基于手势传感器的智能轮椅系统设计

ＤＯＩ：１０．１９３９２／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１７３４１．２０２００９００５

基于手势传感器的智能轮椅系统设计

张　园　郭　栋　丁新新　于拴宝　贺屹东

南京信息职业技术学院电子信息学院　江苏南京　２１００４６

摘　要：针对老龄化社会需要，设计一种以Ａｒｄｕｉｎｏ开发板为控制器的智能轮椅。主要利用Ａｒｄｕｉｎｏ控制模块、手势控制、心率检测模块、距离检测模块、无线通信模块和ＧＰＳ定位模块，搭建智能轮椅的硬件电路，通过对单片机的开发以及各模块对比选用、程序调试，实现智能轮椅的功能。试验测试结果表明：该设计能实现手势控制轮椅行进、心率数据检测、轮椅自动避障等等多种功能，具有一定的应用价值。

关键词：Ａｒｄｕｉｎｏ；手势传感器；智能轮椅

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｗｈｅｅｌｃｈａｉｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｇｅｓｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ

ＺｈａｎｇＹｕａｎ　ＧｕｏＤｏｎｇ　ＤｉｎｇＸｉｎｘｉｎ　ＹｕＳｈｕａｎｂａｏ　ＨｅＹｉｄｏｎｇ

ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇ　２１００４６Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＷｈｅｅｌｃｈａｉｒＢａｓｅｄｏｎＡｒｄｕｉｎｏｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｏａｒｄｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆａｇｉｎｇｓｏｃｉｅｔｙ．ｈｅｓｙｓｔｅｍｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓＡｒｄｕｉｎｏｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ，ｇｅｓｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ，ｈｅａｒｔｒａｔｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｄｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａ

，ｓｕｃｈａｓｇｅｓｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｗｈｅｅｌｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄＧＰＳｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃａｎａｃｈｉｅｖｅｍａｎｙｆｕｎｃｔｉｏｎｓ

ｃｈａｉｒｍｏｖｉｎｇ，ｈｅａｒｔｒａｔｅｄａｔａｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｅｅｌｃｈａｉｒａｕｔｏｍａｔｉｃｏｂｓｔａｃｌｅａｖｏｉｄａｎｃｅａｎｄｓｏｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｒｄｕｉｎｏ；Ｇｅｓｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｗｈｅｅｌｃｈａｉｒ提高老年人和残疾人生活质量成　　随着老龄化社会的来临，为一项重要的。课题，手动轮椅存在了几百年，并已经在医院、商场、家庭中成为协助行动不便的人士的重要工具。目前市面上已有的电动轮椅大部分是通过操纵杆进行交互，使用户轻松省力的使用轮椅，但是一直身体特别虚弱的老人，或是手部无力的残疾人就无法使用操纵杆，给他们的生活带来很大麻烦。

人类活动的识别可以以为用户在各种环境提供交互服务，利用各种感官资源进行识别，最能使用户受益，本项目利用Ａｒｄｕｉｎｏ控制器件和传感器，开发一种成本低廉的、好用的智能轮椅。该智能轮椅有着广泛的市场前景和实际意义。

１系统总体设计

智能轮椅的总体设计框图如下图所示。主要包含Ａｒｄｕｉｎｏ控制模块、手势控制、心率检测模块、距离检测模块、无线通信模块和ＧＰＳ定位模块。

，ＡＴｍｅｇａ１６８ＰＡ系列为核心的８位单片机开发核心ｍｅｇａ３２８Ｐ

板，它完全是开源的，使用了Ｕ型的２７ｐｉｎＭｉｃｒｏｄｕｉｎｏ接口规范，拥有众多接口兼容的周边模块和传感器，编程环境好，方便上手，而且能凭借各种不同的传感器来实现对环境的监测，也可以通过控制声音、电机和其他各种装置来影响环境，其可拓

［１］

展性好。Ａｒｄｕｉｎｏ控制模块是整个设计系统的中枢，主要实现对各类模块的控制和调用。包括分析、综合手势传感器检测不同方向数据信息，控制步进电机，使得轮椅能够根据手势控制前后左右移动。以及通过心率传感器检测人体生物信息，并通过网络发送警告指令，并提供轮椅的当前位置信息。此外还控制传感器进行自动避障等辅助功能。

