基于多傳感器的爬樓輪椅底盤機(jī)構(gòu)控制策略研究*

柳姍姍, 曹東興, 王 超, 范柳彬

(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，天津 300130)

0 引 言

由于老年人和殘疾人行動(dòng)不便，出行均需要輪椅作為代步工具[1]。現(xiàn)有電動(dòng)爬樓梯輪椅存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用場合不夠廣泛，在爬樓越障時(shí)操縱復(fù)雜且不平穩(wěn)等缺陷。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種用于爬樓梯的輪腿式輪椅上的底盤機(jī)構(gòu)，作為輪椅平穩(wěn)安全上下樓梯、翻越障礙物、跨溝的主要輔助機(jī)構(gòu)[2]，配合環(huán)境感知系統(tǒng)中各傳感器模塊對(duì)外界的環(huán)境信息進(jìn)行采集，為電動(dòng)輪椅爬樓越障提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。通過主控板TMS320F2812DSP對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并傳送給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示并下發(fā)正確的動(dòng)作指令，以便底盤機(jī)構(gòu)的相關(guān)執(zhí)行部件能夠做出準(zhǔn)確的動(dòng)作，輔助電動(dòng)輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓功能。

1 底盤機(jī)構(gòu)上的傳感器檢測系統(tǒng)

底盤機(jī)構(gòu)可以輔助輪椅平穩(wěn)上下樓梯，配合安裝于其上的超聲波、紅外線和角度傳感器，實(shí)時(shí)檢測底盤機(jī)構(gòu)周圍的環(huán)境信息，使輪椅做出準(zhǔn)確的爬樓動(dòng)作。

1.1 傳感器的位置分布及作用

安裝在底盤機(jī)構(gòu)上的傳感器檢測系統(tǒng)包括：2只紅外線、2只超聲波和4只角度傳感器。根據(jù)阿貝原則和布萊恩原則[3]。，將這8只傳感器安裝在合適的位置，保證紅外線傳感器的檢測方向與臺(tái)階踏面垂直方向一致，超聲波傳感器的檢測方向與臺(tái)階踢面垂直方向一致，并且在不能保證共線時(shí)，利用角度傳感器檢測這2只傳感器與臺(tái)階垂直方向的偏差角，利用微型電機(jī)補(bǔ)償該偏差角，使這2只傳感器的檢測方向與被測位移位于同一直線上。根據(jù)底盤機(jī)構(gòu)的樣機(jī)實(shí)物，給出傳感器分布，如圖1所示。

圖1 傳感器分布示意

圖1中主要標(biāo)注了安裝于底盤左側(cè)的傳感器，在底盤右側(cè)對(duì)稱位置安裝了相同的傳感器，以底盤左側(cè)為例，說明各傳感器的作用：

1)在底盤兩側(cè)分別安裝微型電機(jī)，在該電機(jī)的輸出軸上安裝了超聲波傳感器和紅外線傳感器，兩者互為垂直探測角度，檢測輪椅底盤距樓梯臺(tái)階踢面的距離L和踏面的高度H。

2)在底盤兩側(cè)分別安裝一只角度傳感器，檢測左、右測距模塊與臺(tái)階垂直方向的偏差角α1，α2。以α1和α2為依據(jù)，通過微型電機(jī)對(duì)底盤兩側(cè)的測距模塊進(jìn)行角度修正，實(shí)現(xiàn)超聲波和紅外線傳感器時(shí)刻與被測面保持垂直的最佳測量角度。

3)在底盤的中間位置安裝了2只角度傳感器，檢測輪椅在爬樓過程中底盤的傾角θ和底盤的側(cè)翻角δ。

輪椅在爬樓過程中應(yīng)避免底盤側(cè)翻情況，即δ=0。假設(shè)可以確保底盤不會(huì)發(fā)生側(cè)翻情況，以安裝在底盤左側(cè)的角度傳感器，超聲波傳感器和紅外線傳感器為例，分析左側(cè)測距模塊與臺(tái)階垂直方向的偏差角α1與踢面距離L1、踏面距離H1之間的關(guān)系，如圖2可知，當(dāng)α1=0，測距模塊檢測到準(zhǔn)確距離值L和H；當(dāng)存在偏差角α1時(shí)，測距模塊檢測到的距離值L1和H1均存在誤差。此時(shí)，三者之間關(guān)系式為

