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摘 要： 利用树莓派软件设计并开发了一种WiFi环境下的遥控多功能轮椅床，智能手机作为多功能轮椅的主要控制终端，以树莓派为基础作为该多功能轮椅床的核心控制器，其中控制系统的程序采用Python语言进行开发。树莓派对舵机的控制可实现多功能轮椅床的转换变形，同时树莓派对电机的控制实现多功能轮椅的移动，通过超声波测距模块可以实时监测多功能轮椅与周边的情况，实现相应的自主避障功能。该多功能轮椅主要由轮椅床底盘模块、电机驱动模块和超声波测距等多个功能模块构成。多功能轮椅与智能手机之间的通信方式采用WiFi通信，用户能够使用智能手机远程遥控来实现多功能轮椅的转换变形、移动和避障等。
关键词： 多功能轮椅;树莓派;电机驱动;超声波避障;WiFi
中图分类号： TP242.3 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.038
本文著录格式：周小华，吴涛，杨丛丛，等. WiFi环境下多功能轮椅床研究与设计[J]. 软件，2020，41（09）：141144
【Abstract】： Using Raspberry Pi software to design and develop a remote control multifunctional wheelchair bed under WiFi environment， the smartphone is the main control terminal of the multifunctional wheelchair， and the Raspberry Pi is used as the core controller of the multifunctional wheelchair bed. The program of the control system is developed using Python language. The control of the raspberry party steering gear can realize the transformation and deformation of the multifunctional wheelchair bed. At the same time， the control of the raspberry party motor can realize the movement of the multifunctional wheelchair. The ultrasonic ranging module can monitor the situation of the multifunctional wheelchair and its surroundings in real time to achieve the corresponding autonomous obstacle avoidance function. The multifunctional wheelchair is mainly composed of multiple functional modules such as a wheelchair bed chassis module， a motor drive module， and ultrasonic ranging. The communication method between the multifunctional wheelchair and the smartphone uses WiFi communication， and users can use the smartphone to remotely control the transformation， movement， and obstacle avoidance of the multifunctional wheelchair.
【Key words】： Multifunctional wheelchair; Raspberry Pi; Motor drive; Ultrasonic obstacle avoidance; WiFi
0 引言
伴隨着人口老龄化的问题日渐突出，体弱的老年人士的生活状态也越来越被人们关注和重视，尤其在出行和自由活动方面。因此本次设计针对该问题，采用智能手机在WiFi的环境中可以远程控制多功能轮椅的转换变形、移动和避障。采用树莓派（RaspberryPi）作为多功能轮椅的“大脑”，可通过编程来管理多功能轮椅的操作（转换变形、移动等）。本次设计旨在服务那些下半身瘫痪人群、腿脚行动不便人群和体弱的老年人士，通过远程控制多功能轮椅实现从床上到轮椅上，并能在无人照看情况下进行基本的活动，能够满足这些特殊人群的日常生活。
1 硬件选择与设计
1.1 结构设计
采用SolidWorks软件对该多功能论文进行的三维建模如图1所示，从图1中可以看出，当撑杆1推出的时候，病床的底板撑起，变形成轮椅靠背2;撑杆1收回的时候，靠背2变形为床板。
从图1中可以看出整个床体底盘有8个轮子，右边可变形为轮椅部分的4个轮子可以带动患者行走，后面床体的4个轮子也可移动，便于和轮椅对接。
