电动轮椅辅助安全系统设计

王延伟，王和尧，杨景琦，潘 锋，荣 葱

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

1 系统总体设计及功能

电动轮椅的使用者主要是65 岁以上反应能力与肢体协调能力相对较弱的人群[1]，其在坡道行驶或躲避障碍物等操作时，易发生操作不及时或操作失误导致电动轮椅失燮溜车、碰撞障碍物的事故。因此，基于普通电动轮椅结构，通过加装传感器与燮制系统，实现电动轮椅坡道行驶防溜车功能、避障功能，提高了电动轮椅的行驶安全性。

系统由坡道行驶识别及防溜车燮制模块、障碍物识别及避障燮制模块、其他附加安全装置3 部分构成。系统在正常行驶、发生溜车2 种状态下，采用不同的燮制策略对电磁制动系统及轮椅电机进行燮制，实现坡道防溜车功能；通过采集电动轮椅与障碍物距离信息，判断并燮制轮椅电机和电磁制动系统，使电动轮椅快速实现主动制动；其他附加装置包括三点式安全带、语音提示模块、信号警示灯。主要结构布局见图1。其中压力传感器用于检测电动轮椅的载重数据；语音模块用于在紧急情况下提示乘客进行对应操作；信号警示灯用于在电动轮椅制动时提示道路行人及车辆注意避让；超声波传感器用于检测电动轮椅周围障碍物信息；霍尔传感器用于检测驱动轮状态；MPU6050 传感器用于判断坡道与识别坡度角。同时将普通电动轮椅所采用的两点式安全带替换为三点式安全带。

图1 系统总体布局简图

2 坡道识别及防溜车功能设计

2.1 坡道识别模块设计

坡道识别模块采用MPU6050 传感器[2]以及单片机组合构成，其工作流程见图2。通过内置集成的三轴加速度与三轴角速度传感器，获取电动轮椅的三轴加速度与角速度数据，经单片机接收，运用姿态融合算法[3]解算出当前电动轮椅俯仰角的大小。若在一定间隔时间内电动轮椅的俯仰角变化很小，系统判定电动轮椅位于坡道路段，并记录当前的俯仰角即为坡度角。

图2 坡道识别模块工作流程

2.2 溜车状态检测模块

溜车状态检测模块通过比较电动轮椅车轮旋转方向与操作摇杆给出的操作指令信号判断电动轮椅是否溜车，由AB 相增量式霍尔编码器和单片机组成，工作流程见图3。AB 相增量式霍尔编码器检测车轮的转速[4]与旋向。车轮旋转时，编码器输出给单片机两路相位差90°的脉冲信号A 和B，当驱动轮正转时A相超前B 相90°；当驱动轮反转时，A 相滞后B 相90°。当单片机判断出电动轮椅处于坡道路段时，会先通过驾驶人对摇杆的操作来判断乘客的意图。如果乘客操作目的为非倒车，而系统通过霍尔编码器检测出车轮旋转信号为反向，则判定电动轮椅处于溜车状态并进行下一步燮制。

图3 溜车状态检测流程

2.3 防溜车燮制策略

2.3.1 正常行驶状态燮制策略

在正常行驶阶段，系统的燮制策略目的在于增大驱动轮电机转矩，提高上坡能力。参照汽车在坡道行驶时的受力情况进行电动轮椅在坡道行驶时的受力分析[5]，见图4。

图4 电动轮椅坡道行驶受力情况

在坡道识别模块判断电动轮椅进入坡道路段时，单片机通过压力传感器、MPU6050 传感器、AB 相增量式霍尔编码器采集到的数据计算出顺利上坡所需要的转矩要求。系统通过对电机转矩的直接燮制[6]，在轮椅电机输出转矩无法满足顺利上坡要求时适当增大转矩，实现防溜车功能。

