1、传感器系统整体结构设计的智能轮椅总功能分为环境感知和导航功能、控制功能、驱动功能和人机交互功能。

　　通过智能轮椅的功能分析和模块划分，结合具体的研究内容和期望控制目标，本系统主要由传感器模块、驱动控制模块和人机交互模块三部分构成，硬件系统结构如图1所示。其中感应模块主要由内部状态感应和外部环境感应两部分组成，通过姿态感应器确定轮椅本身的姿态信息，通过编码器的位移速度和距离获得自定位信息，视觉、超声波和接近开关主要负责连续获得周围环境和障碍物的距离信息。驱动控制模块采用后轮驱动的方式，各后轮配置马达，在控制器的操作下实现电动轮椅的前进、后退、转向。

　　人机交互界面通过操作棒和计算机接口数据输入两种方式，实现基本的人机交互功能。其中，数据采集单元计划选择DSPTMS320LF2407A作为传感器模块的控制芯片。TMS320LF2407A是高性能的数字信号处理器，频率高，周边界面丰富。其主频为150MHz、低功耗(核电压1.8V、I/O电压3.3V)的128kXl6位电影FLASH、18kXl6位电影SRAM、4kXl6位电影ROM用于电机控制的外部设置、2个事件管理器的多种标准串外设置、1个SPI同步串外设置、2个UART异步串外设置、1个强化CAN总线接口、1个McBSP同步串外设置、16个通道的12个A/D转换器可以满足本系统设计的要求。

　　2、多传感器数据采集和处理，本系统智能轮椅有2个独立的驱动轮，分别配备电机代码盘。由两个电机码盘的实时检测数据构成里程式的相对定位传感器，同时安装倾角传感器和陀螺仪，测量轮椅在行进过程中的姿态。超声波传感器和接近开关用于感知周围的环境信息。为了获取更广泛的障碍物信息，本系统配备了8个红外线传感器和8个超声波传感器。此外，还设置了CCD照相机来判断前方进程中的深度信息。以下依次介绍以上几种传感器的硬件设计方案。

　　2.1、超声传感器与开关接近，本超声测距系统共有8个超声传感器，构成超声传感器阵列，分别放在轮椅周围各2个。为了检测超声波传感器泄漏或未能及时处理的障碍，在轮椅周围安装4个电感接近开关。障碍物碰撞防撞橡胶圈导致金属条变形，垂直方向上移位，触发接近开关动作，得到一个开关信号(中断理赔信号)，使移动机器人立即停止运行。超声环境探测电路主要由多路模拟开关、升压放大电路、缓冲放大整形电路和超声换能器等环节组成，如图2所示。升压放大电路和超声波发射换能器构成超声波发射部分。发射过程是，首先在DSP的脉宽调制通道上产生一定脉宽的调制脉冲波，通过变压器升压扩大电路后产生瞬间的高能量信号，激发超声波发射交换器产生超声波信号。

　　需要注意的是，超声波在发射的瞬间，有些声波直接进入超声波接收端，产生强烈的虚假反射波，引起所谓的铃声现象。为了避免铃声，软件需要延迟处理，导致检测死角。在程序处理中，DSP发射激励脉冲波后一段时间内关闭相应的CAP，盲区间隔过后打开CAP。超声波的接收部分必须与发射部分协调工作，以确保信号准确灵敏地接收。该部分主要由超声波接收换能器、放大过滤器、整形触发输出电路构成。在超声波传播中，其能量随着传播距离的增大而减小，远程障碍物反射回来的回波信号一般较弱，因此需要通过多级信号扩大处理后才能通过DSP中断输入端口进行检测。

　　2.2、代码器在智能轮椅系统中，不仅要测量环境的距离信息，还要有效地观察和估计方向信息。对于大多数室内移动机器人系统，定位信息通常是通过码盘信息间接估计的，该系统也采用这种方法。通过计算从代码盘阅读的信息得出结果，成本需要一定的计算时间。TMS324LF2407A芯片有两个时间管理模块(EV)，每个EV模块都有正交代码脉冲电路，使用该电路后，可以在两个相应的引脚上输入正交代码脉冲。该回路可用于连接光电码盘，以获得旋转机械的位置和速度等信息，但需要注意的是，此时必须禁止对应引脚的捕获功能。正交代码脉冲电路的时序可以由通用定时器2(或通用定时器4、EVB模块)提供，通用定时器必须设置为方向性增减模式，以正交代码脉冲电路为钟表源。

　　正交代码脉冲是两个频率变化和正交(相位差90°)的脉冲，由马达轴上的光电代码器产生，代码盘在马达轴上有很多空槽，可以透光，马达驱动代码盘旋转时，发光二极管发出的光被遮挡时，后面的光电传感器无法接收信号，然后光电传感器发出低电平脉冲，即0，如果旋转位置正好使光源能够透光槽，光电传感器就会感应到信号正交编码脉冲电路的方向检测逻辑决定了两个脉冲序列中哪一个是先导序列，然后产生方向信号作为通用定时器的计数方向输入，两列正交输入脉冲的两个边缘被正交脉冲编码电路计数，因此产生的时钟频率是每个输入序列的4倍图3给出了正交代码脉冲、增减计数方向及时钟的波形。

　　2.3、姿态传感器本系统与其他轮椅设计最显着的特征之一是本设计只能用两个轮子完成车身平衡。这个显着的特征要求有特殊的结构，基本的设计思想是保持两个轮子分别由独立的直流电机驱动，在一条轴线上，车身的重心保持在轮轴以上，使用检测车身倾斜角度的传感器实时获取车身的姿势信息，机器人的处理器处理传感器信号本智能轮椅采用倾角传感器和陀螺仪的组合构成姿势传感器，检测车身平台的运行姿势。倾角传感器用于测量轮椅偏离垂直方向的角度，陀螺仪用于测量角度速度。

　　以TMS320LF2407A为控制核心的运动控制器，根据编码器和姿态传感器检测到的平台运行的位移和姿态信号，内部装修效果图通过一定的控制战略计算控制量，通过脉宽控制和驱动器扩大后直流电机运行，随时调整车体平台的运行速度控制电路原理图如图4所示。控制板收集来自倾角和角速传感器的信号，调整信号(滤波、整形、偏移)，将信号传递到控制板上，经过DSP的运算处理(控制算法由电动汽车系统的数学模型推导)，通过DSP的两路脉宽调制发出控制信号，通过电动汽车驱动模块驱动电动汽车

　　2.4照相机用于感知环境的深度信息，如判断前方是否有楼梯，提取楼梯的高度信息，提取道路标志物等。照相机可以直接通过USB和PC通信，在此不再说明。