(1)

圖2 踏面與踢面及角度關(guān)系

由此可知，α1和L1，H1互相影響，α1存在誤差必定會(huì)對(duì)L1和H1造成影響。同理，底盤右側(cè)的α2和L2，H2也存在同樣的誤差關(guān)系，如何滿足底盤兩側(cè)的ΔL和ΔH均足夠小并且使L1=L2，H1=H2，需要利用一定的控制算法使α1和α2足夠小并保證α1=α2。

1.2 傳感器模塊控制算法

由于誤差的存在，導(dǎo)致α1和α2不可能為0°，但在誤差允許范圍內(nèi)必須保證α1=α2。比如，底盤左側(cè)α1=3°時(shí)開始測距，則底盤右側(cè)也必須在α2=3°開始測距，以保證L1=L2，H1=H2，即需要底盤兩側(cè)的測距模塊做到同步測距。

要實(shí)現(xiàn)測距的同步，就必須實(shí)時(shí)跟蹤偏差角α1和α2的值。采用追蹤法[4]，以左側(cè)偏差角α1為基準(zhǔn)，左側(cè)微型電機(jī)調(diào)節(jié)α1不斷接近0°，右側(cè)微型電機(jī)調(diào)節(jié)偏差角α2不斷跟蹤α1的值，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度為Δα=α2-α1。針對(duì)以上調(diào)節(jié)過程，可知該追蹤控制方式是由微型電機(jī)和傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。輸入量為α2和α1的偏差值Δα，輸出量為微型電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)N。為了實(shí)現(xiàn)微型電機(jī)對(duì)偏差角的平衡調(diào)節(jié)，采用模糊控制的方法，若采用一維模糊控制器，只將偏差值Δα作為輸入量，容易產(chǎn)生振蕩或出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)性能較差。因此，采用二維模糊控制器，加入偏差變化率Δαc，響應(yīng)Δα的速度變快，能更好地反映被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特征[5]。如圖3所示，為加入模糊控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)

按照?qǐng)D3方式控制微型電機(jī)調(diào)節(jié)α1和α2在均接近0°的同時(shí)保持α1=α2，以便采集到精確數(shù)值并保證L1=L2，H1=H2。

2 硬件系統(tǒng)與軟件設(shè)計(jì)

2.1 TMS320F2812[6]的硬件設(shè)計(jì)

使用F2812的A/D轉(zhuǎn)換模塊、EV模塊、GPIO模塊和SCI通信模塊，對(duì)底盤機(jī)構(gòu)上的傳感器檢測系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖4為TMS320F2812對(duì)各個(gè)傳感器模塊的硬件控制方案。

圖4 硬件控制方案

1)2只紅外線傳感器和4只角度傳感器的輸出端分別連接在AD模塊的6個(gè)輸入通道引腳上。

2)2只超聲波傳感器的Trig觸發(fā)端分別連接在2個(gè)普通I/O口引腳上；Echo回響端分別連接在捕獲單元CAP1的GPIOA8_CAP1_QEP1和捕獲單元CAP2的GPIOA9_CAP2_QEP2引腳上。

3)2個(gè)5相4線的微型減速步進(jìn)電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片分別連接在GPIOA和GPIOB模塊的4個(gè)普通I/O口引腳上；

4)將下位機(jī)所有的有效數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)包形式通過SCIA模塊的SCITXDA引腳上傳給上位機(jī)，下位機(jī)通過SCIRXDA引腳接收上位機(jī)發(fā)送的命令指令。

2.2 TMS320F2812相關(guān)模塊對(duì)傳感器的軟件處理

1)AD模塊

由圖4硬件設(shè)計(jì)方案可以看出，需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的有2只紅外線傳感器和4只角度傳感器，即需要6個(gè)A/D轉(zhuǎn)換通道。選用通用定時(shí)器T1的周期中斷觸發(fā)ADC每隔10ms進(jìn)入一次中斷，對(duì)這六個(gè)通道進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。在AD中斷函數(shù)中將AD數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓值。其中，ADC的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(ADResult?4)=(VoltInput-ADCLO)/3.0×4095

