基于角度傳感器的自平衡擔(dān)架設(shè)計(jì)

侯 冰 葛全益 鐘涵海 尹晴蕓 李金澤

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

擔(dān)架作為一種常見的救援工具，在災(zāi)害救援中發(fā)揮著不可或缺的作用。普通擔(dān)架在救護(hù)過程中一直存在一定技術(shù)矛盾，想要保證運(yùn)輸速度便很難避免擔(dān)架出現(xiàn)大幅度傾斜從而對病人造成二次傷害[1]。對于患有內(nèi)傷或者是內(nèi)出血的傷病員,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜捌渖?；若想要保證運(yùn)輸平穩(wěn)就得使用更長的救援時(shí)間，從而錯(cuò)過最佳救援時(shí)機(jī)。因此，在無電梯的居民樓以及在電梯不可使用的高層建筑中如何將傷者快速且平穩(wěn)地運(yùn)送下樓成為醫(yī)療救助領(lǐng)域的一大問題。

目前為止，國外對于自平衡擔(dān)架研究主要集中在擔(dān)架車方面。比較典型的設(shè)備有FUJIDA提出的“Torancenover”，日本DAIHEN公司開發(fā)了擔(dān)架與搬運(yùn)車分離的搬運(yùn)設(shè)備。這些擔(dān)架的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能滿足特定需求，效率較低。另有國外機(jī)構(gòu)開發(fā)了一個(gè)魯棒性的自平衡控制器并建立了一個(gè)系統(tǒng)模型，但該模型忽略了用戶的動(dòng)態(tài)影響，而將其視為剛體[2]。

當(dāng)前國內(nèi)對自平衡擔(dān)架的研究尚且不夠全面。山東泰山醫(yī)學(xué)院大學(xué)生研制了一種需要人力手動(dòng)調(diào)節(jié)擔(dān)架角度的手動(dòng)平衡擔(dān)架，但人手施加的力畢竟有限，后期可能會(huì)出現(xiàn)人力控制困難。學(xué)者張欣、鄭永康設(shè)計(jì)了一款基于TRIZ功能裁減法的自平衡擔(dān)架[3]，該擔(dān)架正式引入控制的理念。但該設(shè)計(jì)僅僅提出了幾種初步的構(gòu)想。北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)自平衡功能的擔(dān)架[4]，大體上能夠滿足上下樓梯時(shí)自平衡的需求。但其擔(dān)架結(jié)構(gòu)臃腫，不便攜帶且運(yùn)輸困難。由此可見，設(shè)計(jì)一款既能解決擔(dān)架的根本技術(shù)矛盾，又能充分考慮到實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的復(fù)雜情況，同時(shí)還便攜且易于運(yùn)輸?shù)淖云胶鈸?dān)架是當(dāng)下研究的重點(diǎn)。

對此，本文介紹了一種基于角度傳感器的自平衡擔(dān)架的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)方案首次將改進(jìn)后的非線性PID算法應(yīng)用到擔(dān)架平衡的領(lǐng)域，縮短運(yùn)算時(shí)間的同時(shí)提高了擔(dān)架本身在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和魯棒性，解決了以往研究中一直存在的反應(yīng)緩慢以及震蕩嚴(yán)重的問題。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械原理分析

如圖1所示為自平衡擔(dān)架的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖，在擔(dān)架展開的情況下，將自平衡擔(dān)架下架視為固定機(jī)架，上板、電推桿的上下部分視為三個(gè)構(gòu)件。兩個(gè)軸承座之間形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，電推桿的上下兩部分與上下架形成兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。電推桿的上下兩部分之間形成一個(gè)移動(dòng)副。對稱部分則視為虛約束，計(jì)算自由度時(shí)不予考慮。

圖1

其中，可活動(dòng)構(gòu)件n=3，平面低副PL=4，PH=0，可以計(jì)算出自平衡擔(dān)架的自由度為l。此時(shí)由電推桿提供動(dòng)力，可以使擔(dān)架具有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 結(jié)構(gòu)介紹

