组合方式的导航，能够使轮椅更好的安全、有效的到达目的地。
（3）通过路径规划的比较，确定最优路径，之后通过语音播报告知轮椅主人的下一步路径和安全躲避身边障碍物的方法，安全到达目的地。
5.智能轮椅的驱动模块
驱动模块利用全桥驱动原理设计动力电机驱动电路和方向电机控制电路两个部分。
5.1动力电机驱动电路
动力驱动由后轮驱动来实现，负责小车的直线方向运动。后轮驱动电路是一个全桥驱动电路。由四个三极管组成四个桥臂， 控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。
5.2方向电机控制电路
方向控制由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮驱动电路也是一个全桥驱动电路， 控制前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转，当前轮电机正转，小车前轮朝左偏转；反之朝右偏转，当前轮电机停转，在弹簧作用下前轮被拉回到中间位置，保持直向。
6.结论
本研究完成了一种可躺、可立智能声控轮椅的机械结构设计，并成功研制了语音控制模块包括硬件和软件部分，实现了通过声音控制轮椅姿势转换和行驶。结合实验对轮椅的声控性能和成功率进行了验证。实验表明，该语音模块可以较好地用于轮椅的声控，在一定程度上方便了患者的使用。另外，此模块可以作为后续智能导航的基础，通过加装超声传感器进行测距、图像传感器进行地形捕捉，配合语音信号控制，完成多功能智能轮椅车的自主避障与自动导航。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家统计局.2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报.中国康复理论与实践[M].北京：中国康复理论与实践杂志社，2006.
[2] 吴玉韶.中国老龄事业发展报告（2013）[M].第1版.北京：社会科学文献出版社， 2013.
[3] 史雄. 城市社区居家养老服务的研究[D]. 上海：华东师范大学，2009.
关键词：语音识别模块； 避障模块 ；GPS模块； 51单片机
根据第二次全国残疾人抽样调查的数据公报显示，全国各类残疾人总数为8296万人，占全国总人口的6.34%。无论是老年人还是残疾人，由于肢体功能障碍，他们的日常生活都受到很大的制约，生存质量和生活自由度都有很大程度的降低。不仅给家人带来了护理负担，还有许多方面需要不断地求助于人。轮椅作为一种辅助代步工具，无论是老年人还是肢体功能障碍的残疾人对其的需求都十分迫切。手动轮椅和简的电动轮椅由于功能单一已渐渐无法满足使用者的需求。
在前期调研中我们发现虽然市场已经有类似本产品功能的产品，但是这些产品都没有全面的考虑到残疾人的需要。有的产品并没有声控功能，让一些不熟悉操作的人很难适应轮椅的使用；有的产品没有避障的功能，这对于残疾人来说将是一个很大的隐患，在使用轮椅的时候不可避免的存在一些盲区。
所以我们在设计声控智能轮椅的初始就想到了这些问题并且设计了相应的模块来克服这些缺点。所以我们不仅加入声控功能，同时加入了行为模块，可以使残疾人通过手机或者其他智能设备来操作轮椅的行动。
1.智能轮椅的总体设计
智能轮椅的组成包括主要有四个模块，即语音识别模块，避障模块，GPS导航模块，驱动模块。其中语音模块检测到的语音数据通过数据线发送到单片机，单片机进行相应的动作。避障模块利用光电传感器探测实现避障。GPS导航模块利用北斗双模模块作为定位接收设备实现此项功能。驱动模块利用全桥驱动原理设計动力电机驱动电路和方向电机控制电路两个部分。
2.智能轮椅的语音识别模块
本设计中语音识别模块起着检测识别语音的作用，语音模块检测到的语音数据通过数据线发送到单片机，单片机进行相应的动作。这个模块采用的语音识别芯片是 LD3320、语音通过麦克风输送到 LD3320，LD3320 将收到的语音进行数据分析处理后传到单片机进行相应的处理后，然后给电机驱动模块指令，使轮椅做出相应的反应（启动，关闭，前进，后退，向左，向右等）关系图如下图所示
