CN104161629A - 智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能轮椅，包括轮椅车体，所述轮椅车体设置有两个驱动后轮和两个随动前轮，所述两个驱动后轮均设置有直流无刷电机，所述直流无刷电机连接双闭环控制系统，并由DSP控制器控制所述双闭环控制系统，并且DSP控制器控制所述电机的转速，来实现所述两个驱动后轮不同的转速，实现差速转向。上述智能轮椅，由双闭环控制系统控制驱动轮转速，以实现对速度高精度、高稳定性的控制。并且转弯时，由DSP控制器控制驱动后轮的不同的转速，达到转弯目的，简化轮椅的结构。

Description

智能轮椅

技术领域

本发明涉及电动轮椅领域，特别是涉及一种智能电动轮椅。

背景技术

代步轮椅为行动不便的人群带来了方便，随着社会文明的进步发展，手动轮椅由于其自身的一些缺点，电动轮椅有取代手动轮椅的趋势。电动轮椅一般包括车体、前后轮、驱动电机、操纵杆和电机驱动器，驱动电机由蓄电池供电，驱动后轮，坐在轮椅上的人只需按动操作杆，即可实现轮椅的前进、后退及左右转弯。

但是，现有的电动轮椅控制器受限于现有的主控芯片，为开环控制，不能完成高精度、高稳定性的控制，并且转弯时依靠差速器来控制驱动后轮的各自转速，使得电动轮椅结构复杂，容易出现故障。

发明内容

基于此，有必要提供一种高精度、高稳定性的智能轮椅。

一种智能轮椅包括轮椅车体，所述轮椅车体设置有两个驱动后轮和两个随动前轮，所述两个驱动后轮均设置有直流无刷电机，所述直流无刷电机连接双闭环控制系统，并由DSP控制器控制所述双闭环控制系统，并且DSP控制器控制所述电机的转速，来实现所述两个驱动后轮不同的转速，实现差速转向。

在其中一个实施例中，所述双闭环控制系统包括所述直流无刷电机内置的霍尔传感器、PI速度控制器、PI电流控制器、功率驱动器和三相全桥电路，所述霍尔传感器检测将所述直流无刷电机的转速和电流分别反馈给PI速度控制器和PI电流控制器，并输出信号给功率驱动器，所述信号驱动三相全桥电路，从而带动所述直流无刷电机转动。

在其中一个实施例中，还包括避障系统，所述避障系统包括测距系统、防跌落系统，所述避障系统与DSP控制器连接，所述测距系统和防跌落系统均包括设置在所述轮椅车体上的超声波传感器和红外传感器。

在其中一个实施例中，所述避障系统还包括防碰系统，所述避碰检测包括碰撞开关，所述碰撞开关与DSP控制器连接，所述碰撞开关设置在所述轮椅车体的外围。

在其中一个实施例中，还包括导航定位控制系统，所述导航定位控制系统包括近程智能终端，所述近程智能终端与DSP控制器连接，所述近程智能终端内设置有GPS模块和导航定位地图，所述近程智能终端发送所述GPS模块和导航定位地图的信息。

在其中一个实施例中，所述近程智能终端包括输入模块，所述输入模块输入控制信息，所述控制信息传送至所述DSP控制器，通过所述DSP控制器对所述轮椅车体进行控制。

在其中一个实施例中，所述近程智能终端与所述DSP控制器通过USB或蓝牙连接。

在其中一个实施例中，还包括远程监控系统，远程监控系统包括服务器、远程智能终端，所述近程智能终端将数据传输到所述服务器，所述远程智能终端共享所述服务器的数据。

在其中一个实施例中，所述远程智能终端输入信息，所述信息传送至所述近程智能终端，并通过DSP控制器对所述轮椅车体进行控制。

在其中一个实施例中，所述远程智能终端与近程智能终端之间通过无线连接。

上述智能轮椅，由双闭环控制系统控制驱动轮转速，以实现对速度高精度、高稳定性的控制。并且转弯时，由DSP控制器控制驱动后轮的不同的转速，达到转弯目的，简化轮椅的结构。

避障系统能使的上述智能轮椅实现智能避障，避免发生不必要的碰撞。

导航定位控制系统直接利用智能终端的近程客户端读取GPS模块，设计人性化路径规划与路线记忆功能，使智能轮椅的运行做到真正的智能和人性化。

附图说明

图1为本发明的框架图；

图2为本发明双闭环控制系统示意图。

具体实施方式

智能轮椅包括电动轮椅系统，电动轮椅系统包括轮椅车体、两个驱动后轮、两个随动前轮、蓄电池、操纵面板、操作杆、转向灯、照明灯、喇叭。操纵杆可以向四个方向转动，从而实现加速、减速、左转、右转的功能。轮椅车体包括扶手和两个脚踏板，提高乘坐人员的舒适度。如图1所示，电动轮椅系统110与数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)控制器连接，并由DSP控制器来控制轮椅车体的动作。DSP控制器利用通用I/O口与智能轮椅各个执行运动的控制信号相连，控制信号包括：电动轮椅控制系统信号包括控制器电源总开关、启动、制动、电源管理、电量显示与预警、速度显示、档位显示、档位选择、喇叭、方向灯、加速、减速、左转、右转以及霍尔传感器。