自平衡擔(dān)架的總體尺寸為上架530*1990，下架640*2440。在制作過程中采用的鋁管的尺寸為25*38*3mm。

自平衡擔(dān)架的組成部分有：由鋁管焊接而成的底架和上架、軸承座、電推桿、用于背負(fù)的裝置以及可以約束人體的四個(gè)把手等。其中上架與下架之間通過座式軸承座和軸承相連接。電推桿通過螺栓與上下架固定。

2.2.1 動(dòng)力部分設(shè)計(jì)

擔(dān)架采用兩個(gè)相同的帶編碼器的電推桿進(jìn)行控制，電推桿最大輸出力為500N，最大前進(jìn)速度為20mm/s。電推桿的上下兩側(cè)通過兩個(gè)連接件進(jìn)行連接。

圖2 擔(dān)架圖

2.2.2 上下板連接部分設(shè)計(jì)

為了便于加工和日后維修，設(shè)計(jì)時(shí)采用座式軸承座先與板件連接，然后二者之間再通過軸承配合軸進(jìn)行連接的連接方式。

為了避免擔(dān)架運(yùn)行到死點(diǎn)位置，需認(rèn)真分析確定了連接點(diǎn)的具體位置。如圖3所示，主動(dòng)件CD帶動(dòng)AC繞回轉(zhuǎn)中心A進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)連桿與從動(dòng)曲柄共線時(shí)，若機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角γ=00，主動(dòng)件CD作用在從動(dòng)件AC上的力恰好通過回轉(zhuǎn)中心，此時(shí)達(dá)到死點(diǎn)位置。為了避免上述現(xiàn)象，應(yīng)該避免回轉(zhuǎn)中心與處于極限位置的主動(dòng)件在同一條直線，為此，設(shè)定的回轉(zhuǎn)中心高度為距離下架36mm，從而避免死點(diǎn)位置。

圖3

2.2.3 折疊部分設(shè)計(jì)

為了使擔(dān)架便于運(yùn)輸以及便于在使用過后進(jìn)行放置，需要設(shè)計(jì)折疊擔(dān)架的結(jié)構(gòu)，上下?lián)茉谥虚g位置向外部折疊可以有效地減少擔(dān)架所占用的體積。連接部分采用板接方式，使用時(shí)通過銷釘進(jìn)行鎖定。

圖4 折疊示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

本自平衡擔(dān)架控制系統(tǒng)主要由以STM32F407為核心的主控單元、由MPU6050等傳感器組成的傳感器模塊、由H橋全橋驅(qū)動(dòng)板和電推桿組成的動(dòng)力模塊、多種電壓輸出的電源模塊和包括指示燈和顯示屏等在內(nèi)的人機(jī)交互模塊組成。

控制采用閉環(huán)系統(tǒng)，閉環(huán)控制系統(tǒng)是由STM32單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)推桿、活動(dòng)擔(dān)架、MPU6050所組成。MPU6050檢測可調(diào)節(jié)擔(dān)架的傾斜角度，并將其傳送給STM32控制器，STM32控制器將當(dāng)前擔(dān)架所處角度與預(yù)設(shè)水平角度進(jìn)行比較，根據(jù)判斷結(jié)果給驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，控制電動(dòng)推桿的伸縮，從而實(shí)現(xiàn)擔(dān)架位置的控制。

圖5 控制流程圖

3.2 控制算法

3.2.1 經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器

為了保證擔(dān)架能夠更快、更平穩(wěn)地將自身的姿態(tài)調(diào)節(jié)回水平狀態(tài)，我們決定采用PID算法為中心控制算法。但經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的PID存在很大的局限性：經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器原理為用參考輸入和被調(diào)量的誤差及其微分、積分的線性組合來產(chǎn)生控制信號(hào)。但理論分析和大量的實(shí)踐表明，“線性組合”常引起快速性和超調(diào)量之間的矛盾[6]。然而，當(dāng)我們跳出“線性組合”框架時(shí)，就能找到既快又無超調(diào)的“非線性組合”形式。這就限制了經(jīng)典PID調(diào)節(jié)器的使用范圍。

