基于操作手柄新模型的電動輪椅運動控制系統

張 琳，馬瑞卿，史國棟，相里康

(1.西北工業大學，陜西西安710072;2.濟寧中銀電化有限公司，山東濟寧272000)

0 引 言

縱觀現階段電動輪椅技術，其控制策略的研究遠滯后于硬件驅動的發展。現有的驅動策略相對簡單，只設前后左右四個方向檔位，無法進行方向轉角跟隨［2］，需要實時手動控制，這不符合自動駕駛系統設計的初衷;而在電動輪椅的基礎上，結合智能機器人技術而具備避障等功能的智能輪椅已成為未來發展的重要方向，這對電動輪椅運動控制策略也就提出了更高的要求。

針對電動輪椅控制系統智能化的發展趨勢，在操作手柄新模型基礎上，本文對現有的控制策略進行了改進，設計了一種新的控制模式，以主從電機轉速跟隨算法、方向轉角位置閉環算法為核心，對雙電機進行獨立驅動控制，使電動輪椅可在非實時手控操作下完成直線運行、方向轉角跟隨、原地回轉等功能。

1 操作手柄新模型

1.1 操作手柄硬件設計

市場上電動輪椅的操作手柄由方向搖桿與速度選擇按鍵組成。其中方向搖桿設置前后左右四個方向檔，速度選擇按鍵是數字電位計。其開環控制策略相對簡單，對應方向搖桿的四個檔位以及設定的速度，配置了四套的控制指令［2］，如表1所示。

表1 電動輪椅的一種典型的控制策略

這種操作手柄與其開環控制相匹配，雖簡單可靠，卻固定了回轉半徑，限制了電動輪椅的適用范圍;同時開環控制策略要求用戶必須時刻手動操縱方向搖桿，限制了輪椅的用戶受眾。本文對操作手柄提出了以下的改進，新模型如圖1所示。

圖1 由航模遙控器改造的電動輪椅控制手柄

(1)與方向轉角閉環控制相匹配。指令給定模式調整為方向轉角外加車體速度的指令集合。

(2)設計了車體速度與方向轉角連續可調的速度轉向二維搖桿。將搖桿推動至需要的位置后按下確定按鍵即可，無需實時控制。

(3)可變的回轉半徑。在操作手柄上設置了回轉半徑一維搖桿，以便用戶根據使用場合調整。

1.2 操作手柄信號處理算法

速度轉向二維搖桿輸出與位置成線性比例的二維電壓信號，作車速與轉角的指令集合，非常適合用來控制電動輪椅［3］。用戶前/后推動可以連續調節輪椅的車速，左/右推可以連續控制輪椅的轉角。通過操作手柄信號處理算法把一個二維信號轉換為速度和轉向控制指令。

速度轉向二維搖桿輸出的信號可由圖2來表示，X軸代表轉角，以向左轉為正;Y軸代表車速，以前進為正，最大行車速度設為5 m/s。速度轉向二維搖桿是兩路互相垂直的電位計，對X軸與Y軸方向電壓與轉角、轉速對應關系的規定如圖2所示。二維電壓信號落入其中正方形區域，設某輸入指令對應A(X，Y)點，通過如圖3所示的操作手柄信號處理算法，可得到左右電機的轉速轉向控制指令。

圖2 速度轉向二維信號模型

圖3 操作手柄信號處理算法框圖

算法處理過程如下：

(1)二維電壓坐標(X，Y)→二維速度轉向坐標(V，θ)。轉化結果可由以下公式給出：

(2)左右電機運行指令的計算

電動輪椅的機械及運動模型如圖4所示。兩大輪為左右驅動輪，由一對外轉子無刷直流電動機直接驅動，前后各有一對小從動輪，在滾動的同時繞對應轉軸轉動從而實現導向功能，而且后側的導向輪可以避免后傾，增加車體的穩定性。圖中輪椅以O點為中心向左轉彎時的情景，V代表電動輪椅的質心速度，ω代表質心的角速度，Vl、Vr分別表示左右輪輪轂的線速度，ωl、ωr分別表示電動輪椅左右輪轉速，L為驅動輪間距，r表示驅動輪半徑，設由一維搖桿給出的回轉半徑為R(以向左轉彎為正)，θ是電動輪椅的車體轉彎角度(以向左轉彎為正)。假定驅動輪椅相對地面只作純滾動，由電動輪椅運動學分析可知：