轮椅车体的速度由双闭环控制系统控制。双闭环控制系统如图2所示，两个驱动后轮均装设有直流无刷电机，根据具体工况输入电机运行速度的指定，直流无刷电机开始转动。无刷直流电机内置的霍尔传感器对转子位置进行实时监测，并通过计算将转子位置信息转换成实时的转速信息。给定转速与反馈的实时转速做差运算，并输入到比例积分(Proportional Integra，PI)速度控制器，输出指令电流值。霍尔传感器将转子实时电流进行监测经A/D转换成数字信息，电流与反馈电流进行比较输入到PI电流控制器中，输出信号经过MOSFET管构成的功率驱动器后，信号就可以驱动三相全桥电路，进而控制直流无刷电机的运转。这样由双闭环控制系统控制的电动轮椅能够达到对速度高精度和高稳定性的控制。

轮椅车体的前轮为万向轮，方向可以任意方向旋转，因此，只要合理控制两驱动后轮的速度，便可以完成转向。轮椅车体需要转弯时，可以利用根据Ackerman Jeantand模型计算驱动后轮的转速，Ackerman Jeantand模型为已知技术，在此不赘述。只需要输入车体速度和转角信号，即可以计算出两后轮的旋转线速度。DSP控制器控制连接电源总开关，档位选择，速度设定和制动按钮，DSP控制器即可利用电机控制分别控制两直流无刷电机的速度，来达到转弯的目的。

轮椅车体上还设置有座位开关传感器，座位开关传感器通过CAN总线与DSP控制器连接。座位开关传感器安装在座椅和踏板上，座位开关传感器模块检测用户是否在座位上及脚是否在踏板上，当用户离开座位或脚离开踏板时，DSP控制器产生指令控制智能轮椅紧急制动。

在此还披露了避障系统120，避障系统120包括由超声波传感器和红外传感器构成的测距系统、由红外传感器和超声波传感器构成的可检测地面突出物体或深坑的防跌落检系统、由碰撞开关构成的避碰检测系统。超声波传感器和红外传感器配合使用构成的传感器组，合理布置在轮椅车体上，共计使用十二组。设计可折叠扶手，在折叠扶手前段，左右各安装两组超声波传感器和红外传感器；左右两侧的扶手外侧上各安装两组超声波传感器和红外传感器，其中前端一组设计成可以调整旋转角度的形式，使其可以前倾30°角度。轮椅下部的传感器一组分布在底部左右横梁外侧，并朝向地面倾斜30°左右的角度，左右两个踏板上各安装一组，其中一组朝向地面倾斜30°左右的角度。九组水平放置，主要作用是检测前方障碍物的距离，三组朝向地面倾斜，主要作用是检测地面的突出物体和凹坑、沟道、台阶等。碰撞开关分布在轮椅车体底部的前后左右四个方向，构成防碰检测系统。避障系统根据传感器组实时检测到的信息，产生相应的控制指令到电动轮椅运动系统，通过DSP控制器产生包括加减速、转向、制动、鸣笛、转向灯等的运动信号。如图1所示，超声波传感器、红外传感器、碰撞开关通过CAN总线与DSP控制器连接，并通过DSP控制器的eCAN接口与DSP控制器通讯。

导航定位控制系统130利用近程智能终端来实现，近程智能终端可以为能够进行数据传输的智能设备。在本实施例中，近程智能终端为手机。轮椅车体上开设手机固定槽，用户的手机不需进行任何硬件改造，如图1所示，只需通过DSP控制器的GPIO接口外接USB或蓝牙，连接DSP控制器和手机，进行收发数据。手机内安装有近程客户端，打开近程客户端，近程客户端能够读取手机内置的GPS模块和导航定位地图的信息，即可以进行导航定位。近程客户端利用手机现成的硬件，读取手机GPS数据，内嵌导航定位地图模块，结合从轮椅控制系统采集的轮椅运行状态，通过DSP控制器综合处理，产生控制指令，定位智能轮椅位置，并根据用户需求规划路线，控制智能轮椅按规划路线运行，实现了实时的导航定位和人机交互。

在使用USB连接DSP控制器与手机时，可以通过OTG技术连接。通过OTG技术，我们可以给智能终端扩展USB接口配件以丰富智能终端的功能，如令手机连接鼠标、键盘、U盘等。而从13年生产的智能手机，OTG功能成了标配。采用OTG技术实现在没有Host的情况下从设备间的数据传送。我们选用PHILIPS公司的USB接口芯片PDIUSBD12，该芯片可与任何微控制器实现高速并行接口(2Mb/s)，允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。PDIUSBD12一共有三组端点：端点0完成控制传输；端点1可以配置成中断传输；端点2有128B的缓冲区，是主要的数据传输端点。