3.2.2 非線性PID調(diào)節(jié)器

非線性PID是在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上引進(jìn)非線性因素來加以改進(jìn)的，控制量的基本要素不是直接取自輸入-輸出的誤差，而是經(jīng)過非線性變化后的誤差的比例、積分和微分。如圖6所示，黃色線條為線性PID，紅色線條為非線性PID，藍(lán)色線條為階躍信號(hào)。由于非線性PID控制器中的增益參數(shù)能夠隨控制誤差而變化，從而克服和減弱了非線性因素的影響，提高了控制器的魯棒性和適應(yīng)性。[7]

圖6

3.2.3 算法改進(jìn)

為了提高擔(dān)架在分析角度過程中的運(yùn)算速度，我們在非線性PID的基礎(chǔ)上對函數(shù)本身做出了改進(jìn)。在非線性PID的主要參數(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)如下：

仿真結(jié)果如下：

圖7

圖8

由仿真結(jié)果可以看到，使用sech函數(shù)的方式比原控制方式有著更平滑的曲線，誤差較小且kd值相對穩(wěn)定。當(dāng)對兩種算法輸入相同信號(hào)時(shí)，簡化的函數(shù)穩(wěn)定性稍差于簡化之前的函數(shù)，但運(yùn)算速度相對來說更快。仿真數(shù)據(jù)顯示，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為0.658 ms時(shí)，簡化的只需要0.425 ms，此時(shí)倘若使用數(shù)組查表法運(yùn)算時(shí)間還可以更短，達(dá)到0.3 毫秒左右。sech函數(shù)由于使用固定的雙曲正割函數(shù)，其定義域、值域和變化趨勢相對確定且不隨著使用條件改變而改變。此特性能用于提前建立數(shù)組，在使用時(shí)通過查表法代替計(jì)算，相對于原控制方法的求指數(shù)函數(shù)再進(jìn)行乘除運(yùn)算而言大大降低了運(yùn)算復(fù)雜程度。同時(shí)，改進(jìn)后的d項(xiàng)只有兩個(gè)參數(shù)，在整定方面比原方法簡化很多。

普通的濾波算法一般有3種：一階互補(bǔ)濾波、卡爾曼濾波和DMP。一階互補(bǔ)濾波對加速度和角速度這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)濾波來近似得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的角度。其計(jì)算量小，跟隨性好；卡爾曼濾波計(jì)算量大，動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)；而四元數(shù)（DMP）法直接輸出三個(gè)角度，數(shù)據(jù)平滑[8]。而本作品需要的數(shù)據(jù)正是三個(gè)角度，并且運(yùn)行相對緩慢，需要變化曲線相對平滑的算法。并且由于DMP為固定算法，省去了復(fù)雜的調(diào)試過程，大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間，提升了產(chǎn)品的一致性。

4 結(jié)論

此擔(dān)架可以實(shí)現(xiàn)床體自動(dòng)保持水平，解決了擔(dān)架在不平衡場地工作時(shí)一直存在的“速度”與“穩(wěn)定”之間的技術(shù)矛盾，極大地緩解了在救援過程中可能出現(xiàn)的極不必要的二次傷害。

本文的主要貢獻(xiàn)在于：

4.1 本設(shè)計(jì)首次將非線性PID引用到擔(dān)架平衡的領(lǐng)域，縮短運(yùn)算時(shí)間的同時(shí)提高了擔(dān)架本身在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和魯棒性，解決了以往研究一直存在的反應(yīng)緩慢以及震蕩嚴(yán)重的問題。

4.2 除了可以在樓梯間內(nèi)運(yùn)行，擔(dān)架自平衡的特性使得它還可以被應(yīng)用到其他路途不平坦的場景，例如山地救援。此外，擔(dān)架本身易于折疊的結(jié)構(gòu)以及輕量化的設(shè)計(jì)使得其便于運(yùn)輸和攜帶，有望將來在醫(yī)療救護(hù)領(lǐng)域普及。