(2)

式中ADResult為結(jié)果寄存器中的數(shù)字量；VoltInput為模擬電壓輸入值；ADCLO為參考電平，通常為0V。該式為理想情況下ADC的輸入/輸出關(guān)系式，但實(shí)際上，ADC模塊是存在增益誤差和偏移誤差的，降低了A/D轉(zhuǎn)換精度[7]。如圖5所示為實(shí)際和理想情況下ADC的輸入/輸出特性曲線。

圖5 ADC輸入/輸出曲線

針對(duì)ADC模塊存在的誤差，利用最小二乘法和線性回歸的思想進(jìn)行矯正，通過對(duì)多個(gè)測量點(diǎn)的分析計(jì)算，找出最佳的擬合曲線[8]。用穩(wěn)定信號(hào)源產(chǎn)生8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓，輸入通道為ADCINA0～ADCINA7。設(shè)ADC模塊的輸入/輸出曲線為y=a+bx，輸入電壓為xi，轉(zhuǎn)化輸出為yi，由最小二乘法可得方程

(3)

圖6 回歸曲線示意

2)EV模塊

EV模塊的捕獲單元CAP能夠捕獲外部輸入引腳的電平變化，當(dāng)捕獲到脈沖指定的電平變化時(shí)，將定時(shí)器計(jì)數(shù)器TxCNT的值存入捕獲單元的2級(jí)FIFO堆棧中[6]。底盤兩側(cè)的2只超聲波傳感器選擇用CAP1和CAP2兩個(gè)捕獲單元，并選用通用定時(shí)器T2作為時(shí)基。當(dāng)給超聲波傳感器的Trig引腳至少10μs的高電平信號(hào)時(shí)，其Echo引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，高電平持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間t，測量距離L=(聲速340m/s)×(t/2)[9]。為得到L值，需要計(jì)算高電平的持續(xù)時(shí)間t。方法：設(shè)置捕獲單元相關(guān)寄存器指定捕獲高、低電平，當(dāng)捕獲到高電平時(shí)，將T2CNT的值存入FIFO堆棧頂部，并賦值給變量m1；捕獲到低電平時(shí)，將T2CNT的值存入FIFO堆棧底部，并賦值給變量m2。2次值相減再乘以T2時(shí)鐘，即可得到高電平持續(xù)時(shí)間t，進(jìn)而獲得測量距離L。L計(jì)算如下

(4)

式中TCLK為定時(shí)器T2的時(shí)鐘。

3)串行通信接口模塊

串行通信接口(serial communication interface,SCI)。在整個(gè)輪椅控制系統(tǒng)中存在多個(gè)DSP，要想指定控制底盤機(jī)構(gòu)的某塊DSP與PC一對(duì)一通信，必須要給每一塊DSP分配唯一的標(biāo)識(shí)符——地址[10]，上位機(jī)通過發(fā)送地址碼指定相應(yīng)的DSP向上傳送數(shù)據(jù)，需要在通信數(shù)據(jù)格式中加入地址位。在初始化SCI模塊時(shí)，設(shè)置通信數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)地址位，1個(gè)結(jié)束位。為了保證多數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋贔IFO發(fā)送中斷函數(shù)中將傳感器檢測數(shù)值以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給PC。數(shù)據(jù)包的設(shè)置包括地址碼、數(shù)據(jù)碼長度、8個(gè)傳感器數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼、結(jié)束符[11]，其中，地址碼0x01：選定ID號(hào)為01的DSP向PC上傳數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)長度碼0x20：指示有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，包括32個(gè)16進(jìn)制的字節(jié)；8個(gè)傳感器數(shù)據(jù)：每個(gè)傳感器數(shù)值均由Float型轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制，占數(shù)組的4位，考慮到超聲波傳感器檢測數(shù)據(jù)超出256，所以,整數(shù)部分占3位，小數(shù)部分精確到2位小數(shù)，占1位；校驗(yàn)碼：累加和校驗(yàn)，用來校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性和正確性；結(jié)束符0xAD:幀尾，不能與其他數(shù)據(jù)重碼。

