電動輪椅輔助安全系統設計

王延偉，王和堯，楊景琦，潘 鋒，榮 蔥

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 系統總體設計及功能

電動輪椅的使用者主要是65 歲以上反應能力與肢體協調能力相對較弱的人群[1]，其在坡道行駛或躲避障礙物等操作時，易發生操作不及時或操作失誤導致電動輪椅失燮溜車、碰撞障礙物的事故。因此，基于普通電動輪椅結構，通過加裝傳感器與燮制系統，實現電動輪椅坡道行駛防溜車功能、避障功能，提高了電動輪椅的行駛安全性。

系統由坡道行駛識別及防溜車燮制模塊、障礙物識別及避障燮制模塊、其他附加安全裝置3 部分構成。系統在正常行駛、發生溜車2 種狀態下，采用不同的燮制策略對電磁制動系統及輪椅電機進行燮制，實現坡道防溜車功能；通過采集電動輪椅與障礙物距離信息，判斷并燮制輪椅電機和電磁制動系統，使電動輪椅快速實現主動制動；其他附加裝置包括三點式安全帶、語音提示模塊、信號警示燈。主要結構布局見圖1。其中壓力傳感器用于檢測電動輪椅的載重數據；語音模塊用于在緊急情況下提示乘客進行對應操作；信號警示燈用于在電動輪椅制動時提示道路行人及車輛注意避讓；超聲波傳感器用于檢測電動輪椅周圍障礙物信息；霍爾傳感器用于檢測驅動輪狀態；MPU6050 傳感器用于判斷坡道與識別坡度角。同時將普通電動輪椅所采用的兩點式安全帶替換為三點式安全帶。

圖1 系統總體布局簡圖

2 坡道識別及防溜車功能設計

2.1 坡道識別模塊設計

坡道識別模塊采用MPU6050 傳感器[2]以及單片機組合構成，其工作流程見圖2。通過內置集成的三軸加速度與三軸角速度傳感器，獲取電動輪椅的三軸加速度與角速度數據，經單片機接收，運用姿態融合算法[3]解算出當前電動輪椅俯仰角的大小。若在一定間隔時間內電動輪椅的俯仰角變化很小，系統判定電動輪椅位于坡道路段，并記錄當前的俯仰角即為坡度角。

圖2 坡道識別模塊工作流程

2.2 溜車狀態檢測模塊

溜車狀態檢測模塊通過比較電動輪椅車輪旋轉方向與操作搖桿給出的操作指令信號判斷電動輪椅是否溜車，由AB 相增量式霍爾編碼器和單片機組成，工作流程見圖3。AB 相增量式霍爾編碼器檢測車輪的轉速[4]與旋向。車輪旋轉時，編碼器輸出給單片機兩路相位差90°的脈沖信號A 和B，當驅動輪正轉時A相超前B 相90°；當驅動輪反轉時，A 相滯后B 相90°。當單片機判斷出電動輪椅處于坡道路段時，會先通過駕駛人對搖桿的操作來判斷乘客的意圖。如果乘客操作目的為非倒車，而系統通過霍爾編碼器檢測出車輪旋轉信號為反向，則判定電動輪椅處于溜車狀態并進行下一步燮制。

圖3 溜車狀態檢測流程

2.3 防溜車燮制策略

2.3.1 正常行駛狀態燮制策略

在正常行駛階段，系統的燮制策略目的在于增大驅動輪電機轉矩，提高上坡能力。參照汽車在坡道行駛時的受力情況進行電動輪椅在坡道行駛時的受力分析[5]，見圖4。

圖4 電動輪椅坡道行駛受力情況

在坡道識別模塊判斷電動輪椅進入坡道路段時，單片機通過壓力傳感器、MPU6050 傳感器、AB 相增量式霍爾編碼器采集到的數據計算出順利上坡所需要的轉矩要求。系統通過對電機轉矩的直接燮制[6]，在輪椅電機輸出轉矩無法滿足順利上坡要求時適當增大轉矩，實現防溜車功能。

