多姿態(tài)電動輪椅控制器的設計和測試

單新穎，陳偉，閆和平

1.國家康復輔具研究中心，北京市100176；2.北京航空航天大學生物醫(yī)學工程學院，北京市100191；3.北京市老年功能障礙康復輔助技術重點實驗室，北京市100176

電動輪椅作為一種康復和移動輔具，已經(jīng)廣泛應用于殘疾人群。美國匹茲堡大學進行輪椅的控制系統(tǒng)研究，包括各種控制驅(qū)動系統(tǒng)、速度比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法、人機融合的協(xié)同輪椅系統(tǒng)和輪椅車控制系統(tǒng)的國際標準研究[1-4]。瑞典Permobil公司聯(lián)合科研機構開展前驅(qū)動控制方法、輔助站立電動輪椅車研究，實現(xiàn)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、能實現(xiàn)后背平躺功能的輪椅[5-6]。

我國電動輪椅控制系統(tǒng)研究起步較晚。中國科學院自動化所研制識別障礙物的嵌入式電動輪椅車控制器[7-8]。上海交通大學開發(fā)基于數(shù)字信號處理器(digital signal processing,DSP)的自主控制系統(tǒng)，并通過車載控制器進行導航與避障，測試電動輪椅在手動模式、半自動模式、計算機模式和全自動模式下的工作，實現(xiàn)電動輪椅的建模與軌跡控制的仿真[9-10]。北京理工大學提出一種外骨骼輪椅，通過下肢外骨骼與輪椅的有機結合，可有效保持或恢復老年人、腦卒中患者下肢運動能力，為患者提供一種方便的代步工具；用腳蹬車運動制訂康復訓練策略，通過基于人體意圖的主從式操作方法及多模態(tài)康復訓練控制流程，提高使用者的參與感[11-12]。燕山大學以降低成本和操控靈活為目標，開展基于單片機的電動輪椅車控制器研發(fā)，分析控制及驅(qū)動電路的原理，并驗證算法的可行性[13-14]。河北工業(yè)大學針對無刷輪轂電機電動輪椅車控制方法進行研究，設計低速低功率雙電機協(xié)調(diào)控制方法，提出一種聯(lián)合制動模式，構建基于DSP的控制系統(tǒng)，并進行方法測試[15-17]。上海理工大學和重慶大學開展智能聲控和腦控輪椅的機械結構、語音控制模塊的軟硬件開發(fā)，實現(xiàn)部分聲音控制輪椅[18-20]。

此類研究大部分針對輪椅平臺上的附件[21]，缺乏輪椅本身駕駛的操控性、舒適性、適老化運動屬性的控制算法研究。本文研究電動輪椅操控性的智能方法和技術，并進行Vicon運行模擬仿真測試。

1 運動感知系統(tǒng)

電動輪椅車需要提供用戶方便操作、實用友好、高可靠性的人機交互運動感知模塊，該模塊要能采集方向和速度信號[22-23]。本文采用霍爾搖桿，此搖桿簡單、操作方便，360°無死角，高低溫穩(wěn)定，低功耗。提供4路接口，2路輸出，2路電源供電，供電2引腳是5 V和0 V，2路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)-PX和ADC-PY對應搖桿信號X、Y軸，工作電壓范圍0～4.5 V。由于STM32的ADC采樣值是0～3.3 V，通過電阻分壓進行ADC采集。

人機接口STM32模塊提供的液晶顯示屏顯示豐富數(shù)據(jù)，包括電量、溫度、速度、時間，模式切換和報警，燈光提醒(圖1)。

圖1 STM32模塊提供的液晶顯示屏

2 控制系統(tǒng)

設計基于嵌入式Advanced RISC Machine(ARM)微處理器的控制模塊，可以同時實現(xiàn)兩臺電機速度的精確控制，每臺電機均可實現(xiàn)可逆運行?？刂颇K可以同時處理人機接口模塊、搖桿的環(huán)境感知模塊等信息的采集，并把這些信息通過ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制信號，經(jīng)過PID控制算法，將控制信息傳遞到驅(qū)動模塊，驅(qū)動開關管通斷，實現(xiàn)電機正反運轉(zhuǎn)；產(chǎn)生反饋信號，再通過ADC采集到控制模塊，形成PID閉環(huán)控制，實現(xiàn)對輪椅車準確、實時控制。該模塊具有以下功能：電機差速運行、限速保護、電子離合器檢測及保護、電池電壓檢測與顯示、軟起動、軟停止、負載補償、溫度保護、斜坡抑制、主動安全等?？傮w控制原理圖見圖2。

控制芯片是控制系統(tǒng)的核心。本控制芯片需要具備多路ADC、豐富I/O口、定時器輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)、串行總線(inter-integrated circuit，IIC)、控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network,CAN)總線等接口功能；根據(jù)主控制和從控制分離布局，需要選擇雙CPU主控芯片。本研究選用STM32，它是ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片，具有18個ADC采樣通道、CAN總線接口、4個通用定時器，可以產(chǎn)生精準PWM信號，方便用于電機控制，滿足控制器的設計要求。

