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1.   硬件設(shè)計(jì)   

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

圖1  系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1. MPU9150模塊

近年來(lái)隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，許多芯片公司如ADI，飛思卡爾等知名企業(yè)都有自己的MEMS器件。其中，InvenSense公司是首發(fā)的第一臺(tái)九軸運(yùn)動(dòng)傳感跟蹤組件MPU-9150。MPU-9150整合了MPU6050及AK8975電子羅盤功能，集成了3軸陀螺儀，3軸加速度計(jì)和三軸磁場(chǎng)。綜上，InvenSense公司的MPU9150器件非常適合我們頭部動(dòng)作及方向識(shí)別這一功能。通過(guò)陀螺儀與加速度傳感器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合算法得到角度數(shù)據(jù)，并利用三軸磁場(chǎng)對(duì)積分漂移問(wèn)題進(jìn)行校正。                                              

圖2 MPU9150模塊電路圖

1.2. PPG模塊

圖3 PPG脈搏波檢測(cè)電路框圖

圖4 PPG硬件信號(hào)處理電路

1.3. 紅外測(cè)溫模塊

圖5 紅外傳感器連接圖

1.4. nRF51822和STM32 Nucleo 401主控模塊

Nordic Semiconductor nRF51822 是一款帶ARM-M0內(nèi)核的多協(xié)議藍(lán)牙低功耗/ 2.4GHz 專用 RF的單芯片藍(lán)牙片上系統(tǒng)。nRF51822將射頻收發(fā)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具有增強(qiáng)ARM-M0內(nèi)核結(jié)合。它具有高性能、低成本、低功耗和高集成度的特點(diǎn)，便于開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。作品中使用nRF51822結(jié)合藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)ADC及IIC協(xié)議采集數(shù)據(jù)并發(fā)送到手機(jī)APP顯示等。利用STM32 Nucleo 401作為輪椅的控制器，接收nRF51822的頭部三維信息并結(jié)合輪椅三維信息進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出PWM控制輪椅兩輪運(yùn)動(dòng)。

圖6 nRF51822模塊電路

1.5. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)電路的作用是根據(jù)主控電路輸出的控制信號(hào)及無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)送的霍爾信號(hào)控制無(wú)刷直流電機(jī)繞組的通電順序及時(shí)間，從而控制電機(jī)的速度和方向。此電路的主要作用是放大從主控芯片STM32 Nucleo 401輸出的 PWM 控制信號(hào)，把其轉(zhuǎn)換成可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的 PWM 功率信號(hào)。根據(jù)作品需要，本文使用帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 IR2130的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。它可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于 600V 的電路中的功率 MOS 門器件，相比于反向最大驅(qū)動(dòng)電流500m A，它可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 250m A。它的內(nèi)部設(shè)計(jì)有過(guò)壓、欠壓以及過(guò)流保護(hù)，封鎖以及指示網(wǎng)絡(luò)，可以很好的保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的功率 MOS 管。引腳 5(LIN1)、6(LIN2)、7(LIN3)為三個(gè)低壓側(cè)功率管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)端。引腳 2（HIN1）、3（HIN2）、4(HIN3)為三個(gè)高壓側(cè)功率管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)端，引腳 5(LIN1)、6(LIN2)、7(LIN3)為三個(gè)低壓側(cè)功率管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)端。把控制輪椅的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的四路PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離后輸入2、3、5和6引腳即可控制輪椅運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)IR2130將輪椅主控芯片NRF51822的輪椅控制信號(hào)發(fā)出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制PWM信號(hào)，經(jīng)三相半橋逆變電路后驅(qū)動(dòng)電機(jī),實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流調(diào)節(jié)。主要驅(qū)動(dòng)電路如下：

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

1.6. 無(wú)刷直流電機(jī)

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)具有的運(yùn)行效率、好的調(diào)速性能，同時(shí)有交流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、可靠運(yùn)行以及維護(hù)方便的特點(diǎn)。通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，配合全向輪驅(qū)動(dòng)輪椅，使輪椅的運(yùn)動(dòng)更加靈活。無(wú)刷直流電機(jī)可以像有刷直流電機(jī)那樣以電源的接通或斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)起停控制。這種控制方法通常是用觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)直接完成的。這種方法的缺點(diǎn)是起動(dòng)電流比較大，電流過(guò)大容易引起過(guò)熱和去磁問(wèn)題，起動(dòng)過(guò)快還會(huì)引起負(fù)載機(jī)械的沖擊，所以只適用小功率的電機(jī)。更常用的方法是用觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)接通控制電源后，再通過(guò)對(duì)控制器的控制實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停止。在控制器設(shè)置有起停控制口（使能控制），以邏輯電平來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。同時(shí)，有調(diào)速功能的控制器，以轉(zhuǎn)速控制指令電壓的高低控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，常常取電壓為零時(shí)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。控制器有 PWM 信號(hào)接口，該信號(hào)占空比為零時(shí)電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

