彭廣貴 王真 黃瑾霞 蔚卓義 駱佼

上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 上海 201620

引言

隨著社會(huì)老齡化問題的逐漸加重和殘障人士等行動(dòng)不便人群比例的不斷提高，如何幫助老年人以及殘障人士更好地重新融入社會(huì)生活成為一個(gè)重要問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更加先進(jìn)的交通工具正在努力逐步改善人們的日常生活和出行方式，經(jīng)過我們?nèi)略O(shè)計(jì)的自動(dòng)跟隨輪椅就是其中之一。目前在自動(dòng)跟隨領(lǐng)域的產(chǎn)品很多，但大多數(shù)產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)實(shí)用場景下的精確定位和對使用者的靈活跟隨。GPS定位制導(dǎo)僅限于戶外，且精度低，無法滿足使用者在鬧市區(qū)等人員密集場所的使用需求;藍(lán)牙信號(hào)位于2.4GHz的頻帶，具有時(shí)差的測距容易受到手機(jī)信號(hào)、Wi-Fi信號(hào)、無線鼠標(biāo)信號(hào)等普遍存在的信號(hào)的干擾，使測距不準(zhǔn)確，導(dǎo)致設(shè)備無法做到靈活跟隨；超聲波和激光定位系統(tǒng)可以做到在一定范圍內(nèi)準(zhǔn)確定位，但定位距離有較大的限制，且受周圍溫度和多普勒效應(yīng)的影響較大。所以為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能，我們引入了UWB（Ultra Wide Band）無限載波通信技術(shù)。

設(shè)計(jì)的方案通過基于UWB超寬帶的無線載波通信技術(shù)，使用單片機(jī)來確定目標(biāo)位置和控制麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的跟隨運(yùn)動(dòng)，或可以通過輪椅車扶手上的按鍵控制輪椅車的運(yùn)動(dòng)和升降橫移，從而實(shí)現(xiàn)一臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)多車自動(dòng)跟隨、單車自主控制運(yùn)行，必要時(shí)能夠升降橫移、折疊的輪椅車。

1 自動(dòng)跟隨實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

基于UWB技術(shù)的輪椅車自動(dòng)跟隨系統(tǒng)由一臺(tái)主車與一臺(tái)從車組成，主車上的3個(gè)角的位置各有一個(gè)接收器，分別為原點(diǎn)、X軸和Y軸，單片機(jī)通過一定的算法來獲取用戶發(fā)射器與主車的相對位置，然后通過UWB無線載波通信技術(shù)，利用信號(hào)的飛行時(shí)間差來測量兩個(gè)通訊模塊之間的距離，同時(shí)根據(jù)小車基站陣列的相對位置，以及標(biāo)簽與基站的相對距離，計(jì)算出手持標(biāo)簽與車載3個(gè)基站的距離后建立軸坐標(biāo)系，通過角度與距離算法求出標(biāo)簽的軸坐標(biāo)，然后換算為十字坐標(biāo)，再通過十字坐標(biāo)進(jìn)而得知x、y方向的步進(jìn)。再通過單片機(jī)控制麥克納姆輪轉(zhuǎn)向和移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨[1]。

2 小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由主控電路板、鋰電池、減速電機(jī)和底盤組成。

2.1 主控單元

小車主控板是基于STM公司的stm32f103rct6單片機(jī)，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，工作溫度在-40℃～85℃之間，該單片機(jī)在穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性上面都有一定的優(yōu)勢。

2.2 電源模塊

小車使用9塊5300mAh的鋰電池并聯(lián)而成一個(gè)電池組，該電池為30C充足的放電效率也為小車的驅(qū)動(dòng)力提供保證。使用多電池并聯(lián)方式可以保證任何一個(gè)電池故障而不影響整體，從而保證小車能夠正常使用，而單體電池做不到這一點(diǎn)，正常情況下可以使用240分鐘。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本方案使用電機(jī)為JGB37-520 直流減速電機(jī)，該電機(jī)自帶編碼器，速度慢，噪音小，容易控制；扭矩大，輸出平順。為小車的麥克納姆輪提供動(dòng)力，可以滿足承載20kg的重物設(shè)計(jì)。

