CN101923345A

CN101923345A - 电动轮椅智能控制系统

Info

Publication number: CN101923345A
Application number: CN2010102786650A
Authority: CN
Inventors: 田志宏; 刘文良; 王杰; 白稳峰; 邱峰志
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2010-12-22

Abstract

本发明涉及一种电动轮椅智能控制系统，包括ARM主控模块、操纵手柄、电子罗盘、远程无线通信模块、测距模块组、DSP电机控制模块及电机驱动模块，ARM主控模块通过CAN总线与电子罗盘、测距模块组、DSP电机控制模块相连接构成一对多的CAN网络，操纵手柄作为一个独立于ARM主控模块的节点设备接入该CAN网络，DSP电机控制模块通过电机驱动模块与直流驱动电机相连接，每台直流驱动电机均安装光电编码器，并形成电机转速闭环控制。本发明采用嵌入式系统及模块化设计实现对电动轮椅的智能化控制功能，保证了智能控制系统的实时性、可扩展性和可移植性，具有功能丰富、控制灵活、使用方便等特点。

Description

电动轮椅智能控制系统

技术领域

本发明属于电动轮椅领域，尤其是一种电动轮椅智能控制系统。

背景技术

日趋严重的老龄化社会问题和残疾人占总人口比重的增加，使得老年人和残疾人的日常生活自理成为目前不得不面对的重大社会问题。随着科技的发展，先进代步工具的出现正在逐步地改善着他们的生活质量，电动轮椅是就是其中重要的一种。由于老年人和残疾人的特殊情况，因此，对电动轮椅的智能化控制提出了更高的要求。电动轮椅通常以直流电机为传动单元，通过控制操纵手柄实现电动车的前进、后退、有无半径转弯和停止等动作功能。目前，电动轮椅的智能化程度还不高，通常以手动控制为主，仅设有防止发生碰撞的功能；还有一些采用单片机、DSP或笔记本(PC机)等进行简单的控制。采用单片机或DSP难以实现复杂的智能控制，而用笔记本(PC机)，则体积大、成本高，难以实现产业化；另外，在直流电机控制方面，电机转速多数为开环控制，往往采用电流补偿的方法，但其控制效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种电动轮椅智能控制系统，该系统采用嵌入式系统以及模块化设计，提高了电动轮椅的智能化控制性能，其控制灵活、使用方便。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电动轮椅智能控制系统，包括ARM主控模块、操纵手柄、电子罗盘、测距模块组、DSP电机控制模块及电机驱动模块，ARM主控模块通过CAN总线与电子罗盘、测距模块组、DSP电机控制模块相连接构成一对多的CAN网络，操纵手柄作为一个独立于ARM主控模块的节点设备接入该CAN网络，DSP电机控制模块通过电机驱动模块与直流驱动电机相连接。

而且，所述的测距模块组由多个测距模块组成，多个测距模块安装在电动轮椅的四周。

而且，所述的测距模块的数量为七个，第1号、3号、5号、7号测距模块分别安装在电动轮椅的左侧前端、右前侧端、后侧及左侧并构成第一测距模块组，第2号、4号、6号测距模块分别安装在电动轮椅的右侧前端、右侧及左前侧端并构成第二测距模块组。

而且，所述的测距模块由单片机、超声发送电路、超声接收电路构成，单片机通过I/O接口分别与超声发送电路和超声接收电路相连接。

而且，所述的所述的ARM主控模块还通过I/O接口连接一触摸液晶屏。

而且，所述的CAN网络还连接一远程无线通信模块。

而且，所述的远程无线通信模块为GPRS模块或GSM模块。

而且，所述的直流驱动电机的数量为两个。

而且，直流驱动电机的电机轴上安装一光电编码器，该光电编码器输出端与DSP电机控制模块的QEP端相连接，DSP电机控制模块输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块的输出端与直流驱动电机。