1.2 电机驱动模块
图1中前面的轮椅部分的4个轮子的驱动直流电机与相应的电机驱动模块L298N连接，驱动模块L298N通过树莓派自带的GPIO口进行控制[1]。电机的正反转由电机输入信号的逻辑关系来决定，其速度通过使能端ENA、ENB输入PWM信号来控制和调节[2]。如图2所示为电机、L298N模块和树莓派的连接方式。L298N模块的逻辑输入端为IN1～IN4，这4端口分别与树莓派的4个GPIO口相连。 1.3 轮椅转换变形模块
（1）轮椅转换变形驱动模块设置
轮椅转换变形模块需要四个舵机分别驱动其对应的零件的转动，选用驱动电路板PCA9685与舵机连接的接线图如图3所示。四个舵机分别连接在型号为PCA9685的舵机驱动板上，舵机驱动板同时与树莓派连接。轮椅车底盘是固定的，1号舵机能够控制多功能轮椅背椅的转动，2号和3号舵机分别控制多功能轮椅左扶手和右扶手的转动，而多功能轮椅脚踏板的运动通过4号舵机进行控制。最后，多功能轮椅的转换变形由1至4号伺服舵机的控制来实现。
PCA9685驱动模块的主要功能是输出不同占空比的PWM脉冲信号，然后再通过该信号来控制伺服舵机转动的角度[3]。舵机控制所需的PWM周期为20 ms。将其PWM输出周期设定为20 ms，即PWM波的频率设定为50 Hz，PCA9685输出频率与振荡器有关，频率的设置值：
式中prescale value为设定频率的向数值，该数值需要写入地址为0XFEH的寄存器中，其中时钟信号为osc_clock，期望设置的PWM脉冲频率为update_rate。当周期为20 ms时，频率为50 HZ[4]。
（2）脉冲宽度调节
本文所使用的伺服舵机的角度与脉宽的对应关系为：信号脉宽1 ms对应0°，2 ms对应180°，若PWM信号脉宽在1～2 ms之间变化时，则舵机的旋转角度在0°～180°间线性变化。
舵机旋转角度与脉冲宽度间的关系为[5]
对于PCA9685的每一通道均可以通過4个寄存器来设置，具体通过设定12位计数器的值实现脉宽调节，分别用于控制高电平开始到结束的时刻，每个通道都有 LEDX_ON_L、LEDX_ON_H、LEDX_OFF_L、LEDX_OFF_H 四个寄存器。一般LEDX_ON被设置为0，若果脉宽为duty，则LEDX_OFF有如下计算公式：
pwm.setpwm（0，0，servo）#后面的参数中第一个参数为通道。后两个参数，前面一个是低电平转高电平的时间，后面一个是高电平转低电平的时间，这两个数值都应该小于4096。
1.4 避障功能
本文所设计多功能轮椅的避障原理是：首先初始化及超声波模块及树莓派的GPIO端口，然后由控制器发送触发电平并读取返回电平。接着通过计算与障碍物的距离来判断是否有障碍物，若计算距离大于10 cm，则判断前方有障碍物，否则无障碍物[6]。在避障模块的设计中利用超声波模块和对树莓派进行编程，最终实现轮椅的避障功能。
2 多功能轮椅的运动控制
2.1 控制系统总体设计方案
通过WiFi使用者将操作指令经由树莓派发送给各功能模块，使多功能轮椅完成相应的操作，本次设计中多功能轮椅床的系统结构框图如图4所示。
2.2 电机驱动控制
多功能轮椅的电机驱动模块安装在小车底盘上，如前所述采用L298N作为电机驱动板，其直流电机状态和控制方式如表1所示[7]。
由表1可知，电机只有在使能端ENA、ENB为高电平时才可以转动，通过方向端IN1～IN4控制电机向不同方向转动。当多功能轮椅前进时，此时电机正转，IN1、IN3为高电平，IN2、IN4为低电平;反之小车后退;通过电机速度差实现多功能轮椅的左右转[8]，若需多功能轮椅左转，则右边车轮不动，此时IN1、IN2为低电平，IN3为高电平及IN4为低电平，反之则多功能轮椅右转，Python控制马达的控制原理框图如图5所示，图中H表示高电平，L表示低电平。
2.3 舵机驱动控制
本设计使用Python编程来控制多功能轮椅中转换装置的舵机的转动角度，不同宽度脉冲控制输出不同宽度脉冲信号并传递给信号线。舵机的转动由一个20 ms的基准脉冲进行控制，该信号脉冲的高电平范围为0.5 ms2.5 ms，总间隔为2 ms[9]。马达转动的距离由脉冲的宽度控制。
如图6所示，电机在90°位置所对应的控制信号为脉宽为1.5 ms的脉冲信号如果小于1.5 ms，那么的方向将向0°方向转动。如果控制信号的脉宽大于1.5毫秒，电机转轴的旋转方向就朝向180°方向。
2.4 避障功能
为安全起见，该多功能轮椅设置有避障功能，通过安装在小车底盘的超声波测距模块循环检测并计算左、右和后三个方向的障碍物距离[10]，然后传递给树莓派对轮椅的运动行驶控制进行决策，使多功能轮椅能够安全避开障碍物。如图7所示为多功能轮椅避障算法流程图[11]。
2.5 WiFi环境设置
WiFi环境设置步骤如图8所示。
3 结语
本文设计并开发了一种基于树莓派的无线遥控多功能轮椅，可实现多功能轮椅的转换变形、移动和避障。树莓派作为核心主控板，通过L298N实现利用电机控制多功能轮椅的移动，通过PCA9685实现利用舵机控制多功能轮椅的转换变形，通过WiFi模块与手机交换信号，实现手机远程控制多功能轮椅，通过超声波测距模块来实现多功能轮椅在移动的过程中自主的躲避障碍物。实验表明多功能轮椅具有较好的远程控制、转换变形和自主避障功能，在智能化的轮椅中具有一定的实用创新价值。该多功能轮椅系统简单，精度较高，实用性较强，为多功能轮椅实现现实生产提供了理论依据。