２．２手势传感器模块

本系统采用的手势传感器模块采用的ＡＴＫＰＡＪ７６２０＿Ｖ１．２，是ＡＬＩＥＮＴＥＫ推出的一款高性能手势识别传感器模块。该模块采用Ｐｉｘａｒｔ公司的ＰＡＪ７６２０Ｕ２芯片，芯片内部集成了光学数组式传感器，以使复杂的手势和光标模式输出，自带九种手势识别，支持上、下、左、右、前、后、顺时针旋转、逆时针旋转和

２］

挥动的手势动作识别，以及支持物体接近检测等功能［。在系统中将手势控制模块固定在可松紧调节的护腕上，将护腕佩戴于手腕处，手势控制模块放置在手腕上方，并且通过小型液晶显示器显示当前检测到的手势方向，帮助使用者更精准的控制轮椅的行进。

２．３心率检测模块

系统的心率检测模块为光学心率传感器，采用光电容积脉搏波描记法来测量心率及其他生物计量指标。其工作原理为通过将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射，该方法非常简单，当血流动力发生变化时，例如血脉搏率（心率）或血容积（心输出量）发生变化时，进入人体的光会发生可预见的散［３］

射。心率传感器可生成测量心率的ＰＰＧ波形并将该心率数据作为基础生物计量值。在本系统中将心率检测模块安装在轮椅的扶手表面，用户可通过按键模块来启动心率检测模块检测用户心率，然后将手腕内侧放在心率检测模块表面，通过手腕测量出人体心率特征参数，并且通过安装在轮椅扶手表面的ＯＬＥＤ显示模块显示心率检测模块检测到的用户心率等信息。

２．４超声波避障模块

本系统样机采用超声波传感器，进行距离的检测，其主要工作原理是通过传感器的发射器发出超声波，（下转第６５页）

５

智能轮椅的总体设计框图

该轮椅可以实现通过手势传感器感知使用者的手势，控制轮椅前进、后退、左转、右转、停止，并通过特定手势触发信号报警救援。此外还加入体征监测和距离监测等辅助功能。用户通过心率传感器检测人体主要生命特征，可以随时检测自己的心率，了解自己的身体状况，避免不能及时救治，造成严重后果；通过距离监测功能，可以检测到轮椅前后障碍物的距离并实现自动回避障碍物，此外利用ＧＰＳ定位共能，可以帮助使用者家人或医护人员可以确定轮椅当前所在位置，便于照顾病患或及时进行轮椅的回收。

２系统功能电路设计２．１Ａｒｄｕｉｎｏ控制器模块本系统以Ｍｉｃｒｏｄｕｉｎｏ控制器模块为核心，以ＡｔｍｅｌＡＴ

　科技风２０２０年３月

（五）基于教学案例全面总结中职计算机Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学案例的质量也关系到教学效果，教师在选择案例时还需要结合教材内容与教学规划，调整教学方案，确保案例能够让学生接受。在计算机Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学中，为了更加了解学生学习进度以及知识点的掌握情况，需要在案例教学法应用期间做好总结工作，将其与教学任务进度相结合，获得最为客观的教学结论，以此作为信息反馈了解Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学存在的问题，为今后教学方法的选择、教学方案

ｈｏｔｏｓｈｏｐ教学中将案例的调整明确方向。例如，教师可以在Ｐ

教学法和任务驱动法相结合，使理论知识与实践紧密结合，通过案例分析的方式发布任务，带动所有学生投入到课堂教学中，这与最终教学成果有非常密切的联系。因此，案例教学法的应用，需要保证驱动任务和Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学内容紧密结合，按照教学大纲以及逻辑规律要求设置任务，最后及时展开教学总结，了解案例导入情况，作为今后计算机Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学方案制定的参考因素。