本发明的优点和积极效果是：

1、本智能控制系统采用人工智能技术、嵌入式系统实现对电动轮椅的智能控制功能，其智能化程度高，满足了老年人和残疾人的实际需要，具有很强的实用性。

2、本智能控制系统采用模块化设计，各功能模块通过CAN总线连接到CAN网络中，保证了智能控制系统的实时性、可扩展性和可移植性。

3、本智能控制系统通过ARM主控模块实现对电动轮椅的自动控制功能，在室内自由行走，不仅可避开静态的障碍物(如墙壁和门)，而且还可以有效避开不密集的人流(0.2人/m²)，以及可自由穿过宽度是轮椅宽度1.5倍的门、沿墙行走、点到点行走等功能。

4、本智能控制系统还可以通过操纵手柄或触摸液晶屏实现手动控制方式，使用操纵手柄可以使电动轮椅完全在操纵手柄的控制下运行，也可以通过触摸液晶屏进行触摸操作将控制意图传递给ARM主控模块，实现对电动轮椅的手动控制功能。

5、本控制系统还连接有远程无线通信模块，当使用者遇到紧急情况时，可以通过GPRS或GSM网络实现远程无线报警功能，在报警时可以采用短信形式，也可以自动拨号将求救信号发送至家人的手机。

6、本发明采用嵌入式系统及模块化设计实现对电动轮椅的智能化控制功能，保证了智能控制系统的实时性、可扩展性和可移植性，具有功能丰富、控制灵活、使用方便等特点。

附图说明

图1是本发明的系统连接示意图；

图2是本发明的测距模块安装位置示意图；

图3是本发明的电机闭环控制示意图；

图4是本发明的自动运行模式处理流程。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种电动轮椅智能控制系统，如图1所示，包括ARM主控模块、操纵手柄、电子罗盘、远程无线通信模块、测距模块组、DSP电机控制模块以及电机驱动模块。本控制系统以ARM主控模块为核心，ARM主控模块一方面通过I/O接口连接一触摸液晶屏，实现人机交互功能，另一方面，ARM主控模块按照CAN2.0协议与电子罗盘、远程无线通信模块、两个测距模块组、DSP电机控制模块相连接构成一对多的CAN网络，操纵手柄作为一个独立于ARM主控模块的节点设备接入CAN网络。在本实施例中，CAN网络采用两线的差分信号传输(CAN_H和CAN_L)总线进行传输，在总线的两个端点各连接一个120Ω的终端电阻R1和R2；CAN网络采用直线拓扑结构，其通讯介质采用双绞线。DSP电机控制模块通过电机驱动模块与两台直流驱动电机相连接，DSP电机控制模块采用闭环控制方案实现对两台直流驱动电机的有效控制。

下面分别对智能控制系统中的各个模块进行说明：

ARM主控模块

ARM主控模块安装在电动轮椅左侧，其以ARM9芯片EBD9263为核心，进行人机交互、监测CAN网络中各节点的工作状态、接收并处理CAN网络中各节点设备通过总线发送过来的数据，并最终实现对网络中各节点设备的控制。

操纵手柄

操纵手柄操纵手柄检测模块安装在电动轮椅右侧，其内部以单片机MCU为控制核心，操纵手柄控制的优先级最高，在ARM主控模块控制失灵或者发生紧急情况时，使用操纵手柄取代主控模块来直接控制电动轮椅的运行状态。

电子罗盘

电子罗盘安装在电动轮椅的上部，主要用来测量电动轮椅的对北极角度数据，并负责向ARM主控模块上传。

远程无线通信模块

远程无线通信模块安装在电动轮椅的上部，该远程无线通信模块既可以采用GPRS模块，也可以采用GSM模块，实现ARM主控模块的远程无线通讯功能。使用者遇到紧急情况时，可实现远程无线报警、呼救。远程无线报警采用短信形式，可自动拨号将求救信号发送至家人的手机，电话号码可以预先设置；还可实现循环拨打手机或座机，直到接听为止。