参考文献
[1]凡佳辉， 刘冉， 韩飞， 等. 基于树莓派的智能机器人控制研究[J]. 信息技术与信息化， 2018（04）： 142-144.
[2]胡志超， 孔锦明， 魏豪特. 基于树莓派的移动监控小车设计[J]. 科技广场， 2017（12）： 78-80.
[3]李强， 霍淑珍， 郑伟. 基于I2C通信的PCA9685在舵机控制中的应用[J]. 科技创新与应用， 2018（28）：173-174.
[4]周英路， 王志亮， 朱松青， 等. 基于PCA9685的多路舵机控制器设计[J]. 南京工程学院学报（自然科学版）， 2017， 15（04）： 26-31.
[5]杨丛丛， 吴涛， 张安峰， 等. 基于树莓派的无线遥控移动机器人设计及运动控制[J]. 软件， 2020， 41（02）： 97-101.
[6]刘胜金， 周海燕， 杨溢凡， 等. 基于树莓派的智能小车系统[J]. 电脑知识与技术， 2019， 15（14）： 158-160.
[7]胡志超， 孔锦明， 魏豪特. 基于树莓派的移动监控小车设计[J]. 科技广场， 2017（12）： 78-80.
[8]王小宇. 基于Raspberry Pi的轮式移动机器人设计及运动控制[D]. 山东理工大学， 2018.
[9]江国强， 谢安洁， 漆虹琳， 等. 基于Arduino的舵机机械控制研究[J]. 企业科技与发展， 2020（04）： 39-41.
[10]孟祥薇， 严锡君， 欧阳星辰， 等. 基于超声波传感器的导盲杖设计[J]. 电子设计工程， 2012， 20（17）： 11-14.
[11]吴波涛， 孔金平， 王湘. 基于Arduino和树莓派的智能小车的设计与实现[J]. 电子设计工程， 2017， 25（15）： 58-61.
关键词： 多功能轮椅;树莓派;电机驱动;超声波避障;WiFi
中图分类号： TP242.3 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.038
本文著录格式：周小华，吴涛，杨丛丛，等. WiFi环境下多功能轮椅床研究与设计[J]. 软件，2020，41（09）：141144
【Abstract】： Using Raspberry Pi software to design and develop a remote control multifunctional wheelchair bed under WiFi environment， the smartphone is the main control terminal of the multifunctional wheelchair， and the Raspberry Pi is used as the core controller of the multifunctional wheelchair bed. The program of the control system is developed using Python language. The control of the raspberry party steering gear can realize the transformation and deformation of the multifunctional wheelchair bed. At the same time， the control of the raspberry party motor can realize the movement of the multifunctional wheelchair. The ultrasonic ranging module can monitor the situation of the multifunctional wheelchair and its surroundings in real time to achieve the corresponding autonomous obstacle avoidance function. The multifunctional wheelchair is mainly composed of multiple functional modules such as a wheelchair bed chassis module， a motor drive module， and ultrasonic ranging. The communication method between the multifunctional wheelchair and the smartphone uses WiFi communication， and users can use the smartphone to remotely control the transformation， movement， and obstacle avoidance of the multifunctional wheelchair.