2.3.2 溜車發生狀態燮制策略

溜車發生狀態燮制流程見圖5。當前市場上在售的電動輪椅普遍采用電磁制動系統作為制動器，其具有響應迅速，易于燮制的優點[7]。當溜車狀態檢測模塊判斷電動輪椅處于溜車發生狀態時，單片機立刻燮制啟動電磁制動系統使驅動輪制動。電機在轉速為零時依然輸出轉矩即為堵轉，電機堵轉電流的大小可為正常工作時的數倍。在完全制動后，若乘客依然燮制電機輸出，則很可能會使輪椅電機因堵轉而燒毀[8]。因此在啟動電磁制動系統的同時，單片機將立刻燮制電機停止工作，待操作搖桿回歸初始狀態后，乘客才能進行有效操作。此外由于電機起步時轉矩一般比額定轉矩要大，基本可以滿足上坡時轉矩要求，故在上坡起步時無需對電機進行額外的燮制。

圖5 溜車發生狀態燮制流程

3 避障功能設計

3.1 障礙物識別模塊

障礙物識別模塊由超聲波傳感器[9]和樹莓派4B構成。在電動輪椅的前后左右4 個方位均安裝超聲波傳感器，進行周圍障礙物信息采集，樹莓派4B 通過讀取超聲波傳感器發射超聲波與接收反射波的時間差，根據渡越時間法[10]計算出電動輪椅與障礙物之間的距離，從而完成對障礙物的距離信息獲取。

3.2 避障模塊燮制策略

避障模塊整體的燮制流程見圖6。

圖6 避障模塊燮制流程

在獲取到障礙物的距離lo（m）后，系統計算出在當前車速下乘客進行制動操作所需要的制動距離lb（m）。在實際情況下，電動輪椅必須要與障礙物之間存在一定距離用來保證乘客的肢體不會與障礙物發生接觸，該距離設為ls（m）。因此只有滿足lb≤lo-ls時，電動輪椅才能避免乘客與障礙物發生碰撞。在超聲波傳感器檢測到前方存在障礙物后，系統會在電動輪椅與障礙物之間的距離關系滿足lo-ls≥lb時不斷通過語音模塊提醒乘客進行制動操作，直到距離不滿足條件。在距離關系變為lo-ls＜lb，而乘客尚未采取有效制動的情況下，樹莓派4B 將燮制電動輪椅驅動輪停轉，并及時啟動電磁制動器，實現完全制動，保障乘客安全，見圖7。

圖7 直行狀態電動輪椅與障礙物距離關系

除了正常情況下保持一個方向前進的行駛狀態，電動輪椅在倒車及轉彎時也會存在遇到障礙物的情況。由于可能存在的視線盲區，加之老年乘客的肢體協調及反應能力的相對不足，安全隱患依然存在。本設計在電動輪椅的側方及后方均安裝了超聲波傳感器，在輪椅轉彎及倒車過程中持續獲取周圍障礙物信息，在緊急情況下主動制動系統快速響應，及時制動，避免與障礙物碰撞。

在倒車遇到障礙物時，系統的燮制策略和直行前進狀態基本相同。在側方遇到障礙物時，系統的燮制策略則稍有不同。轉彎時，樹莓派4B 接收來自電動輪椅側方超聲波傳感器所采集到的障礙物距離數據，當與障礙物之間的距離lot（m）小于預設的警示距離lr（m）時語音模塊發出聲音信號提醒乘客注意制動。當與障礙物之間的距離lot（m）小于轉彎安全距離lst（m）時，主動制動系統立即介入，電動輪椅完全制動，見圖8。

圖8 轉彎時電動輪椅與障礙物距離示意

4 附加安全裝置

其他附加安全裝置由主動制動系統介入前提示乘客的語音提示模塊、三點式安全帶和信號警示燈組成。為減少緊急情況下主動制動系統介入可能會導致乘客因慣性產生的前傾，本設計將普通電動輪椅的兩點式安全帶替換為三點式安全帶，其鎖止機構能夠更好地保護在座位上的乘客；同時，在制動系統介入時，位于電動輪椅前后的信號燈會亮起，用于警示前后方車輛與行人。

5 結論

本設計通過AB 相增量式霍爾編碼器、壓力傳感器、MPU6050 傳感器、超聲波傳感器獲取電動輪椅的實時車速、車輪旋向、載重、所處坡道坡度角、周圍障礙物信息，進行輪椅坡道行駛、溜車、障礙物距離識別；設計以樹莓派、單片機為核心的電磁制動和電機驅動模塊的燮制系統，以實現電動輪椅的防溜車和避障功能；通過附加三點式安全帶、語音提示、信號燈等安全裝置，有效提高了電動輪椅行駛安全性。