测距模块组

测距模块组包括两组测距模块组共七个测距模块，1号、3号、5号、7号测距模块组成第一测距模块组，2号、4号、6号测距模块组成第二测距模块组，每个测距模块均包括单片机MCU(8051F040)、超声发送电路、超声接收电路构成，单片机通过I/O接口分别与超声发送电路和超声接收电路相连接，每个测距模块负责探测在各自的检测区域内是否有障碍物，并将相关的数据信息通过CAN总线上传给ARM主控模块。上述测距模块安装在电动轮椅的四周，其安装的具体位置为：第1号、3号、5号、7号测距模块分别安装在电动轮椅的左侧前端、右前侧端、后侧及左侧，第2号、4号、6号测距模块分别安装在电动轮椅的右侧前端、右侧及左前侧端，为避免各测距模块所发射的超声波相互干扰，测距时，第一测距模块组和第二测距模块组间隔轮流测距。

DSP电机控制模块

DSP电机控制模块安装在电动轮椅下部，该DSP电机控制模块采用TMS320F2812芯片，负责接收处理来自ARM主控模块和操纵手柄的控制信息以及向ARM主控模块上传数据信息，以实现对轮椅的定位，并根据给定和实际电机转速反馈值，经闭环控制算法运算，最后向电机驱动模块输出两路PWM波。

电机驱动模块

电机驱动模块安装在电动轮椅下部，该电机驱动模块负责放大由DSP电机控制电路发送过来的两路PWM波，并以之为依据，最终控制电动轮椅左右轮的转速与方向。

直流驱动电机

本控制系统包括两个直流驱动电机。

DSP电机控制模块、电机驱动模块及直流驱动电机连接在一起构成电机闭环控制系统，如图3所示，在每个直流驱动电机的电机轴上均安装一光电编码器，光电编码器输出端与DSP电机控制模块的QEP端相连接，DSP电机控制模块输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块的输出端与直流驱动电机。其工作原理为：光电编码器采集的信息经波形整形后，输出为体现转速的方波信号，该信号输入至DSP电机控制模块的QEP端，经DSP电机控制模块完成转速的计算，再经闭环控制算法得到DSP电机控制模块的输出并连接至电机驱动模块，完成对直流驱动电机的控制。通过对其中闭环控制参数的选择，可使电机达到理想的运行状态，启动平稳、灵活，安全可靠。

本智能控制系统包括手动控制模式和自动控制模式。在手动控制模式下，可通过操纵手柄、触摸液晶屏等控制电动轮椅的运行；在自动控制模式下实现在室内自由行走，不仅可避开静态的障碍物(如墙壁和门)，而且还可以有效避开不密集的人流(0.2人/m²)，以及可自由穿过宽度是轮椅宽度1.5倍的门、沿墙行走、点到点行走等功能。

在ARM主控模块中安装有电动轮椅智能控制软件，该电动轮椅智能控制软件的处理流程，如图4所述，包括如下处理步骤：

S4.2系统自检，电动轮椅启动以后，首先进行自检。只有在各个开关、传感器等硬件完好以及电池电量不低于下限阀值，机械本体正常的情况下才会进入运行状态。

S4.3功能选择，智能电动轮椅控制系统具有多种智能控制功能，包括：手动控制、沿墙行走、避障、过门、试教、点对点、报警等功能。通过对运行在主控模块中的系统软件进行功能选择来启动各个子功能模块。在子功能模块执行完之后，软件将返回主程序以处理用户的下一步动作。

S4.4手动控制，当用户启动手动控制功能，系统将首先完成相关硬件及软件参数的初始化。之后，用户可以通过触摸屏或者鼠标选择电动轮椅下一步的行进方向。同时，ARM主控模块将自动轮番向两组测距模块发送测距命令，并处理测距模块上传的距离信息。如果在进行方向上有距电动轮椅过近的障碍物存在，控制系统将阻止电动轮椅向障碍物行进。

S4.5沿墙行走，沿墙行走行为是智能移动机器人特别是室内移动机器人的重要能力之一。所谓沿墙行走行为(Follow-Wall)是指移动机器人沿着墙壁的轮廓，或者在更一般意义上沿着物体的轮廓进行运动，并保持一定的距离。它可以看作是移动机器人智能的低层行为，当与其它高层的智能行为相结合时，可以完成复杂的任务。