【Key words】： Multifunctional wheelchair; Raspberry Pi; Motor drive; Ultrasonic obstacle avoidance; WiFi
0 引言
伴隨着人口老龄化的问题日渐突出，体弱的老年人士的生活状态也越来越被人们关注和重视，尤其在出行和自由活动方面。因此本次设计针对该问题，采用智能手机在WiFi的环境中可以远程控制多功能轮椅的转换变形、移动和避障。采用树莓派（RaspberryPi）作为多功能轮椅的“大脑”，可通过编程来管理多功能轮椅的操作（转换变形、移动等）。本次设计旨在服务那些下半身瘫痪人群、腿脚行动不便人群和体弱的老年人士，通过远程控制多功能轮椅实现从床上到轮椅上，并能在无人照看情况下进行基本的活动，能够满足这些特殊人群的日常生活。
1 硬件选择与设计
1.1 结构设计
采用SolidWorks软件对该多功能论文进行的三维建模如图1所示，从图1中可以看出，当撑杆1推出的时候，病床的底板撑起，变形成轮椅靠背2;撑杆1收回的时候，靠背2变形为床板。
从图1中可以看出整个床体底盘有8个轮子，右边可变形为轮椅部分的4个轮子可以带动患者行走，后面床体的4个轮子也可移动，便于和轮椅对接。
1.2 电机驱动模块
图1中前面的轮椅部分的4个轮子的驱动直流电机与相应的电机驱动模块L298N连接，驱动模块L298N通过树莓派自带的GPIO口进行控制[1]。电机的正反转由电机输入信号的逻辑关系来决定，其速度通过使能端ENA、ENB输入PWM信号来控制和调节[2]。如图2所示为电机、L298N模块和树莓派的连接方式。L298N模块的逻辑输入端为IN1～IN4，这4端口分别与树莓派的4个GPIO口相连。 1.3 轮椅转换变形模块
（1）轮椅转换变形驱动模块设置
轮椅转换变形模块需要四个舵机分别驱动其对应的零件的转动，选用驱动电路板PCA9685与舵机连接的接线图如图3所示。四个舵机分别连接在型号为PCA9685的舵机驱动板上，舵机驱动板同时与树莓派连接。轮椅车底盘是固定的，1号舵机能够控制多功能轮椅背椅的转动，2号和3号舵机分别控制多功能轮椅左扶手和右扶手的转动，而多功能轮椅脚踏板的运动通过4号舵机进行控制。最后，多功能轮椅的转换变形由1至4号伺服舵机的控制来实现。
PCA9685驱动模块的主要功能是输出不同占空比的PWM脉冲信号，然后再通过该信号来控制伺服舵机转动的角度[3]。舵机控制所需的PWM周期为20 ms。将其PWM输出周期设定为20 ms，即PWM波的频率设定为50 Hz，PCA9685输出频率与振荡器有关，频率的设置值：
式中prescale value为设定频率的向数值，该数值需要写入地址为0XFEH的寄存器中，其中时钟信号为osc_clock，期望设置的PWM脉冲频率为update_rate。当周期为20 ms时，频率为50 HZ[4]。
（2）脉冲宽度调节
本文所使用的伺服舵机的角度与脉宽的对应关系为：信号脉宽1 ms对应0°，2 ms对应180°，若PWM信号脉宽在1～2 ms之间变化时，则舵机的旋转角度在0°～180°间线性变化。
舵机旋转角度与脉冲宽度间的关系为[5]
对于PCA9685的每一通道均可以通過4个寄存器来设置，具体通过设定12位计数器的值实现脉宽调节，分别用于控制高电平开始到结束的时刻，每个通道都有 LEDX_ON_L、LEDX_ON_H、LEDX_OFF_L、LEDX_OFF_H 四个寄存器。一般LEDX_ON被设置为0，若果脉宽为duty，则LEDX_OFF有如下计算公式：