電機(jī)規(guī)格參數(shù)：減速比90；空載電流≤12MA；空載轉(zhuǎn)速110rpm；額定轉(zhuǎn)矩10.0kg/cm；額定轉(zhuǎn)速85rpm。

2.4 底盤模塊

底盤使用2020鋁型材搭建主框架，滿足載重需求的同時(shí)，相對于鋼材料來說質(zhì)量更輕，可以有效降低小車整體質(zhì)量，提高小車?yán)m(xù)航能力。

2.5 急停模塊

急停開關(guān)適用于在緊急情況下直接斷開控制電路的電源從而使電機(jī)快速停止設(shè)備避免非正常工作，本方案采用了3個(gè)LAS1-AGQ-11TS單斷點(diǎn)快動(dòng)觸頭開關(guān)，分別于小車底盤兩側(cè)以及座椅后側(cè)各布置一個(gè)，開孔尺寸19mm，外殼為鋁合金材料[2]。

3 麥克納姆輪設(shè)計(jì)

由于麥克納姆輪的每一個(gè)輪子都有自己獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以分別對六個(gè)麥克納姆輪進(jìn)行單獨(dú)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速的控制，車體可以實(shí)現(xiàn)任意方位的移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)任意方位移動(dòng)的方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊輪軸的中心輪的原理上，在輪轂的周圍分布著許多的小滾子，小滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線和輪轂的軸線夾角45°，故輪子可以橫向滑移。當(dāng)麥克納姆輪繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾子的包絡(luò)線為圓柱面所以麥克納姆輪可以向前一直滾動(dòng)。而用四個(gè)麥克納姆輪加以組合，則可以使其實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)功能。

麥克納姆輪一般是成對使用的，且左旋輪和右旋輪的數(shù)量相等。本方案使用六個(gè)麥克納姆輪，三個(gè)左旋輪，三個(gè)右旋輪，其中有兩個(gè)作為中間支撐輪增加輪椅車的承載能力而不影響任意方位的轉(zhuǎn)向及移動(dòng)。左旋輪和右旋輪呈手性對稱，麥克納姆輪安裝方式有多種，主要分為：X-正方形、X-長方形、O-正方形、O-長方形。其中O和X分別表示的是四個(gè)輪子與地面接觸的輥?zhàn)铀纬傻膱D形；正方形和長方形指的是四個(gè)輪子與地面接觸點(diǎn)所圍成的形狀。

4 升降橫移設(shè)計(jì)

為了方便老年人及殘障人士上下輪椅車，本方案增加升降橫移功能，當(dāng)需要使用輪椅車時(shí)，椅子能夠向前平移并且降低座椅高度，座椅高度下降方便上下輪椅車且將重心前移防止使用人坐上輪椅車瞬間的沖擊力造成后翻的危險(xiǎn)。還可以通過輪椅車的升降橫移實(shí)現(xiàn)折疊功能。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于UWB的主從跟隨處理系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了目前比較熱門的UWB室內(nèi)定位，UWB定位算法相對比較成熟，適用于類似于室內(nèi)這樣的使用要求精度較高的場所。而對于麥克納姆輪使用單片機(jī)各模塊的綜合應(yīng)用，則是運(yùn)用了麥克納姆輪能夠萬向轉(zhuǎn)向的特性，和單片機(jī)髙集成度，髙可靠性和體積小的特點(diǎn)，充分滿足所需要的功能。通過單片機(jī)的控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測目標(biāo)的相對位置并做出相應(yīng)的避讓，讓安全性更上一層樓。這是一款能夠?qū)崟r(shí)檢測目標(biāo)相對位置并與麥克納姆全向輪結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨的輪椅車。