CN106038103A - 一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，包括万向操纵手柄、功能按键、DSP控制器、四个分别控制电动轮椅的左后、右后、左前、右前轮电机的电动驱动控制器；电动驱动控制器由CAN总线与DSP控制器连接，DSP控制器与万向操纵手柄电连接；功能按键包括电源开关、实现控制轮椅行驶或自转的轮椅运动模式选择按钮、实现控制轮椅逆时针或顺时针自转的自转模式选择按钮和实现控制轮椅前进或后退的行驶模式选择开关。本发明通过DSP控制器根据操作手柄及功能按键设定完成速度和方向判断计算，输出的信息再通过CAN总线发送给驱动控制器，驱动控制器通过转矩和速度双环PID控制四个轮毂电机，以实现车轮协同输出不同方向和速度。

Description

一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统

技术领域

本发明属于电动轮椅技术领域，具体涉及一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统。

背景技术

我国人口老龄化的趋势日益加重，各种疾病如脑血管疾病、糖尿病等老年并发症导致了老年人行动障碍。另外还有许多下肢残疾人士的日常生活也存在着很多不便。轮椅作为残疾人的一种代步工具，在生活中对这些人士的日常出行和生活有着重要的作用。普通的手动轮椅需要人力协助，比较费力，而且不能长距离行驶。市面上的电动轮椅大多数为两轮驱动，存在着在差的路况下容易打滑、侧倾、启动制动差的问题，并且不方便老年人或残疾人士在小面积空间的行进使用。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种适合老弱和下肢残疾/截瘫人群操作的电动轮椅的四轮独立驱动控制系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，包括：

用于完成轮椅的运行速度控制的万向操纵手柄、功能按键、DSP控制器、四个分别用于控制电动轮椅的左后轮电机、右后轮电机、左前轮电机、右前轮电机的四个电动驱动控制器；所述电动驱动控制器通过CAN总线与所述DSP控制器连接，所述DSP控制器与所述万向操纵手柄通过A\D转换电路连接并通过功能按键电路与所述功能按键电连接；所述功能按键设在操作面板上，包括用于启动整个系统的电源开关、用于实现控制轮椅行驶或自转的轮椅运动模式选择按钮、用于实现控制轮椅逆时针或顺时针自转的自转模式选择按钮和用于实现控制轮椅前进或后退的行驶模式选择开关。

所述万向操纵手柄内部X、Y方向有两个电位器，电位器两端分别连接3V电压，操纵手柄时会产生对应的0-3V的模拟电压信号以输出X、Y两种模拟量。

所述万向操纵手柄采用霍尔式二维操纵手柄。

所述DSP控制器通过控制器接口与四个CAN总线模块连接，四个所述CAN总线模块连接电动驱动控制器，所述电动驱动控制器连接所述车轮驱动器。

所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述电动驱动控制器采用MSP430G2553单片机控制器，所述控制器接口采用TJA1050；该单片机控制器与控制器接口TJA1050的CAN总线通信模块是以MCP2515模块做为CAN控制器，以控制器接口TJA1050做为CAN总线通讯接口的收发器，通过SPI接口连接MSP430G2553单片机实现CAN通讯；所述DSP控制器内部的CAN模块与作为CAN收发器的SN65HVD230模块采用F28335内部CAN模块做为CAN控制器以实现CAN通讯。

本发明实现了在不同路况下动力分布比较均匀，减少了车身打滑和侧倾，相对两轮驱动更加安全具有更强的驱动能力，在启动加速和制动上更快速有效，使得轮椅可以协调四轮独立转动，实现绕中心旋转的功能，方便在小空间转弯。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电动轮椅的四轮独立驱动控制系统的原理框图；

图2是本发明实施例提供的电动轮椅的四轮独立驱动控制系统CAN总线通信框图；

图3是本发明实施例提供的电动轮椅的四轮独立驱动控制系统的控制流程图；

图4是本发明实施例提供的单片机的控制流程图；

图5是本发明实施例提供的万向操纵手柄与功能按键在操作面板上的布局图；

图6是本发明实施例提供的DSP控制器的CAN总线模块电路图；

图7是本发明实施例提供的单片机的CAN总线模块电路图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

参见图1、4所示，一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，包括：

用于完成轮椅的运行速度控制的万向操纵手柄1、功能按键、DSP控制器、四个分别用于控制电动轮椅的左后轮电机、右后轮电机、左前轮电机、右前轮电机的四个电动驱动控制器；所述电动驱动控制器通过CAN总线与所述DSP控制器连接，所述DSP控制器与所述万向操纵手柄通过A\D转换电路连接并通过功能按键电路与所述功能按键电连接；所述功能按键设在操作面板上，包括用于启动整个系统的电源开关5、用于实现控制轮椅行驶或自转的轮椅运动模式选择按钮3、用于实现控制轮椅逆时针或顺时针自转的自转模式选择按钮4和用于实现控制轮椅前进或后退的行驶模式选择开关2，如图4所示。

