輪椅水平平衡動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李永杰 周 斌

輪椅水平平衡動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李永杰 周 斌

1.緒論

1.1 智能輪椅的設(shè)計(jì)背景

隨著人口老齡化問題越來越嚴(yán)重以及人民生活水平的提高，無論是高齡老年人還是先天或后天肢殘者對輪椅等輔助步行工具的需求將日益迫切。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具，幫助他們提高行動(dòng)自由度及重新融入社會。但是市場上的輪椅要么太貴，殘障人士大多難以支付；要么功能不全面，系統(tǒng)性能太差。所以研究一種功能強(qiáng)大，人機(jī)界面人性化，安全性好，價(jià)格低廉的智能輪椅的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。

1.2 論文設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

本項(xiàng)目為校企合作研究項(xiàng)目，主要研究面向殘障人群使用的輪椅智能化技術(shù)，包括輪椅水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)保持控制系統(tǒng)、路障識別與避讓系統(tǒng)等技術(shù)研究，推動(dòng)康復(fù)輪椅技術(shù)的智能化和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)我國福利事業(yè)的發(fā)展，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。

本設(shè)計(jì)主要指標(biāo)和要求：

水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)保持控制系統(tǒng)，其主要參數(shù)如下：

（1）項(xiàng)目產(chǎn)品功能指標(biāo)

項(xiàng)目產(chǎn)品在智能輪椅控制方面具自動(dòng)保持平衡的功能；行進(jìn)狀態(tài)控制方式：自動(dòng)保持（智能控制方式）。

（2）項(xiàng)目產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)糾偏速度：大于30度/秒；

水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)糾偏幅度：左右糾偏大于15度；前后糾偏大于15度；突陷深度允許：5cm（可在最大范圍內(nèi)自行設(shè)置限值）。

本論文敘述將由總體方案的確定、控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的綜合調(diào)試等部分構(gòu)成。

2.總體方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)的任務(wù)就是讓四輪移動(dòng)輪椅在運(yùn)行的過程中，能夠自動(dòng)檢測承載重心、動(dòng)態(tài)保持輪椅的水平狀態(tài)，防止輪椅失重，同時(shí)保證輪椅使用者的舒適性。

智能移動(dòng)輪椅是一種具有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的智能輪椅。對于智能移動(dòng)輪椅的安全性、舒適性而言，其核心問題在于水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)保持控制系統(tǒng)的研究。其中所面臨的基本問題是：一方面要求有充分的環(huán)境信息，另一方面要求能處理所獲得的環(huán)境信息使其轉(zhuǎn)化成控制信息。

2.1.1 控制系統(tǒng)要求

該控制系統(tǒng)要滿足以下幾點(diǎn)要求： （1）實(shí)時(shí)性要求。 （2）自動(dòng)保持水平狀態(tài)功能。 （3）故障檢測及報(bào)警功能，能實(shí)時(shí)檢測到控制系統(tǒng)的一些故障。 （4）控制系統(tǒng)工作可靠、耐用，抗干擾能力強(qiáng)。

2.1.2 控制對象的選擇

該系統(tǒng)的控制對象是輪椅椅面下調(diào)節(jié)平衡的電機(jī)，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行，采用閉環(huán)控制，速度反饋可以采用數(shù)字式或模擬式，待實(shí)驗(yàn)后決定。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)能高效率地使用電源，而且能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。輪椅平衡是通過支撐桿的伸縮進(jìn)行調(diào)節(jié)的。如圖1所示，輪椅支撐桿。直流電機(jī)易于控制，驅(qū)動(dòng)電路十分簡單，但控制不準(zhǔn)確，鑒于本設(shè)計(jì)中需要精確控制高度，我們采用步進(jìn)電機(jī)。

2.1.3 信號的采集

傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位， 傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息， 很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的性能，我們要采集輪椅平衡度，需要通過角度傳感器來檢測平衡度，但信號微弱，需要放大。

圖1 輪椅支撐桿

2.2 水平狀態(tài)動(dòng)態(tài)保持控制系統(tǒng)總體方案的確定

基于以上的分析，確定系統(tǒng)的初步總體硬件設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)由控制單元、角度傳感器、采樣濾波電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊組成，如圖2所示。

3.硬件設(shè)計(jì)

通過前面分析，得到了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，接下來將介紹硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與集成。

3.1 控制單元的選擇與設(shè)計(jì)

控制單元是系統(tǒng)通過信號采集分析環(huán)境做出邏輯判斷的器件，這里考慮到接口銜接、系統(tǒng)體積等相關(guān)因素，采用單片機(jī)作為控制核心。

圖3 SCA60C工作原理圖

3.2 角度傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

傳感器在現(xiàn)代信息技術(shù)中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統(tǒng)提供進(jìn)行處理和決策所必需的原始信息，很大程度上影響和決定著系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)采用傾角傳感器檢測輪椅傾斜角度。