圖4 電動輪椅的運動原理示意圖

以上分析可知，通過操作手柄信號處理算法，可以得到左右電機轉速與轉向的控制信號。

2 雙電機差動驅動控制模式

操作手柄新模型的原理部分已證，無需電動輪椅的運動軌跡，通過左右兩輪的轉角差即可控制車體的轉向，這就為方向轉角閉環控制奠定了基礎。

2.1 無位置傳感器的電機轉角算法

為實現轉角的閉環控制，首先應得到電機的轉角，傳統的電機位置控制系統大多采用光電碼盤等位置傳感器，成本高、機械機構復雜［2］。本文充分利用無刷直流電動機的霍爾轉子位置傳感器，通過對霍爾脈沖計數以及對中斷間隔計時的方法［4］，可得到較高精度的電機轉角。

將電機的三個霍爾信號送入單片機的電平變化通知引腳，則電機每旋轉60°的電角度單片機都會產生一個引腳中斷，在中斷程序中通過霍爾信號的代碼判斷電機的轉向并進行有方向的計數，依據計數變量的數值與符號即可間接得到電機轉角。

然而，這種轉角算法存在60°電角度的誤差，本文提出了一種便捷的改進方法。在每個管腳中斷程序中加入了計時器操作，在任意時刻通過讀取定時器即可得到距上一中斷時刻的時間，依據當前轉速計算該時間段內電機轉角，從而修正中斷計數法的轉角誤差。以左電機轉角的計算為例，具體計算過程如下：

式中：hcountL為左電機的位置標志變量;signL為左電機的轉向標志變量，其中1表示正轉，-1表示反轉;ωL為當前左電機的速度;T為左電機中斷間隔計時器的數值;θL為左電機的轉角;30°是2對極電機，則60°電角度相當于30°的機械轉角;FCY/256為定時器的時鐘頻率。

其算法流程框圖如圖5所示。

圖5 電機轉角算法的軟件流程圖

2.2 位置閉環控制

要實現電動輪椅的三種運動狀態(直線運動、轉彎以及原地回轉)，控制器需具備以下的功能：直線行駛時主從電機轉速跟隨，轉彎時導向電機轉角位置閉環。

2.2.1 主從電機轉速跟隨算法

電動輪椅直線行駛時，要求左右驅動輪以相同速度轉動，但兩電機的輸入指令一樣，也不能保證兩驅動輪的速度相同;加之響應時間的延遲、受力不均等原因，即使兩輪實時速度等同也無法保證其直線運行［2］。這就需要引進一個補償系統，對兩輪轉過的角度累計比較，使輪椅在出現微小的偏移后，能夠自行調節方向，維持初始方向沿直線運動。

將左輪定義為主動輪，右輪為從動輪。將主從電機各自的轉子霍爾位置信號送入單片機，計算各輪當前轉向、轉速［5］、累積的轉角位移，并根據左右電機轉角位置差以及實時轉速差來計算得出從動電機的轉速控制信號，并保證左右兩車輪滾過相同的距離。從動電機轉速控制圖如圖6所示。

圖6 從動電機轉速控制圖

式中：ωL、ωR為左右電機轉速;ωml、ωmr為左右電機給定轉速;θL、θR為左右電機轉角位移;Δθ為左右電機轉速之差;Δt為單位時間差;sθ為轉角位移差與轉速差的運算量;Kp、Ki、Kd為PID運算中比例項、積分項、微分項系數;Ksp、Ksi為 PI運算中比例項、積分項系數。

2.2.2 電動輪椅轉角閉環算法

電動輪椅轉彎或者原地回轉，都可以歸納為不同回轉半徑下的轉彎運動。為了減少操作指令，需要對車體方向轉角(即左右電機的轉角差)進行閉環控制，使左右電機實現差速定向。

由于轉角位置閉環是以標記電機初始位置為基礎的，為方便輸入指令的及時更新，避免誤操作，速度轉向二維搖桿可自動復位，添加了確認鍵，確認信號送入優先級較高的單片機外中斷管腳。當電動輪椅完成差速定向后，輪椅會以原速度做繼續直線運動，直至用戶更新操作手柄指令。轉角閉環算法寫在了管腳的中斷程序里，如圖7所示。