在电动轮椅的运动过程中，如果使用者不想通过操纵手柄来控制电动轮椅的运动，则可启动沿墙行走功能，该功能主体是ARM主控模块通过采集、分析各个超声波和红外发光管的数据信息，给出DSP一条可行的运动策略。由于采用的CAN总线的通信方式，在电动轮椅的实时性上有了很好的可行性。

S4.6避障，如果启动避障功能，电动轮椅会直线前进，当电动轮椅遇到障碍物时，会判断障碍物的位置，而决定是左转还是右转，绕开障碍物，该功能不仅适用于单个障碍物的情况，也适合同时多个障碍物的情况。

S4.7过门，该功能只要是解决残疾人在遇到门，而不能通过操纵手柄控制穿过门的情况，只需要使用者将电动轮椅的大概方向指向要穿过的门，然后通过触摸屏点击过门按钮，电动轮椅就会自己不断调整与门的相对位置，最终安全穿过。

S4.8试教，主要完成路线信息的存储，其中包括试教过程中DSP收到的控制信息和电动轮椅周围的环境信息，这些信息都通过CAN总线传送到ARM上，保存在自己定义的文件内，而所有的路径文件，即路线信息都存储在CF卡中。

S4.9点到点，对试教过程中存储的信息进行读取并交给DSP执行，比如A到B表示卧室到客厅，那么在存储了ab.dat文件后，只要再次打开文件，点击“点到点”就能完全复现上次的运动过程，如果在运动过程中遇到新的障碍物，则电动轮椅将在原地等待，接着记录文件指针的位置。如果障碍物消失，则读取指针内容，继续刚才的再现过程，直到本次操作完成，同时如果在本次再现没有完成的时候，有手持操作器的控制，那么本次的再现过程失败，应该回到初始位置重新开始。

S4.10报警，当用户启动报警功能后，系统将首先完成相关硬件及软件参数的初始化。之后，系统将读出位于NAND FLASH中的“Telnumber”文件的内容，并按照预定格式提取其中的所有预置报警电话号码。然后，主控模块将驱动GPRS模块或GSM模块向第一个预置电话号码发送短消息，并拨打第一个预置号码。如果系统未能接通第一个预置电话号码，系统将以下一个预置电话号码做为第一个电话号码，并重复上述步骤。如果，系统未能接通最后一个预置号码，系统将返回第一个预置电话号码，并重复上述过程直至系统接通一个预置电话号码。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种电动轮椅智能控制系统，其特征在于：包括ARM主控模块、操纵手柄、电子罗盘、测距模块组、DSP电机控制模块及电机驱动模块，ARM主控模块通过CAN总线与电子罗盘、测距模块组、DSP电机控制模块相连接构成一对多的CAN网络，操纵手柄作为一个独立于ARM主控模块的节点设备接入该CAN网络，DSP电机控制模块通过电机驱动模块与直流驱动电机相连接。

2.根据权利要求1所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的测距模块组由多个测距模块组成，多个测距模块安装在电动轮椅的四周。

3.根据权利要求2所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的测距模块的数量为七个，第1号、3号、5号、7号测距模块分别安装在电动轮椅的左侧前端、右前侧端、后侧及左侧并构成第一测距模块组，第2号、4号、6号测距模块分别安装在电动轮椅的右侧前端、右侧及左前侧端并构成第二测距模块组。

4.根据权利要求2或3所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的测距模块由单片机、超声发送电路、超声接收电路构成，单片机通过I/O接口分别与超声发送电路和超声接收电路相连接。

5.根据权利要求1所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的所述的ARM主控模块还通过I/O接口连接一触摸液晶屏。

6.根据权利要求1所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的CAN网络还连接一远程无线通信模块。

7.根据权利要求6所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的远程无线通信模块为GPRS模块或GSM模块。

8.根据权利要求1所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：所述的直流驱动电机的数量为两个。

9.根据权利要求1或8所述的电动轮椅智能控制系统，其特征在于：直流驱动电机的电机轴上安装一光电编码器，该光电编码器输出端与DSP电机控制模块的QEP端相连接，DSP电机控制模块输出端连接电机驱动模块，电机驱动模块的输出端与直流驱动电机。