轮椅水平平衡动态控制技术研究

常州机电职业技术学院 李永杰 周 斌

轮椅水平平衡动态控制技术研究

常州机电职业技术学院 李永杰 周 斌

1.绪论

1.1 智能轮椅的设计背景

随着人口老龄化问题越来越严重以及人民生活水平的提高，无论是高龄老年人还是先天或后天肢残者对轮椅等辅助步行工具的需求将日益迫切。为了给老年人和残障人士提供性能优越的代步工具，帮助他们提高行动自由度及重新融入社会。但是市场上的轮椅要么太贵，残障人士大多难以支付；要么功能不全面，系统性能太差。所以研究一种功能强大，人机界面人性化，安全性好，价格低廉的智能轮椅的任务已经迫在眉睫。

1.2 论文设计的主要内容

本项目为校企合作研究项目，主要研究面向残障人群使用的轮椅智能化技术，包括轮椅水平状态动态保持控制系统、路障识别与避让系统等技术研究，推动康复轮椅技术的智能化和产业化，推动我国福利事业的发展，具有较大的经济和社会意义。

本设计主要指标和要求：

水平状态动态保持控制系统，其主要参数如下：

（1）项目产品功能指标

项目产品在智能轮椅控制方面具自动保持平衡的功能；行进状态控制方式：自动保持（智能控制方式）。

（2）项目产品技术指标

水平状态动态纠偏速度：大于30度/秒；

水平状态动态纠偏幅度：左右纠偏大于15度；前后纠偏大于15度；突陷深度允许：5cm（可在最大范围内自行设置限值）。

本论文叙述将由总体方案的确定、控制系统硬件的设计、控制系统的软件设计以及系统的综合调试等部分构成。

2.总体方案设计

2.1 系统分析

该系统的任务就是让四轮移动轮椅在运行的过程中，能够自动检测承载重心、动态保持轮椅的水平状态，防止轮椅失重，同时保证轮椅使用者的舒适性。

智能移动轮椅是一种具有自规划、自组织、自适应能力的智能轮椅。对于智能移动轮椅的安全性、舒适性而言，其核心问题在于水平状态动态保持控制系统的研究。其中所面临的基本问题是：一方面要求有充分的环境信息，另一方面要求能处理所获得的环境信息使其转化成控制信息。

2.1.1 控制系统要求

该控制系统要满足以下几点要求： （1）实时性要求。 （2）自动保持水平状态功能。 （3）故障检测及报警功能，能实时检测到控制系统的一些故障。 （4）控制系统工作可靠、耐用，抗干扰能力强。

2.1.2 控制对象的选择

该系统的控制对象是轮椅椅面下调节平衡的电机，要求驱动电机稳速运行，采用闭环控制，速度反馈可以采用数字式或模拟式，待实验后决定。电机驱动方式应能高效率地使用电源，而且能实现正反转。轮椅平衡是通过支撑杆的伸缩进行调节的。如图1所示，轮椅支撑杆。直流电机易于控制，驱动电路十分简单，但控制不准确，鉴于本设计中需要精确控制高度，我们采用步进电机。

2.1.3 信号的采集

传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位， 传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息， 很大程度上影响和决定着系统的性能，我们要采集轮椅平衡度，需要通过角度传感器来检测平衡度，但信号微弱，需要放大。

图1 轮椅支撑杆

2.2 水平状态动态保持控制系统总体方案的确定

基于以上的分析，确定系统的初步总体硬件设计方案，系统由控制单元、角度传感器、采样滤波电路、步进电机驱动等模块组成，如图2所示。

3.硬件设计

通过前面分析，得到了系统的基本结构，接下来将介绍硬件系统的设计与集成。

3.1 控制单元的选择与设计

控制单元是系统通过信号采集分析环境做出逻辑判断的器件，这里考虑到接口衔接、系统体积等相关因素，采用单片机作为控制核心。

图3 SCA60C工作原理图

3.2 角度传感器的选择与设计

传感器在现代信息技术中有着举足轻重的地位，传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息，很大程度上影响和决定着系统的性能，本系统采用倾角传感器检测轮椅倾斜角度。