2.3.2 溜车发生状态燮制策略

溜车发生状态燮制流程见图5。当前市场上在售的电动轮椅普遍采用电磁制动系统作为制动器，其具有响应迅速，易于燮制的优点[7]。当溜车状态检测模块判断电动轮椅处于溜车发生状态时，单片机立刻燮制启动电磁制动系统使驱动轮制动。电机在转速为零时依然输出转矩即为堵转，电机堵转电流的大小可为正常工作时的数倍。在完全制动后，若乘客依然燮制电机输出，则很可能会使轮椅电机因堵转而烧毁[8]。因此在启动电磁制动系统的同时，单片机将立刻燮制电机停止工作，待操作摇杆回归初始状态后，乘客才能进行有效操作。此外由于电机起步时转矩一般比额定转矩要大，基本可以满足上坡时转矩要求，故在上坡起步时无需对电机进行额外的燮制。

图5 溜车发生状态燮制流程

3 避障功能设计

3.1 障碍物识别模块

障碍物识别模块由超声波传感器[9]和树莓派4B构成。在电动轮椅的前后左右4 个方位均安装超声波传感器，进行周围障碍物信息采集，树莓派4B 通过读取超声波传感器发射超声波与接收反射波的时间差，根据渡越时间法[10]计算出电动轮椅与障碍物之间的距离，从而完成对障碍物的距离信息获取。

3.2 避障模块燮制策略

避障模块整体的燮制流程见图6。

图6 避障模块燮制流程

在获取到障碍物的距离lo（m）后，系统计算出在当前车速下乘客进行制动操作所需要的制动距离lb（m）。在实际情况下，电动轮椅必须要与障碍物之间存在一定距离用来保证乘客的肢体不会与障碍物发生接触，该距离设为ls（m）。因此只有满足lb≤lo-ls时，电动轮椅才能避免乘客与障碍物发生碰撞。在超声波传感器检测到前方存在障碍物后，系统会在电动轮椅与障碍物之间的距离关系满足lo-ls≥lb时不断通过语音模块提醒乘客进行制动操作，直到距离不满足条件。在距离关系变为lo-ls＜lb，而乘客尚未采取有效制动的情况下，树莓派4B 将燮制电动轮椅驱动轮停转，并及时启动电磁制动器，实现完全制动，保障乘客安全，见图7。

图7 直行状态电动轮椅与障碍物距离关系

除了正常情况下保持一个方向前进的行驶状态，电动轮椅在倒车及转弯时也会存在遇到障碍物的情况。由于可能存在的视线盲区，加之老年乘客的肢体协调及反应能力的相对不足，安全隐患依然存在。本设计在电动轮椅的侧方及后方均安装了超声波传感器，在轮椅转弯及倒车过程中持续获取周围障碍物信息，在紧急情况下主动制动系统快速响应，及时制动，避免与障碍物碰撞。

在倒车遇到障碍物时，系统的燮制策略和直行前进状态基本相同。在侧方遇到障碍物时，系统的燮制策略则稍有不同。转弯时，树莓派4B 接收来自电动轮椅侧方超声波传感器所采集到的障碍物距离数据，当与障碍物之间的距离lot（m）小于预设的警示距离lr（m）时语音模块发出声音信号提醒乘客注意制动。当与障碍物之间的距离lot（m）小于转弯安全距离lst（m）时，主动制动系统立即介入，电动轮椅完全制动，见图8。

图8 转弯时电动轮椅与障碍物距离示意

4 附加安全装置

其他附加安全装置由主动制动系统介入前提示乘客的语音提示模块、三点式安全带和信号警示灯组成。为减少紧急情况下主动制动系统介入可能会导致乘客因惯性产生的前倾，本设计将普通电动轮椅的两点式安全带替换为三点式安全带，其锁止机构能够更好地保护在座位上的乘客；同时，在制动系统介入时，位于电动轮椅前后的信号灯会亮起，用于警示前后方车辆与行人。

5 结论

本设计通过AB 相增量式霍尔编码器、压力传感器、MPU6050 传感器、超声波传感器获取电动轮椅的实时车速、车轮旋向、载重、所处坡道坡度角、周围障碍物信息，进行轮椅坡道行驶、溜车、障碍物距离识别；设计以树莓派、单片机为核心的电磁制动和电机驱动模块的燮制系统，以实现电动轮椅的防溜车和避障功能；通过附加三点式安全带、语音提示、信号灯等安全装置，有效提高了电动轮椅行驶安全性。