科教论坛

综上所述，在中职计算机Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ教学中运用案例教学

ｈｏｔｏｓｈｏｐ基础技能的操作方法，将法，可以通过案例分析掌握Ｐ

理论与实践融合，完善学生知识结构，一方面有利于提高学生计算机操作能力，另一方面也切实加强中职计算机教学水平。

参考文献：［１］廖颖．探析案例教学法在高校计算机基础课教学中的应用［Ｊ］．课程教育研究，２０１９（４４）：１７３１７４．

［２］张琳．计算机辅助设计的案例教学法探究———基于应

Ｊ］．延边教育学院学报，２０１９，３３（０４）：用型人才培养模式［

４９５１．

［３］周晓清，李宏，叶安胜．任务驱动式项目案例教学法在课程教学改革中的探索与实践［Ｊ］．实验科学与技术，２０１８，１６（０４）：１０１１０６．

［４］王光虹．案例教学法在中职计算机应用基础教学实践中的尝试［Ｊ］．科学咨询（科技·管理），２０１７（０８）：１６１．

（上接第５页）当遇到障碍物时超声波反射回来，其反射回波信

［４］

号会被超声波接收器收到，根据收到的反射回波的时间以及超声波在空气中的传播速率进行一定的计算后，根据程序设计控制电机驱动轮椅的４个轮子行进，如果发现障碍物在前方，则停止前进，如果障碍物在左侧，则控制轮子，使得轮椅向右转，反之，如果障碍物在右侧，则控制轮子，使得轮椅向左转。以确保紧急状态下，轮椅可以自动避障，保证使用者的安全。

２．５其他辅助模块本系统配备有ＧＰＳ定位模块，用于及时检测智能轮椅的当前位置信息。配备有低功耗蓝牙模块，用于手势传感器和ａｒｄｕｉｎｏ控制器模块的无线数据传输。配备有无线通信模块，用于及时将数据信息发送给使用者的监护人，便于更好进行照顾。

３结语

本项目结合开源的ａｒｄｕｉｎｏ控制器件和大量的传感器设计智能轮椅，与普通轮椅相比，功能更完善，使用更方便。本设备不仅实现轮椅移动的手势控制，还附带人体生命检测、自动避

障、ＧＰＳ定位等功能，较好地满足了用户的需求，为用户使用带来便利，且使用传感器模块，成本较低。

参考文献：［１］张园．基于Ａｒｄｕｉｎｏ控制器的校园智能垃圾桶设计［Ｊ］．智能城市，２０１９，（６）：１５１６．

［２］唐明明，陈波．基于红外光电的手势无人机控制系统设Ｊ］．自动化技术与应用，２０１９，（９）：１１３１１６．计［［３］程晨．Ａｒｄｕｉｎｏ开发实战指南［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０１２：３８５１．

［４］张萍．超声波避障智能小车的设计［Ｊ］．自动化仪表，２０１７，３８（１１）：４０４３．

项目来源：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（２０１９１３１１２０２６Ｙ）

作者简介：张园（１９８１），女，江苏南京人，硕士，副教授，研究方向：信号处理、应用电子。

（上接第８页）

照片分析：原底片宽６厘米，已从负片改为黑白色正片，未作其改动。可能还需要左右翻转一次，以使之与天空一致。

结论：（１）可以明显看到：各星在胶片平移时形成的光点。（２）虽然胶片的平移速度相同，可是，光点的距离各不相同。（３）星光越亮的距离越小，星光越暗的距离越大（光速越慢）。（４）可以充分证明我的“光速多变原理”是正确的。（５）按太阳月亮和地球的质量和他们的半径，可以分别计算出这三个星球表面发出的光子的速度。

１０结语

本文在物理学的意义相当大，不但破除了电磁波的虚拟概念，而且将正确分析红移的性质，从而动摇宇宙大爆炸、黑洞的错误理论，完全纠正了宇宙观。上一篇《论电子的一分为二》把电力线磁力线提升为电磁微子；此文《论光速的多变原理》算第

二篇吧，主要提出万有引力（中微子场）对光速的影响；很快会发表第三篇《论万有引力和强力、弱力》；合起来成为《微子论》吧！希望我的《微子论》对今后的理论和实验产生深远的影响。

参考文献：［１］王立功，王珂．论宇称守恒与不守恒并存的理论基础———根据发射的光子的具体情况而定［Ｊ］．科学家，２０１３，５（２０１７年１７期）：８２８３．

作者简介：王立功（１９３５），男，汉族，河北涿州人，万宁兴隆王立功科研中心，总经理，资深研究员，吉林高职机械科，沈阳俄专，北京化工学院夜大学化工机械专业，北京红旗夜大学英语专业，研究方向：自然科学社会科学全面创新，纠正所见谬误，改善世间自然。

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