3 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動電路采用STM32定時器產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動功率放大芯片產(chǎn)生高低電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動場效應管導通和截止，使電動實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

電機驅(qū)動原理見圖3。二路PWM分別是PWM1、PWM2，它們分別驅(qū)動2個半橋功率放大芯片(U1、U2，IR公司橋式驅(qū)動集成電路芯片)。SD1A、SD1B為使能選擇端口，輸出端口為HO、LO；HO輸出PWM同向電壓，LO輸出PWM反向電壓，輸出柵極驅(qū)動電壓范圍10～20 V，具有獨立的高低2個輸出通道，兩路通道均有滯后欠壓鎖定功能，死區(qū)時間可調(diào)。另一路驅(qū)動也采用此類方法。

場效應管Q1、Q2、Q3、Q4組成H橋，用于驅(qū)動右側直流有刷電機，端子M1a、M1b分別接直流有刷電機的正負極?？刂破髂K通過改變PWM信號的脈寬，從而改變輸出電壓的大小，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速；通過改變H橋輸出方向，改變輸出極性，從而控制電機正反轉(zhuǎn)方向。實現(xiàn)差速電機速度和方向控制。

為滿足老年人站立、躺下姿態(tài)調(diào)整，需要驅(qū)動輪椅的座椅和靠背系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整。采用上述方法驅(qū)動直流電機實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，此PWM脈寬無需調(diào)整，輸出恒定速度實現(xiàn)直流直線電機運動。

4 軟件算法

電動輪椅使用兩個直流電動機驅(qū)動輪椅運行，通過兩個電機的配合完成啟動、制動、無極調(diào)速、前進、后退、轉(zhuǎn)彎等功能；根據(jù)電動輪椅的運動學和動力學模型[24-25]，建立數(shù)學模型。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 電機驅(qū)動原理圖

圖4 輪椅運行模型圖

控制器模塊按以下公式實現(xiàn)輪椅車的運行速度和方向的計算。

差速平臺方向速度V與左右輪線速度VL、VR的關系：

差速平臺運動方向偏航角度Ω與左右輪線速度VL、VR的關系：

M為輪椅車后輪中心點到輪椅車中心點的距離。

旋轉(zhuǎn)坐標下變換，得到輪椅運行坐標和左右驅(qū)動輪椅速度之間的關系：

d為操縱桿到輪椅車后輪中心線的距離。

輪椅的方向通過兩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)角差求得，輪椅的轉(zhuǎn)速通過H橋PWM調(diào)節(jié)控制，因此，只要控制兩個電機PWM脈寬就能實現(xiàn)輪椅的運動和方向控制。另加兩個直線電機驅(qū)動輪椅姿態(tài)調(diào)整。整個控制流程圖見圖5。

5 測試

采用Vicon三維動作捕捉系統(tǒng)，對電動輪椅控制驅(qū)動進行模擬仿真測試。測試場景見圖6。主要測試輪椅左右電機實際運行時相對移位、速度、加速度。

當測試輪椅車直線前進時，左右驅(qū)動輪單位時間內(nèi)位移基本一致(圖7)；左右輪速度變化一致，且低速和高速之間有緩沖曲線，方便老年人操控(圖7)；左右驅(qū)動輪加速度變化一致，且變化范圍很小(圖7)，運行相對平穩(wěn)，乘坐舒適。

當輪椅車直線后退時，位移、速度和加速度同步性一致，變化更小，因為倒車速度小于前進速度。

同類輪椅左右轉(zhuǎn)彎時，多姿態(tài)電動輪椅車位移隨著轉(zhuǎn)向而協(xié)同性增大，轉(zhuǎn)向完畢后逐步縮小，導致速度交替變化；由于路面不同，瞬間速度和加速度有變化，但數(shù)值較小，對運行影響不大。

姿態(tài)調(diào)整測試，實現(xiàn)了坐、躺和站功能，達到預期效果。

圖5 系統(tǒng)流程圖

6 結論

本研究采用STM32為核心控制驅(qū)動系統(tǒng)，建立輪椅的運動學數(shù)學模式，感知輪椅速度和方向信號的采集，H橋驅(qū)動模塊的實現(xiàn)，設計軟件算法的流程圖，并通過Vicon的模擬仿真測試，得到位移、速度和加速度的輸出曲線效果圖，較好完成開發(fā)和驗證。但存在不同路況下加速度穩(wěn)定性差的缺點。未來需要在無刷電機驅(qū)動、反饋控制模型中繼續(xù)研究。

圖6 測試場景

圖7 多姿態(tài)電動輪椅車左右電機測試

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