圖7 轉角閉環算法的軟件流程圖

3 運動控制系統新型控制策略的實現

依據上述的控制思想，本文所設計的運動控制器如圖8所示：樣機由操作手柄、主控單片機dsPIC30F、左右電機控制單元(MC33035與MC33039配合)，無刷直流電動機驅動以及保護單元、顯示單元(LED)等模塊［6］構成，兩對極的無刷直流行星齒輪電機36ZWN60-2420，其傳動比為3.82∶1。

圖8 電動輪椅控制系統結構框圖

4 控制策略的驗證

對電動輪椅的三種運動狀態，即直線運動、轉彎、原地回轉進行實驗，通過兩電機運行狀態來驗證控制策略的有效性。

如圖9所示，控制單元中三相霍爾信號送入測速芯片MC33039，5腳是轉速輸出腳，通過其波形頻率可得電機轉速：

式中：n為轉速;f為5腳輸出PWM波頻率;p為電機極對數，實驗樣機中為兩對極電機。

數碼管也可以在左右電機的實時轉速與輸入轉角及實際轉角之間切換顯示，這些硬件設計都為檢測在不同輸入信號下兩電機的運動狀態提供了方便。對于電動輪椅運動系統，驅動輪半徑0.20 m，驅動輪輪距為0.60 m。

圖9 控制單元中測速部分電路圖

4.1 直線行駛主從電機轉速跟隨的驗證

直線行駛時，對操作手柄輸入指令θ=0°，V=5 m/s時，位置閉環控制策略要求此時左右輪電機做轉速跟隨運動。

根據式(6)理論值，左右車輪轉速為239 r/min，圖10表示直線行駛的驗證結果，圖10(a)表示左右兩路MC33039的5腳輸出波形的頻率為184.8 Hz，依據式(14)折合成左右電機轉速分別為906 r/min與924 r/min，與圖10(b)表示經減速器后電機的輸出轉速分別為238.5 r/min與241.0 r/min，符合主從電機跟隨。

圖10 直線行駛時轉速跟隨驗證

4.2 轉彎運動時角度閉環的驗證

轉彎行駛時，位置閉環操作控制要求雙電機差速驅動。輸入信號給定為回轉半徑R=1 m，θ=30°，V=2.5 m/s。

根據式(3)，計算左右車輪轉速理論值分別為310.4 r/min與167.1 r/min。實驗結果如下：圖 11(a)顯示左右兩路5腳輸出波形的頻率理論值為239.2 Hz、130.0 Hz依據式(14)折合左右電機轉速對應為1 196 r/min與650 r/min;圖11(b)顯示經減速器后電機的輸出轉速為311.5 r/min與166.8 r/min;由圖11(c)可知，數碼管顯示用戶輸入的方向轉角為 30.5°，實際轉角為 31.0°。

4.3 原地回轉運動時角度閉環的驗證

原地回轉運動即回轉半徑R=0時的轉彎運動，雙電機同樣差速定向驅動。輸入信號給定為θ=20°，V=0，車輪線速度設為 Vm=5 m/s。

根據式(7)以及式(14)理論值：兩路MC33039的5腳輸出頻率為182.4 Hz;左右輪以239 r/min的轉速分別正反轉，實測數據如圖12所示。

5 結 語

本文以實現更為人性化、智能化的電動輪椅運動控制系統為研究目的，對以方向轉角閉環控制為核心的控制模式進行了詳細論述，并以此為依據，制作了控制器樣機加以驗證。實驗結果證實，電動輪椅直線行駛、轉彎運動、原地回轉等運行狀況下，雙電機基本可以實現轉速跟隨、差速定向等功能，不考慮到搖桿的精度以及響應延遲等誤差因素，從而驗證了該控制思想的有效性與合理性。

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［6］ 周勇，李聲晉，田海波，等.四輪獨立驅動電動車的控制器設計［J］.微特電機，2008，37(2)：31-34.