單新穎，陳偉，閆和平

1.國家康復(fù)輔具研究中心，北京市100176；2.北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市100191；3.北京市老年功能障礙康復(fù)輔助技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市100176

電動(dòng)輪椅作為一種康復(fù)和移動(dòng)輔具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于殘疾人群。美國匹茲堡大學(xué)進(jìn)行輪椅的控制系統(tǒng)研究，包括各種控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、速度比例-積分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、人機(jī)融合的協(xié)同輪椅系統(tǒng)和輪椅車控制系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)研究[1-4]。瑞典Permobil公司聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)開展前驅(qū)動(dòng)控制方法、輔助站立電動(dòng)輪椅車研究，實(shí)現(xiàn)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、能實(shí)現(xiàn)后背平躺功能的輪椅[5-6]。

我國電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)研究起步較晚。中國科學(xué)院自動(dòng)化所研制識別障礙物的嵌入式電動(dòng)輪椅車控制器[7-8]。上海交通大學(xué)開發(fā)基于數(shù)字信號處理器(digital signal processing,DSP)的自主控制系統(tǒng)，并通過車載控制器進(jìn)行導(dǎo)航與避障，測試電動(dòng)輪椅在手動(dòng)模式、半自動(dòng)模式、計(jì)算機(jī)模式和全自動(dòng)模式下的工作，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的建模與軌跡控制的仿真[9-10]。北京理工大學(xué)提出一種外骨骼輪椅，通過下肢外骨骼與輪椅的有機(jī)結(jié)合，可有效保持或恢復(fù)老年人、腦卒中患者下肢運(yùn)動(dòng)能力，為患者提供一種方便的代步工具；用腳蹬車運(yùn)動(dòng)制訂康復(fù)訓(xùn)練策略，通過基于人體意圖的主從式操作方法及多模態(tài)康復(fù)訓(xùn)練控制流程，提高使用者的參與感[11-12]。燕山大學(xué)以降低成本和操控靈活為目標(biāo)，開展基于單片機(jī)的電動(dòng)輪椅車控制器研發(fā)，分析控制及驅(qū)動(dòng)電路的原理，并驗(yàn)證算法的可行性[13-14]。河北工業(yè)大學(xué)針對無刷輪轂電機(jī)電動(dòng)輪椅車控制方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)低速低功率雙電機(jī)協(xié)調(diào)控制方法，提出一種聯(lián)合制動(dòng)模式，構(gòu)建基于DSP的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行方法測試[15-17]。上海理工大學(xué)和重慶大學(xué)開展智能聲控和腦控輪椅的機(jī)械結(jié)構(gòu)、語音控制模塊的軟硬件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)部分聲音控制輪椅[18-20]。

此類研究大部分針對輪椅平臺上的附件[21]，缺乏輪椅本身駕駛的操控性、舒適性、適老化運(yùn)動(dòng)屬性的控制算法研究。本文研究電動(dòng)輪椅操控性的智能方法和技術(shù)，并進(jìn)行Vicon運(yùn)行模擬仿真測試。

1 運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)

電動(dòng)輪椅車需要提供用戶方便操作、實(shí)用友好、高可靠性的人機(jī)交互運(yùn)動(dòng)感知模塊，該模塊要能采集方向和速度信號[22-23]。本文采用霍爾搖桿，此搖桿簡單、操作方便，360°無死角，高低溫穩(wěn)定，低功耗。提供4路接口，2路輸出，2路電源供電，供電2引腳是5 V和0 V，2路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)-PX和ADC-PY對應(yīng)搖桿信號X、Y軸，工作電壓范圍0～4.5 V。由于STM32的ADC采樣值是0～3.3 V，通過電阻分壓進(jìn)行ADC采集。

人機(jī)接口STM32模塊提供的液晶顯示屏顯示豐富數(shù)據(jù)，包括電量、溫度、速度、時(shí)間，模式切換和報(bào)警，燈光提醒(圖1)。

圖1 STM32模塊提供的液晶顯示屏

2 控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)基于嵌入式Advanced RISC Machine(ARM)微處理器的控制模塊，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩臺電機(jī)速度的精確控制，每臺電機(jī)均可實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行?？刂颇K可以同時(shí)處理人機(jī)接口模塊、搖桿的環(huán)境感知模塊等信息的采集，并把這些信息通過ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字控制信號，經(jīng)過PID控制算法，將控制信息傳遞到驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管通斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反運(yùn)轉(zhuǎn)；產(chǎn)生反饋信號，再通過ADC采集到控制模塊，形成PID閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對輪椅車準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)控制。該模塊具有以下功能：電機(jī)差速運(yùn)行、限速保護(hù)、電子離合器檢測及保護(hù)、電池電壓檢測與顯示、軟起動(dòng)、軟停止、負(fù)載補(bǔ)償、溫度保護(hù)、斜坡抑制、主動(dòng)安全等。總體控制原理圖見圖2。

