麻文剛， 王小鵬， 馬 鵬

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

普通電動(dòng)輪椅相比智能輪椅運(yùn)行安全穩(wěn)定、使用更方便、性能更優(yōu)越，可以幫助殘疾人或老年人提高生活自理能力和工作能力。目前，很多國(guó)家對(duì)智能輪椅進(jìn)行了研究，并且針對(duì)不同殘疾人群與老年人開(kāi)發(fā)了多種智能輪椅人機(jī)接口[1]，對(duì)于殘疾程度較輕、肢體能動(dòng)性較高且意識(shí)較好的人群，可以采用操縱桿控制[2]、按鍵控制、方向盤(pán)控制、觸摸屏控制和菜單控制等方式，但這些控制方式依舊不能滿足肢體能動(dòng)性較低人群需要，不利于應(yīng)用于智能輪椅。

本文設(shè)計(jì)了一種智能輪椅頭部姿態(tài)校正控制系統(tǒng)，具有控制精度高、攜帶方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用低成本的巨磁阻(giant magnetoresistance,GMR)傳感器[3～5]和無(wú)線收發(fā)模塊組成姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，以STM32為控制核心，采用四元素法描述和解算頭部姿態(tài)信息，通過(guò)梯度下降法多傳感器融合將解算后的姿態(tài)信息進(jìn)行校正，并且實(shí)時(shí)將姿態(tài)信息傳送至接收終端,終端得到控制指令信號(hào)，控制輪椅運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)本著操作簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用及軟硬件可擴(kuò)展設(shè)計(jì)原則，以STM32F103為控制核心，主要包括傳感器、信號(hào)調(diào)理電路以及外圍電路部分，設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過(guò)GMR傳感器、三軸陀螺儀與三軸加速度計(jì)組成的姿態(tài)解算模塊實(shí)時(shí)采集頭部姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，利用無(wú)線收發(fā)模塊將采集的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32微處理器；微處理器對(duì)當(dāng)前姿態(tài)信息進(jìn)行預(yù)處理，在微處理器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與姿態(tài)解算，并結(jié)合不同頭部姿態(tài)識(shí)別出不同控制指令；

微處理器將識(shí)別的控制指令發(fā)送給輪椅控制器，控制輪椅運(yùn)動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 姿態(tài)解算

2.1 四元數(shù)姿態(tài)解算

姿態(tài)是表征載體坐標(biāo)系相對(duì)地理坐標(biāo)系的位置信息，四元素法[5，6]是常用描述載體姿態(tài)信息轉(zhuǎn)動(dòng)變化關(guān)系的方法。地理坐標(biāo)系矢量a到載體坐標(biāo)系矢量b之間轉(zhuǎn)動(dòng)變化關(guān)系可以表示為b=Ta[5]，其中T為方向余弦矩陣

T=

(1)

式中Ψ，θ，γ分別為航向角、俯仰角和橫滾角。

兩坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)動(dòng)變換關(guān)系可以用四元素表示

T=

(2)

由式(1)和式(2)可得，歐拉角與轉(zhuǎn)動(dòng)四元素轉(zhuǎn)化關(guān)系

(3)

θ=arcsin(2(q1q3-q0q2))

(4)

(5)

2.2 梯度下降法校正姿態(tài)

由于陀螺儀存在積分漂移[7]累積誤差，長(zhǎng)時(shí)間工作將出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，影響控制精度。陀螺儀解算姿態(tài)相對(duì)于初始位置，加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組合解算姿態(tài)相對(duì)于水平面和磁北極，在靜態(tài)與無(wú)外磁干擾下能表現(xiàn)出良好性能，但在動(dòng)態(tài)與磁場(chǎng)干擾下姿態(tài)角解算會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，因此，單一使用某種傳感器不能解算出精確的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)。

(6)

從點(diǎn)a(k)出發(fā), 沿著負(fù)梯度方向前進(jìn)，設(shè)步長(zhǎng)為μ，可得到梯度下降法迭代公式

(7)

一定條件下該序列會(huì)收斂于使得J(a)最小的解a。由梯度下降法、四元數(shù)微分方程與三軸陀螺角速率之間的關(guān)系, 建立迭代公式

(8)

圖2為基于梯度下降法與GMR傳感器姿態(tài)校正流程框圖，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)f(q)達(dá)到最小值時(shí)，四元數(shù)解算姿態(tài)角與真實(shí)值差值最小。

圖2 梯度下降法校正姿態(tài)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 姿態(tài)解算模塊

姿態(tài)解算模塊需要完成姿態(tài)檢測(cè)、姿態(tài)解算和姿態(tài)校正等信息，以及將解算姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)控制指令輸出等功能。姿態(tài)解算模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 姿態(tài)解算框圖

姿態(tài)解算模塊主要由STM32微處理器、GMR傳感器、三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、信號(hào)調(diào)理電路與一對(duì)無(wú)線收發(fā)模塊(NRF24L01)組成。STM32接收來(lái)自GMR傳感器、三軸加速度計(jì)與陀螺儀檢測(cè)的姿態(tài)信息，姿態(tài)信息經(jīng)過(guò)STM32微處理器進(jìn)行解算與校正之后，利用無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行輸出相應(yīng)控制指令。