2.3 控制程序設(shè)計(jì)

DSP控制底盤機(jī)構(gòu)上的多個(gè)傳感器協(xié)調(diào)工作，使其實(shí)時(shí)反饋有效的測量數(shù)據(jù)，使底盤機(jī)構(gòu)輔助輪椅準(zhǔn)確動(dòng)作。如圖7所示，為控制系統(tǒng)的程序流程。

圖7 程序流程

3 上位機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示及處理

選擇MSComm控件[12]實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。在MSComm控件的傳感器界面下，分框?qū)崟r(shí)顯示8只傳感器的檢測數(shù)據(jù)。在輪椅爬樓過程中，底盤機(jī)構(gòu)不斷傾斜，測量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化，圖8為理想情況下距離值L和H實(shí)時(shí)變化的曲線，以選取底盤機(jī)構(gòu)在某個(gè)特定位姿時(shí)刻的顯示結(jié)果為例，底盤機(jī)構(gòu)顯示界面如圖9所示。

圖8 L和H的變化曲線

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示界面

可以看出：傳感器采集的數(shù)據(jù)是否正確，如曲線平滑、顯示數(shù)據(jù)連續(xù)無突變，說明底盤沒有發(fā)生非常規(guī)動(dòng)作，傳感器采集的數(shù)據(jù)正確。但是無法獲知采集數(shù)據(jù)是否精確，模糊控制算法是否對(duì)底盤兩側(cè)偏差角α1和α2的平衡調(diào)節(jié)起到了作用。針對(duì)該問題進(jìn)行無模糊控制算法和有模糊控制算法處理，觀察L1，L2和H1，H2的曲線對(duì)比，如圖10和圖11所示。

圖10 無模糊控制時(shí)曲線對(duì)比

圖11 有模糊控制時(shí)曲線對(duì)比

由圖10和圖11的曲線比較可以看出，加入模糊控制算法之后L1和L2，H1和H2的曲線基本重合，即α1≈α2，使得L1=L2，H1=H2，滿足了實(shí)驗(yàn)要求。但是為了使測量結(jié)果更加精確，進(jìn)行誤差來源以及減少誤差的方法分析；系統(tǒng)的誤差主要來源于安裝誤差和測量誤差，其次還有一些原理誤差和運(yùn)行誤差:1)安裝誤差：超聲波和紅外線傳感器的垂直安裝誤差；2)測量誤差：傳感器自身精度問題導(dǎo)致檢測誤差；3)運(yùn)行誤差：溫度、濕度、電機(jī)振動(dòng)等外界環(huán)境對(duì)傳感器的影響；4)原理誤差：AD模塊的轉(zhuǎn)換精度問題；模糊控制查詢表的優(yōu)化問題。

采取一定的措施來減小誤差。比如，由于聲速受溫度的影響，其變化關(guān)系為V=334.1+T×0.61(T為當(dāng)前溫度)，造成對(duì)超聲波測距的影響，因此增加溫度傳感器補(bǔ)償溫度對(duì)聲速的影響，則距離公式變?yōu)長=(334.1+T×0.61)×t/2[13]；A/D轉(zhuǎn)換誤差可由前述軟件校正方法或硬件添加濾波處理；利用模糊控制查表法控制微型電機(jī)對(duì)底盤兩側(cè)偏差角的平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)生的誤差，可以經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)不斷對(duì)規(guī)則表進(jìn)行修改和優(yōu)化，最終確定控制效果最優(yōu)的控制規(guī)則表[14]。

4 結(jié) 論

本文介紹了電動(dòng)輪椅在爬樓過程中，底盤機(jī)構(gòu)在傳感器檢測系統(tǒng)的輔助下，融合各傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確感知周圍環(huán)境，輔助輪椅實(shí)現(xiàn)爬樓動(dòng)作的方法，并分析了該控制系統(tǒng)中可能存在的誤差以及減小誤差的措施。該方法具有一定的普遍性，可運(yùn)用于其他爬樓或越障機(jī)器人中。但是也具有一定的缺陷，如傳感器采集數(shù)據(jù)不夠精確，程序處理方法有待優(yōu)化等，所以整體操作仍有待改善。

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