SCA60C倾角传感器是一款低能耗的倾角传感器，可以应用在移动的设备中。它的性能良好，绝对精度最低可以达到1度，并且耗电极低。 特点：单轴倾角传感器，测量范围 1g(±90°)，单极5V供电，比例电压输出，模拟0.5-4.5V电压输出，工作温度范围宽，成本低，性价比高，应用在单轴平台调平，倾斜测量，抗冲击能力强，适用垂直方向的各种角度的测量，多用于民用测量，如智能车身平衡检测等，基于以上优点，所以本次设计采用SCA60C倾角传感器作为数据采集模块。其工作原理如图3所示。

角度传感器硬件连接图如图4所示，当倾角传感器SCA60C 处于水平位置时，Vo端输出+0.5V 的模拟电压。传感器SCA60C 仅可精确检测到0～90度的角度范围，当角度传感器与水平面成90 度的角度时，此时Vo 端输出+5V 的模拟电压。在0～90 度的倾角范围内，Vo 端输出的是正比于倾角大小的+0.5～+5V 的模拟电压信号，当角度传感器与水平面间的角度从90 度到180 度的范围变化时，输出端Vo 输出的是从+5V 依次变化到+0.5V 的模拟电压信号， 因此通过测定传感器SCA60C 输出端Vo 电压的大小即可确定轮椅与水平面的夹角。

图4 角度传感器硬件连接图

3.3 步进电机驱动电路设计

之前已近将步进电机与直流电机做了初步比较，这里轮椅的平衡保持驱动采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

为了很好的控制步进电机我们选用L298N作为控制驱动。IN1，IN2，IN3，IN4接收脉冲信号L298N的1脚和15脚发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之间可分别接电动机的一相。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机的停转。

控制步进电机的运行速度只要控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期，即在升速过程中，使脉冲的输出频率逐渐增加；在减速过程中，使脉冲的输出频率逐渐减少，L298N驱动电路图如图5所示。

图5 L298N驱动电路

3.4 采样滤波电路的设计

模拟信号转换成数字信号以后，才能利用单片机系统对其处理，因此A/D转换器是整个采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。

我们选用AD7705作为本设计的AD转换器。AD7705是AD 公司新推出的16 位Σ-ΔA/D转换器，可用于测量低频模拟信号。这种器件带有增益可编程放大器， 可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。AD7705/ AD7706 具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点， 因而非常适合本设计使用场合。

AD7705 是一个完整的16 位A/D 转换器。在应用时只需接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容即可连续进行A/ D 转换。A/ D转换接口电路如图6所示。

图6 A/ D 转换接口电路

滤波方法有硬件滤波和软件滤波。硬件滤波主要是通过电容电阻组合电路滤波，不适合用于信号快速变化的场合，对采集的信号有一定的抑制作用，且很容易滤掉有用的信号，因此采用软件滤波方法，详细方法见下一章节介绍。

4.软件设计

系统的软件设计较为简单，主要包括系统的初始化、水平判断、滤波等环节。其中水平判断的方法是分别采集到轮椅伸缩杆上的各个角度传感器的数据，然后进行比较，取其中的平均值，然后根据平均值来进行分析，以确定伸缩杆哪个进行动作，软件流程图如图7所示。

图7 流程图

5.总结

本论文的关键点是平衡系统的设计。良好的策略可以在一定程度上提高系统运行的实时性、实用性。随着智能移动应用领域的不断扩大，设备的工作环境越来越复杂，对避障的要求也越来越高。然而目前每种平衡方法都存在一定的局限性，多传感器的融合技术的使用，使得智能移动设备采集到不同的信息，通过对这些大量信息的分析和计算，充分利用每种避障方法的优点，消除传感器采集到的冗余信息，实现更加智能的运行。

在本系统中采用了步进电机来调整系统的水平，但是步进电机存在以下一些问题：（1）动力输出不大，对于负载较大的载物平台可能不适用，可以采用液压传动调节的方式来改进，增大其动力输出。（2）对于误差的控制还存在许多问题，选择其他的动力设备，同时采用专用的更高位数的AD转换器来进行信号采样，实现更高精度的控制。

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课题：常州机电职业技术学院院级研究课题，项目编号：2016YBKJ01康复智能轮椅水平平衡动态控制技术研究“江苏高校品牌专业建设工程资助项目”，项目编码：PPZY2015C238。

李永杰 （1997—），江苏淮安人，专科在读，研究方向：自动化控制。

周斌（1983—），江苏镇江人，实验师，硕士，研究方向：自动化控制。