3.2 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

控制信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊至控制板，控制板接收到控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)控制輪椅的運(yùn)動(dòng)?？紤]到實(shí)際接口應(yīng)用，選擇STM32F103單片機(jī)為主控芯片，STM32F103帶有6個(gè)死區(qū)可編程脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出通道，在異常狀況出現(xiàn)時(shí)，強(qiáng)迫PWM信號(hào)輸出在一個(gè)預(yù)定安全狀態(tài)。本文控制系統(tǒng)中，設(shè)置調(diào)速PWM波占空比為25%，使輪椅達(dá)到安全運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 光耦隔離

為提高系統(tǒng)控制精度，以及驅(qū)動(dòng)電路回流影響，在單片機(jī)(MCU)輸入和輸出端，用光耦作介質(zhì)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。該電路主要應(yīng)用在“A/D轉(zhuǎn)換器”數(shù)位信號(hào)輸出，及MCU發(fā)出的前向通道控制信號(hào)與類(lèi)比電路界面，實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)間信號(hào)通路相連，在電氣通路上相互隔離，并且實(shí)現(xiàn)將類(lèi)比電路和數(shù)位電路相互隔離，起到抑制交叉串?dāng)_作用。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制指令設(shè)定

頭部中心在空間中位置決定頭部姿態(tài)命令，輪椅控制命令設(shè)定為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。5個(gè)命令區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 控制區(qū)域劃分

將頭部姿態(tài)獲取角度值平均分為9個(gè)區(qū)域。頭部中心位置位于區(qū)域5，姿態(tài)解算模塊解算出的“yaw”控制停止，位于區(qū)域1和2，姿態(tài)解算模塊解算出的“roll”控制前進(jìn)和后退，區(qū)域1表示以1m/s速度前進(jìn)，區(qū)域2表示以1m/s速度后退，位于區(qū)域3和4，姿態(tài)解算模塊解算出的“pitch”控制左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，區(qū)域3表示以30°/s角速度右轉(zhuǎn)，區(qū)域4表示以30°/s 角速度左轉(zhuǎn)，其他區(qū)域保持原有狀態(tài)。

4.2 主程序設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)在RealView MDK開(kāi)發(fā)環(huán)境下，利用STM32官方固件庫(kù)用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括系統(tǒng)初始化、姿態(tài)檢測(cè)、姿態(tài)解算、姿態(tài)校正、數(shù)據(jù)發(fā)送等過(guò)程。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 姿態(tài)角解算測(cè)試分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)控制精度，采用規(guī)則頭部可穿戴裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，表1單獨(dú)使用陀螺儀解算姿態(tài)角信息數(shù)據(jù),可以看出，姿態(tài)角相對(duì)誤差最大達(dá)到16.6%，與陀螺儀固有缺陷即存在漂移現(xiàn)象一致。表2采用提出的數(shù)據(jù)融合校正算法，利用三軸磁強(qiáng)計(jì)與三軸加速度計(jì)修正陀螺儀漂移,姿態(tài)角相對(duì)誤差大幅度減小。

表1 陀螺解算姿態(tài)角

表2 數(shù)據(jù)融合姿態(tài)角

5.2 輪椅運(yùn)行測(cè)試分析

為測(cè)試輪椅操作可靠性，對(duì)智能輪椅做運(yùn)動(dòng)控制指令重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。即將前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止5種指令作為1組，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行40組，如表3和表4給出了姿態(tài)校正前后，各指令識(shí)別情況。

表3 姿態(tài)校正前輪椅運(yùn)行測(cè)試

實(shí)驗(yàn)表明：智能輪椅在姿態(tài)校正之前運(yùn)行出現(xiàn)很大偏差，最高識(shí)別率僅為47.5 %，平均識(shí)別為34.5 %，不能滿足頭部姿態(tài)智能輪椅所需控制精度；但在姿態(tài)校正之后最高識(shí)別率可達(dá)100 %，平均識(shí)別率達(dá)到97 %，能夠?qū)喴魏?jiǎn)單運(yùn)動(dòng)進(jìn)行有效控制，控制精度高，響應(yīng)時(shí)間較短。

6 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于GMR傳感器校正的頭部姿態(tài)智能輪椅控制系統(tǒng)，對(duì)輪椅5種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用低功耗GMR傳感器、STM32型MCU與無(wú)線收發(fā)模塊，并對(duì)傳感器模塊校準(zhǔn)原理、方法及結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)討論。該控制系統(tǒng)精度高、操作簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)性好，在助老、助殘、輔助康復(fù)與信息無(wú)障礙交流等方面有著重要參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳感器校準(zhǔn)過(guò)程正確有效，校正后漂移誤差減小，該控制系統(tǒng)可精準(zhǔn)的控制智能輪椅運(yùn)動(dòng)。

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