pwm.setpwm（0，0，servo）#后面的参数中第一个参数为通道。后两个参数，前面一个是低电平转高电平的时间，后面一个是高电平转低电平的时间，这两个数值都应该小于4096。
1.4 避障功能
本文所设计多功能轮椅的避障原理是：首先初始化及超声波模块及树莓派的GPIO端口，然后由控制器发送触发电平并读取返回电平。接着通过计算与障碍物的距离来判断是否有障碍物，若计算距离大于10 cm，则判断前方有障碍物，否则无障碍物[6]。在避障模块的设计中利用超声波模块和对树莓派进行编程，最终实现轮椅的避障功能。
2 多功能轮椅的运动控制
2.1 控制系统总体设计方案
通过WiFi使用者将操作指令经由树莓派发送给各功能模块，使多功能轮椅完成相应的操作，本次设计中多功能轮椅床的系统结构框图如图4所示。
2.2 电机驱动控制
多功能轮椅的电机驱动模块安装在小车底盘上，如前所述采用L298N作为电机驱动板，其直流电机状态和控制方式如表1所示[7]。
由表1可知，电机只有在使能端ENA、ENB为高电平时才可以转动，通过方向端IN1～IN4控制电机向不同方向转动。当多功能轮椅前进时，此时电机正转，IN1、IN3为高电平，IN2、IN4为低电平;反之小车后退;通过电机速度差实现多功能轮椅的左右转[8]，若需多功能轮椅左转，则右边车轮不动，此时IN1、IN2为低电平，IN3为高电平及IN4为低电平，反之则多功能轮椅右转，Python控制马达的控制原理框图如图5所示，图中H表示高电平，L表示低电平。
2.3 舵机驱动控制
本设计使用Python编程来控制多功能轮椅中转换装置的舵机的转动角度，不同宽度脉冲控制输出不同宽度脉冲信号并传递给信号线。舵机的转动由一个20 ms的基准脉冲进行控制，该信号脉冲的高电平范围为0.5 ms2.5 ms，总间隔为2 ms[9]。马达转动的距离由脉冲的宽度控制。
如图6所示，电机在90°位置所对应的控制信号为脉宽为1.5 ms的脉冲信号如果小于1.5 ms，那么的方向将向0°方向转动。如果控制信号的脉宽大于1.5毫秒，电机转轴的旋转方向就朝向180°方向。
2.4 避障功能
为安全起见，该多功能轮椅设置有避障功能，通过安装在小车底盘的超声波测距模块循环检测并计算左、右和后三个方向的障碍物距离[10]，然后传递给树莓派对轮椅的运动行驶控制进行决策，使多功能轮椅能够安全避开障碍物。如图7所示为多功能轮椅避障算法流程图[11]。
2.5 WiFi环境设置
WiFi环境设置步骤如图8所示。
3 结语
本文设计并开发了一种基于树莓派的无线遥控多功能轮椅，可实现多功能轮椅的转换变形、移动和避障。树莓派作为核心主控板，通过L298N实现利用电机控制多功能轮椅的移动，通过PCA9685实现利用舵机控制多功能轮椅的转换变形，通过WiFi模块与手机交换信号，实现手机远程控制多功能轮椅，通过超声波测距模块来实现多功能轮椅在移动的过程中自主的躲避障碍物。实验表明多功能轮椅具有较好的远程控制、转换变形和自主避障功能，在智能化的轮椅中具有一定的实用创新价值。该多功能轮椅系统简单，精度较高，实用性较强，为多功能轮椅实现现实生产提供了理论依据。
参考文献
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[9]江国强， 谢安洁， 漆虹琳， 等. 基于Arduino的舵机机械控制研究[J]. 企业科技与发展， 2020（04）： 39-41.
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[11]吴波涛， 孔金平， 王湘. 基于Arduino和树莓派的智能小车的设计与实现[J]. 电子设计工程， 2017， 25（15）： 58-61.