控制芯片是控制系統(tǒng)的核心。本控制芯片需要具備多路ADC、豐富I/O口、定時(shí)器輸出脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)、串行總線(inter-integrated circuit，IIC)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)總線等接口功能；根據(jù)主控制和從控制分離布局，需要選擇雙CPU主控芯片。本研究選用STM32，它是ARM Cortex-M3內(nèi)核芯片，具有18個(gè)ADC采樣通道、CAN總線接口、4個(gè)通用定時(shí)器，可以產(chǎn)生精準(zhǔn)PWM信號，方便用于電機(jī)控制，滿足控制器的設(shè)計(jì)要求。

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)電路采用STM32定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，驅(qū)動(dòng)功率放大芯片產(chǎn)生高低電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管導(dǎo)通和截止，使電動(dòng)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理見圖3。二路PWM分別是PWM1、PWM2，它們分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)半橋功率放大芯片(U1、U2，IR公司橋式驅(qū)動(dòng)集成電路芯片)。SD1A、SD1B為使能選擇端口，輸出端口為HO、LO；HO輸出PWM同向電壓，LO輸出PWM反向電壓，輸出柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10～20 V，具有獨(dú)立的高低2個(gè)輸出通道，兩路通道均有滯后欠壓鎖定功能，死區(qū)時(shí)間可調(diào)。另一路驅(qū)動(dòng)也采用此類方法。

場效應(yīng)管Q1、Q2、Q3、Q4組成H橋，用于驅(qū)動(dòng)右側(cè)直流有刷電機(jī)，端子M1a、M1b分別接直流有刷電機(jī)的正負(fù)極?？刂破髂K通過改變PWM信號的脈寬，從而改變輸出電壓的大小，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；通過改變H橋輸出方向，改變輸出極性，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向。實(shí)現(xiàn)差速電機(jī)速度和方向控制。

為滿足老年人站立、躺下姿態(tài)調(diào)整，需要驅(qū)動(dòng)輪椅的座椅和靠背系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整。采用上述方法驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，此PWM脈寬無需調(diào)整，輸出恒定速度實(shí)現(xiàn)直流直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

4 軟件算法

電動(dòng)輪椅使用兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪椅運(yùn)行，通過兩個(gè)電機(jī)的配合完成啟動(dòng)、制動(dòng)、無極調(diào)速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等功能；根據(jù)電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型[24-25]，建立數(shù)學(xué)模型。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

圖4 輪椅運(yùn)行模型圖

控制器模塊按以下公式實(shí)現(xiàn)輪椅車的運(yùn)行速度和方向的計(jì)算。

差速平臺方向速度V與左右輪線速度VL、VR的關(guān)系：

差速平臺運(yùn)動(dòng)方向偏航角度Ω與左右輪線速度VL、VR的關(guān)系：

M為輪椅車后輪中心點(diǎn)到輪椅車中心點(diǎn)的距離。

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下變換，得到輪椅運(yùn)行坐標(biāo)和左右驅(qū)動(dòng)輪椅速度之間的關(guān)系：

d為操縱桿到輪椅車后輪中心線的距離。

輪椅的方向通過兩驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角差求得，輪椅的轉(zhuǎn)速通過H橋PWM調(diào)節(jié)控制，因此，只要控制兩個(gè)電機(jī)PWM脈寬就能實(shí)現(xiàn)輪椅的運(yùn)動(dòng)和方向控制。另加兩個(gè)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪椅姿態(tài)調(diào)整。整個(gè)控制流程圖見圖5。

5 測試

采用Vicon三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，對電動(dòng)輪椅控制驅(qū)動(dòng)進(jìn)行模擬仿真測試。測試場景見圖6。主要測試輪椅左右電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)相對移位、速度、加速度。

當(dāng)測試輪椅車直線前進(jìn)時(shí)，左右驅(qū)動(dòng)輪單位時(shí)間內(nèi)位移基本一致(圖7)；左右輪速度變化一致，且低速和高速之間有緩沖曲線，方便老年人操控(圖7)；左右驅(qū)動(dòng)輪加速度變化一致，且變化范圍很小(圖7)，運(yùn)行相對平穩(wěn)，乘坐舒適。

當(dāng)輪椅車直線后退時(shí)，位移、速度和加速度同步性一致，變化更小，因?yàn)榈管囁俣刃∮谇斑M(jìn)速度。

同類輪椅左右轉(zhuǎn)彎時(shí)，多姿態(tài)電動(dòng)輪椅車位移隨著轉(zhuǎn)向而協(xié)同性增大，轉(zhuǎn)向完畢后逐步縮小，導(dǎo)致速度交替變化；由于路面不同，瞬間速度和加速度有變化，但數(shù)值較小，對運(yùn)行影響不大。

姿態(tài)調(diào)整測試，實(shí)現(xiàn)了坐、躺和站功能，達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 系統(tǒng)流程圖

6 結(jié)論

本研究采用STM32為核心控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，建立輪椅的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模式，感知輪椅速度和方向信號的采集，H橋驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)軟件算法的流程圖，并通過Vicon的模擬仿真測試，得到位移、速度和加速度的輸出曲線效果圖，較好完成開發(fā)和驗(yàn)證。但存在不同路況下加速度穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。未來需要在無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)、反饋控制模型中繼續(xù)研究。

圖6 測試場景

圖7 多姿態(tài)電動(dòng)輪椅車左右電機(jī)測試

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