1.7. ECG模塊

圖8  ECG采集模擬前端

圖9 ECG采集后端數(shù)字處理流程

1.   算法與軟件設(shè)計(jì)   

1.1. 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

要解算得到航姿，我們必須利用相互正交的三軸MEMS陀螺儀不斷快速測(cè)量角速度，然后不斷利用姿態(tài)更新算法，解算得到最新的航姿，常用以下的四元數(shù)姿態(tài)更新微分方程：

表示從n到n+1時(shí)間內(nèi)機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角增加量，包括三軸分量，且有：

    由于有歐拉姿態(tài)矩陣與四元數(shù)姿態(tài)矩陣的關(guān)系有：

    我們可以從姿態(tài)矩陣中提取姿態(tài)和航向：

1.1.2.  位置式PID控制算法

PID 控制系統(tǒng)在連續(xù)控制系統(tǒng)中，按偏差的比例P( proportion)、積分I ( integral)、微分D( derivative)進(jìn)行計(jì)算調(diào)整并輸出，經(jīng)過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大之后控制輪椅兩主動(dòng)輪直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)^[13-16]。

本作品采用位置式PID算法，其理想式為:

式中: u(t) 為控制系統(tǒng)的輸出; Kp為比例放大系數(shù)，作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度; e(t)為輸入的偏差信號(hào); Ti為控制系統(tǒng)微分時(shí)間常數(shù); Td為控制系統(tǒng)積分時(shí)間常數(shù)。

設(shè)u(t) 為第k 次采樣控制系統(tǒng)輸出的值，可得出離散PID 算式:

式中: Ki為積分系數(shù)，作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差; Kd為微分系數(shù)，作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

(1)輸入/輸出接口

輸入接口與檢測(cè)傳感器連接，把檢測(cè)的數(shù)字信號(hào)并輸入給MCU處理。輸出接口把MPU輸出的控制轉(zhuǎn)向和速度的PWM信號(hào)分別輸出給輪椅左右兩個(gè)控制電機(jī)。

(2)檢測(cè)裝置。

輪椅行駛時(shí)主要檢測(cè)頭部的航向角和俯仰角、輪椅的航向角、兩輪的速度和動(dòng)作識(shí)別所得到的控制信息。

(3)被控對(duì)象。

輪椅控制系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立被控對(duì)象，分別是兩輪前進(jìn)和后退的速度，它們都是根據(jù)檢測(cè)信號(hào)來(lái)確定輸出量的。

1.2. 主要程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)包括頭戴控制系統(tǒng)部分、智能輪椅控制和智能手機(jī)部分。主要控制由頭部控制器MCU，輪椅控制器MCU及智能手機(jī)CPU組成。

1.2.1.  頭部控制系統(tǒng)部分

頭部控制系統(tǒng)主要通過(guò)ADC采集脈搏波信號(hào)，讀取溫度信號(hào)并發(fā)送到智能手機(jī)，讀取MPU9150數(shù)據(jù)并通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到輪椅控制器。程序流程見(jiàn)圖10。

圖10頭部控制系統(tǒng)部分程序流程圖

1.2.2.  智能輪椅控制部分

輪椅主控芯片STM32 Nucleo 401主要通過(guò)ADC采集心電信號(hào)，讀取MPU9150數(shù)據(jù)，通過(guò)串口讀取NRF51822接收到的頭部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。并且，收到的頭部控制信號(hào)數(shù)據(jù)與輪椅上的MPU9150數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算，通過(guò)STM32 Nucleo 401輸出相應(yīng)的PWM輪椅控制信號(hào)，程序流程見(jiàn)圖11。

圖11 輪椅控制部分程序流程圖

1.2.3.  智能手機(jī)部分

智能手機(jī)部分主要通過(guò)藍(lán)牙4.0協(xié)議接受頭部主控芯片發(fā)來(lái)的生命體征信號(hào)，顯示并共享至互聯(lián)網(wǎng)。程序流程見(jiàn)圖12。

圖12 APP部分程序流程圖

本項(xiàng)目精心制作的演示視頻已上傳到騰訊視頻，視頻播放地址：

https://v.qq.com/x/page/b05105izja9.html 

實(shí)物圖：

       輪椅                         頭戴控制器             

      手機(jī)APP           STM32 Nucleo 401輪椅控制器

輪椅演示視頻截圖：

可見(jiàn)，項(xiàng)目生命體征提取準(zhǔn)確，輪椅控制效果穩(wěn)定，作品功能完整。避免手部操作，只需檢測(cè)頭部動(dòng)作，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)“方向?qū)Ψ较颉钡目刂疲褂煤?jiǎn)單，攜帶方便，特別適合手腳不靈活的老年人和肢體殘疾人士應(yīng)用，利于減輕老齡化到來(lái)的壓力。