SCA60C傾角傳感器是一款低能耗的傾角傳感器，可以應(yīng)用在移動(dòng)的設(shè)備中。它的性能良好，絕對精度最低可以達(dá)到1度，并且耗電極低。 特點(diǎn)：單軸傾角傳感器，測量范圍 1g(±90°)，單極5V供電，比例電壓輸出，模擬0.5-4.5V電壓輸出，工作溫度范圍寬，成本低，性價(jià)比高，應(yīng)用在單軸平臺調(diào)平，傾斜測量，抗沖擊能力強(qiáng)，適用垂直方向的各種角度的測量，多用于民用測量，如智能車身平衡檢測等，基于以上優(yōu)點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)采用SCA60C傾角傳感器作為數(shù)據(jù)采集模塊。其工作原理如圖3所示。

角度傳感器硬件連接圖如圖4所示，當(dāng)傾角傳感器SCA60C 處于水平位置時(shí)，Vo端輸出+0.5V 的模擬電壓。傳感器SCA60C 僅可精確檢測到0～90度的角度范圍，當(dāng)角度傳感器與水平面成90 度的角度時(shí)，此時(shí)Vo 端輸出+5V 的模擬電壓。在0～90 度的傾角范圍內(nèi)，Vo 端輸出的是正比于傾角大小的+0.5～+5V 的模擬電壓信號，當(dāng)角度傳感器與水平面間的角度從90 度到180 度的范圍變化時(shí)，輸出端Vo 輸出的是從+5V 依次變化到+0.5V 的模擬電壓信號， 因此通過測定傳感器SCA60C 輸出端Vo 電壓的大小即可確定輪椅與水平面的夾角。

圖4 角度傳感器硬件連接圖

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

之前已近將步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)做了初步比較，這里輪椅的平衡保持驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

為了很好的控制步進(jìn)電機(jī)我們選用L298N作為控制驅(qū)動(dòng)。IN1，IN2，IN3，IN4接收脈沖信號L298N的1腳和15腳發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)的一相。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。

控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少，L298N驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5所示。

圖5 L298N驅(qū)動(dòng)電路

3.4 采樣濾波電路的設(shè)計(jì)

模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以后，才能利用單片機(jī)系統(tǒng)對其處理，因此A/D轉(zhuǎn)換器是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心，也是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。

我們選用AD7705作為本設(shè)計(jì)的AD轉(zhuǎn)換器。AD7705是AD 公司新推出的16 位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，可用于測量低頻模擬信號。這種器件帶有增益可編程放大器， 可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。AD7705/ AD7706 具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)， 因而非常適合本設(shè)計(jì)使用場合。

AD7705 是一個(gè)完整的16 位A/D 轉(zhuǎn)換器。在應(yīng)用時(shí)只需接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容即可連續(xù)進(jìn)行A/ D 轉(zhuǎn)換。A/ D轉(zhuǎn)換接口電路如圖6所示。

圖6 A/ D 轉(zhuǎn)換接口電路

濾波方法有硬件濾波和軟件濾波。硬件濾波主要是通過電容電阻組合電路濾波，不適合用于信號快速變化的場合，對采集的信號有一定的抑制作用，且很容易濾掉有用的信號，因此采用軟件濾波方法，詳細(xì)方法見下一章節(jié)介紹。

4.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)較為簡單，主要包括系統(tǒng)的初始化、水平判斷、濾波等環(huán)節(jié)。其中水平判斷的方法是分別采集到輪椅伸縮桿上的各個(gè)角度傳感器的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行比較，取其中的平均值，然后根據(jù)平均值來進(jìn)行分析，以確定伸縮桿哪個(gè)進(jìn)行動(dòng)作，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 流程圖

5.總結(jié)

本論文的關(guān)鍵點(diǎn)是平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。良好的策略可以在一定程度上提高系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性、實(shí)用性。隨著智能移動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，設(shè)備的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，對避障的要求也越來越高。然而目前每種平衡方法都存在一定的局限性，多傳感器的融合技術(shù)的使用，使得智能移動(dòng)設(shè)備采集到不同的信息，通過對這些大量信息的分析和計(jì)算，充分利用每種避障方法的優(yōu)點(diǎn)，消除傳感器采集到的冗余信息，實(shí)現(xiàn)更加智能的運(yùn)行。

在本系統(tǒng)中采用了步進(jìn)電機(jī)來調(diào)整系統(tǒng)的水平，但是步進(jìn)電機(jī)存在以下一些問題：（1）動(dòng)力輸出不大，對于負(fù)載較大的載物平臺可能不適用，可以采用液壓傳動(dòng)調(diào)節(jié)的方式來改進(jìn)，增大其動(dòng)力輸出。（2）對于誤差的控制還存在許多問題，選擇其他的動(dòng)力設(shè)備，同時(shí)采用專用的更高位數(shù)的AD轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行信號采樣，實(shí)現(xiàn)更高精度的控制。

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課題：常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級研究課題，項(xiàng)目編號：2016YBKJ01康復(fù)智能輪椅水平平衡動(dòng)態(tài)控制技術(shù)研究“江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目”，項(xiàng)目編碼：PPZY2015C238。

李永杰 （1997—），江蘇淮安人，?？圃谧x，研究方向：自動(dòng)化控制。

周斌（1983—），江蘇鎮(zhèn)江人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：自動(dòng)化控制。