近程客户端基于android平台开发，读取手机的GPS数据和用户指令，并将数据集成到DSP控制器中，将电动轮椅的运行信息采集、存储、显示，包括速度、方向、路线、目的地、电量、故障信息等，并开放信息输入接口，使用户在客户端输入相应的数据，控制轮椅的运行。近程客户端不仅充当传感器的采集角色，具有信息显示、控制和语音提示的功能，而且将数据通过远程传输到服务器，供远程客户端使用。近程客户端系统开放地图输入和路线记忆功能。地图输入功能使用户能够根据自己的意图规划轮椅的运动路径，达到高准确度和精确度，克服了地图导航中某些地标的数据欠缺、新增地图不够实时、室内路线无法导航及某些短距离导航精度的不足的缺点。路线记忆功能使用户可以对常去的地点，比如公园、商场、医院等，做到一键到达并返回的功能，只要在走过一次这个路线，指定起点和终点并进行记忆，下次运行即可以一键轻松到达目的地，真正做到人性化的智能。客户端系统具有故障显示功能，将故障的详细信息显示，并做出维修指引。

远程监控系统实现了远程的实时监测、控制轮椅的运行情况。近程客户端系统将数据通过手机的无线通讯网络，如3G或者WIFI网络，将数据进行远程传输到服务器。远程客户端用户共享数据，也能够远程发送控制指令，控制智能轮椅的运行。远程客户端安装在远程智能终端上，在本实施例中，远程智能终端为手机。远程客户端设置账号保护，具有账号的用户家人、医护人员等才能够登陆，查看信息、接收报警、远程控制轮椅。当轮椅没有按照既定轨迹路线运行或者轮椅出现故障、路况太差、轮椅搁浅等情况下，老年和残疾人群可能无法移动、请求援助或要求帮助，从而会使用户置于危险情况。面对这种情况，远程客户端开启辅助驾驶，远程报警或监控轮椅运行，帮助轮椅使用者应对各种问题。如果老年用户的记性差，用户家人通过远程监控客户端可以送老年人回家。

安装近程客户端的近程智能终端和远程客户端的远程智能终端之间用socket连接。socket通常也称作“套接字”，应用程序通常通过"套接字"向网络发出请求或者应答网络请求。socket实质上提供了进程通信的端点。进程通信之前，双方首先必须各自创建一个socket服务，包括IP地址、端口、传输协议，其中ServerSocket用于服务器端，而socket用于建立网络连接。在连接成功时，应用程序两端都会产生一个socket实例，操作这个实例，完成所需的会话。两个智能终端上的客户端就是基于这个socket机制，完成数据的交换与传输。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种智能轮椅，包括轮椅车体，所述轮椅车体设置有两个驱动后轮和两个随动前轮，其特征在于，所述两个驱动后轮均设置有直流无刷电机，所述直流无刷电机连接双闭环控制系统，并由DSP控制器控制所述双闭环控制系统，并且DSP控制器控制所述电机的转速，来实现所述两个驱动后轮不同的转速，实现差速转向。

2.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于，所述双闭环控制系统包括所述直流无刷电机内置的霍尔传感器、PI速度控制器、PI电流控制器、功率驱动器和三相全桥电路，所述霍尔传感器检测将所述直流无刷电机的转速和电流分别反馈给PI速度控制器和PI电流控制器，并输出信号给功率驱动器，所述信号驱动三相全桥电路，从而带动所述直流无刷电机转动。

3.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于，还包括避障系统，所述避障系统包括测距系统、防跌落系统，所述避障系统与DSP控制器连接，所述测距系统和防跌落系统均包括设置在所述轮椅车体上的超声波传感器和红外传感器。

4.根据权利要求3所述的智能轮椅，其特征在于，所述避障系统还包括防碰系统，所述避碰检测包括碰撞开关，所述碰撞开关与DSP控制器连接，所述碰撞开关设置在所述轮椅车体的外围。

5.根据权利要求1所述的智能轮椅，其特征在于，还包括导航定位控制系统，所述导航定位控制系统包括近程智能终端，所述近程智能终端与DSP控制器连接，所述近程智能终端内设置有GPS模块和导航定位地图，所述近程智能终端发送所述GPS模块和导航定位地图的信息。

6.根据权利要求5所述的智能轮椅，其特征在于，所述近程智能终端包括输入模块，所述输入模块输入控制信息，所述控制信息传送至所述DSP控制器，通过所述DSP控制器对所述轮椅车体进行控制。

7.根据权利要求5所述的智能轮椅，其特征在于，所述近程智能终端与所述DSP控制器通过USB或蓝牙连接。

8.根据权利要求5所述的智能轮椅，其特征在于，还包括远程监控系统，远程监控系统包括服务器、远程智能终端，所述近程智能终端将数据传输到所述服务器，所述远程智能终端共享所述服务器的数据。

9.根据权利要求8所述的智能轮椅，其特征在于，所述远程智能终端输入信息，所述信息传送至所述近程智能终端，并通过DSP控制器对所述轮椅车体进行控制。

10.根据权利要求8或9所述的智能轮椅，其特征在于，所述远程智能终端与近程智能终端之间通过无线连接。