语音识别程序设计中采用中断的工作方式，首先是进行初始化，根据LD3320 相应的操作，保证 LD3320 完成语音识别功能；然后写入关键词列表，不同的关键词对应一个相应的代码，代码可以相同，但是这个代码的值限定在 00H-FFH，支持50 个识别代码，每一个代码都是标准的普通话汉语拼音，汉语拼音之间用空格隔开；将相应的寄存器设置好了之后就可以开始语音识别，首先是设置麦克风的输入通道及其增益值，这个增益值可以设定为00H-7FH，一般要设置在50H左右，可以提高麦克风的音量、从而提高识别的灵敏度，但相应的误识别概率也会相应的增加，增益值越小麦克风音量也就越小，但是其误识别率也就比较小，而且只有近距离的情况下才能完成语的输入，否则的话麦克风将无数据输入； 当麦克风有数据输入，就会产生一个数据处理信号，进入相应的运算函数对采集到数据进行分析，处理，得到相应的语音数据。
3.智能轮椅的避障模块
我们选择四路红外探测光电传感器模块为智能轮椅和机器人等自动化机械装置提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。它使用红外线发射和接收管等分立元器件组成探头，并使用LM339电压比较器（可以加入迟滞电路让它更加稳定）作为核心器件构中控电路。此系统具有多种探测功能较大的满足各种自动化、智能化小型系统的应用，并且此模块具有易于安装、使用简便的特点。
该传感器中的4 路分别独立工作，工作时不受数量限制；中控板与探头分开，安装位置不受限制； 模块高度≤10毫米；安全工作电压范围在3伏特至6伏特之间，驱动电流10-20mA。
4. GPS导航模块
4.1 定位
（1）通过定位导航服务，确定轮椅的具体位置。
（2）定位从安全性与可靠性考虑，此项目采用深圳市百年科技的BD-228款GPS北斗双模模块，它支持北斗二代和GPS的高性能集成模块，此模块是单天线卫星定位接收设备，具有GPS模块和BD模块及混合模式共三种定位模式，能满足全方位定位要求以及各类定位设备的需求，在一定程度上有助于提高定位的精度与稳定性。（如图3）
4.2 路径规划
（1）路径规划根据对环境的（局部）未知或已知分成全部路径规划和部分路径规划，全部路径规划方法：栅格法、自由空间法、拓扑法；部分路径规划方法：人工势场法、模糊逻辑算法。
（2）基于GPS定位以及超声波避障方式的组合实现智能轮椅的安全行驶，勘探环境，采用这种组合方式的导航，能够使轮椅更好的安全、有效的到达目的地。
（3）通过路径规划的比较，确定最优路径，之后通过语音播报告知轮椅主人的下一步路径和安全躲避身边障碍物的方法，安全到达目的地。
5.智能轮椅的驱动模块
驱动模块利用全桥驱动原理设计动力电机驱动电路和方向电机控制电路两个部分。
5.1动力电机驱动电路
动力驱动由后轮驱动来实现，负责小车的直线方向运动。后轮驱动电路是一个全桥驱动电路。由四个三极管组成四个桥臂， 控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。
5.2方向电机控制电路
方向控制由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮驱动电路也是一个全桥驱动电路， 控制前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转，当前轮电机正转，小车前轮朝左偏转；反之朝右偏转，当前轮电机停转，在弹簧作用下前轮被拉回到中间位置，保持直向。
6.结论
本研究完成了一种可躺、可立智能声控轮椅的机械结构设计，并成功研制了语音控制模块包括硬件和软件部分，实现了通过声音控制轮椅姿势转换和行驶。结合实验对轮椅的声控性能和成功率进行了验证。实验表明，该语音模块可以较好地用于轮椅的声控，在一定程度上方便了患者的使用。另外，此模块可以作为后续智能导航的基础，通过加装超声传感器进行测距、图像传感器进行地形捕捉，配合语音信号控制，完成多功能智能轮椅车的自主避障与自动导航。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家统计局.2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报.中国康复理论与实践[M].北京：中国康复理论与实践杂志社，2006.
[2] 吴玉韶.中国老龄事业发展报告（2013）[M].第1版.北京：社会科学文献出版社， 2013.
[3] 史雄. 城市社区居家养老服务的研究[D]. 上海：华东师范大学，2009.