輪椅水平平衡動態控制技術研究

常州機電職業技術學院 李永杰 周 斌

輪椅水平平衡動態控制技術研究

常州機電職業技術學院 李永杰 周 斌

1.緒論

1.1 智能輪椅的設計背景

隨著人口老齡化問題越來越嚴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越的代步工具，幫助他們提高行動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，系統性能太差。所以研究一種功能強大，人機界面人性化，安全性好，價格低廉的智能輪椅的任務已經迫在眉睫。

1.2 論文設計的主要內容

本項目為校企合作研究項目，主要研究面向殘障人群使用的輪椅智能化技術，包括輪椅水平狀態動態保持控制系統、路障識別與避讓系統等技術研究，推動康復輪椅技術的智能化和產業化，推動我國福利事業的發展，具有較大的經濟和社會意義。

本設計主要指標和要求：

水平狀態動態保持控制系統，其主要參數如下：

（1）項目產品功能指標

項目產品在智能輪椅控制方面具自動保持平衡的功能；行進狀態控制方式：自動保持（智能控制方式）。

（2）項目產品技術指標

水平狀態動態糾偏速度：大于30度/秒；

水平狀態動態糾偏幅度：左右糾偏大于15度；前后糾偏大于15度；突陷深度允許：5cm（可在最大范圍內自行設置限值）。

本論文敘述將由總體方案的確定、控制系統硬件的設計、控制系統的軟件設計以及系統的綜合調試等部分構成。

2.總體方案設計

2.1 系統分析

該系統的任務就是讓四輪移動輪椅在運行的過程中，能夠自動檢測承載重心、動態保持輪椅的水平狀態，防止輪椅失重，同時保證輪椅使用者的舒適性。

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

2.1.1 控制系統要求

該控制系統要滿足以下幾點要求： （1）實時性要求。 （2）自動保持水平狀態功能。 （3）故障檢測及報警功能，能實時檢測到控制系統的一些故障。 （4）控制系統工作可靠、耐用，抗干擾能力強。

2.1.2 控制對象的選擇

該系統的控制對象是輪椅椅面下調節平衡的電機，要求驅動電機穩速運行，采用閉環控制，速度反饋可以采用數字式或模擬式，待實驗后決定。電機驅動方式應能高效率地使用電源，而且能實現正反轉。輪椅平衡是通過支撐桿的伸縮進行調節的。如圖1所示，輪椅支撐桿。直流電機易于控制，驅動電路十分簡單，但控制不準確，鑒于本設計中需要精確控制高度，我們采用步進電機。

2.1.3 信號的采集

傳感器在現代信息技術中有著舉足輕重的地位， 傳感器為系統提供進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 水平狀態動態保持控制系統總體方案的確定

基于以上的分析，確定系統的初步總體硬件設計方案，系統由控制單元、角度傳感器、采樣濾波電路、步進電機驅動等模塊組成，如圖2所示。

3.硬件設計

通過前面分析，得到了系統的基本結構，接下來將介紹硬件系統的設計與集成。

3.1 控制單元的選擇與設計

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

圖3 SCA60C工作原理圖

3.2 角度傳感器的選擇與設計

傳感器在現代信息技術中有著舉足輕重的地位，傳感器為系統提供進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的性能，本系統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，可以應用在移動的設備中。它的性能良好，絕對精度最低可以達到1度，并且耗電極低。 特點：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，性價比高，應用在單軸平臺調平，傾斜測量，抗沖擊能力強，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，基于以上優點，所以本次設計采用SCA60C傾角傳感器作為數據采集模塊。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，當傾角傳感器SCA60C 處于水平位置時，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，當角度傳感器與水平面成90 度的角度時，此時Vo 端輸出+5V 的模擬電壓。在0～90 度的傾角范圍內，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，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 步進電機驅動電路設計

之前已近將步進電機與直流電機做了初步比較，這里輪椅的平衡保持驅動采用步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。

為了很好的控制步進電機我們選用L298N作為控制驅動。IN1，IN2，IN3，IN4接收脈沖信號L298N的1腳和15腳發射極分別單獨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之間可分別接電動機的一相。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA，ENB控制使能端，控制電機的停轉。

控制步進電機的運行速度只要控制系統發出時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驅動電路圖如圖5所示。

圖5 L298N驅動電路

3.4 采樣濾波電路的設計

模擬信號轉換成數字信號以后，才能利用單片機系統對其處理，因此A/D轉換器是整個采集系統的核心，也是影響數據采集系統采樣速率和精度的主要因素之一。

我們選用AD7705作為本設計的AD轉換器。AD7705是AD 公司新推出的16 位Σ-ΔA/D轉換器，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、動態范圍廣、自校準等特點， 因而非常適合本設計使用場合。

AD7705 是一個完整的16 位A/D 轉換器。在應用時只需接晶體振蕩器、精密基準源和少量去耦電容即可連續進行A/ D 轉換。A/ D轉換接口電路如圖6所示。

圖6 A/ D 轉換接口電路

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，詳細方法見下一章節介紹。

4.軟件設計

系統的軟件設計較為簡單，主要包括系統的初始化、水平判斷、濾波等環節。其中水平判斷的方法是分別采集到輪椅伸縮桿上的各個角度傳感器的數據，然后進行比較，取其中的平均值，然后根據平均值來進行分析，以確定伸縮桿哪個進行動作，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 流程圖

5.總結

本論文的關鍵點是平衡系統的設計。良好的策略可以在一定程度上提高系統運行的實時性、實用性。隨著智能移動應用領域的不斷擴大，設備的工作環境越來越復雜，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的使用，使得智能移動設備采集到不同的信息，通過對這些大量信息的分析和計算，充分利用每種避障方法的優點，消除傳感器采集到的冗余信息，實現更加智能的運行。

在本系統中采用了步進電機來調整系統的水平，但是步進電機存在以下一些問題：（1）動力輸出不大，對于負載較大的載物平臺可能不適用，可以采用液壓傳動調節的方式來改進，增大其動力輸出。（2）對于誤差的控制還存在許多問題，選擇其他的動力設備，同時采用專用的更高位數的AD轉換器來進行信號采樣，實現更高精度的控制。

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課題：常州機電職業技術學院院級研究課題，項目編號：2016YBKJ01康復智能輪椅水平平衡動態控制技術研究“江蘇高校品牌專業建設工程資助項目”，項目編碼：PPZY2015C238。

李永杰 （1997—），江蘇淮安人，專科在讀，研究方向：自動化控制。

周斌（1983—），江蘇鎮江人，實驗師，碩士，研究方向：自動化控制。