需要说明的是，本发明中，所述万向操纵手柄和功能按键，用于提供电动轮椅的运动信号，其中万向操纵手柄通过手推按的方向和力度，然后参考功能按键设定和速度档位，确定信号是否有效和安全，最终给定此刻电动轮椅的速度和方向信息。

具体实现上，所述万向操纵手柄内部有两个电位器(X、Y方向均有一个)，电位器两端分别连接3V电压，操纵手柄时会产生与之位置对应的模拟电压信号{0-3V)，可输出X、Y两种模拟量，起始位置(中心位置)电压输出设为X,Y(1.5V,1.5V)，其输出信号经A/D转换电路转换为数字型电压信号，由DSP控制器接收并进行处理判断，控制轮椅的前后行进方向和速度。

优选的，本发明中，所述万向操纵手柄采用霍尔式二维操纵手柄。

需要说明的是，本发明中，所述功能按键电路与功能按键一起可用于设置电动轮椅的前进和后退、行驶以及自转，自转方向，高、中、低三速度以及停止、电源开关，所述操作面板上设有高速度调节按键6、中速度调节按键7、低速度调节按键8以及停止按键9。

所述电动驱动控制器为四个电机驱动器的控制中心，用于接收CAN总线上的速度和方向命令信息，经运算处理后把信号传送给电机驱动器以驱动电机；采集电机驱动器上传的电机电流和速度信息，并通过CAN总线发送到DSP控制器，由CAP捕获模块进行电机的速度的采集。

其中，本发明中，所述DSP控制器是整个电动轮椅系统运行的核心，负责采集万向操纵手柄和功能按键发出的信号(如车速方向给定、正反转给定、制动给定等)，然后根据相应算法完成速度和方向的判断计算，输出控制轮椅的方向、速度命令，输出的信息通过CAN总线把每个车轮需要的速度和方向信号传送到各个电动驱动控制器，然后电动驱动控制器根据转矩和速度的双环PID控制的算法，发出PWM控制信号给轮椅的每个车轮的电机驱动器，以驱动轮毂电机，以实现车轮协同输出不同方向和速度，完成行进及转弯任务；同时由电机驱动控制器采集电机的实际转速和电流值，并通过CAN总线传递给DSP控制器。

本发明系统通过采集行驶状况实时反馈调整，可实现系统的闭环控制，提高行驶的稳定性。

本发明的四轮独立驱动系统的控制算法可以实现通过一个万向操纵手柄完成车体的运行控制，即根据万向操纵手柄输出的两路模拟量(X,Y)，经过一定的算法处理，转变成四个车轮的速度和方向控制。

其中，具体实现上，作为一个实施例，本发明中，所述DSP控制器通过控制器接口与四个CAN总线模块连接，四个所述CAN总线模块连接电动驱动控制器，所述电动驱动控制器连接所述车轮驱动器，参见图2所示。

本发明中，所述DSP控制流程及单片机的控制流程如图3-4所示。参见图3所示，所述DSP控制流程如下：开始上电后，进行初始化，包括时钟初始化、IO端口的初始化、CAN总线模块的初始化、AD采集的初始化、定时器的初始化等，初始化后开中断进入低功耗，ADC采集万向操纵手柄的信号后由处理器进行算法处理并进行PID反馈调节，然后进入定时器，把四个轮的速度值与方向通过CAN总线传输给电机驱动器，电机驱动器通过定时器依次发送数据，通过CAN总线返回速度值，由处理器通过定时器依次接收数据。

所述单片机的控制流程如下，参见图4所示，开始上电后，进行初始化，包括时钟初始化、IO端口的初始化、CAN总线模块的初始化、AD采集的初始化、捕获初始化、定时器的初始化、PWM输出初始化等，初始化后开中断进入低功耗，CAN总线接收中断，接收DSP控制器传输下来的电机速度和方向信号，驱动电机转动，打开定时器，通过CAN总线反馈电机速度，驱动电机转动，通过定时器定时发出数据反馈给DSP控制器，在单片机进行低功耗时且捕获中断时，通过CAP捕获模块采集电机的速度反馈给DSP控制器。

优选的，本发明中，所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述CAN总线模块采用MCP2515，所述电动驱动控制器采用MSP430G2553单片机控制器，所述控制器接口采用TJA1050。

具体的，本发明使用CAN网络完成整车的五个CAN节点的通信功能，包括一个整车控制器和四个轮毂电机驱动器共五个CAN节点。DSP控制器作为主控核心，用其内部的CAN模块实现与四个轮毂电机控制模块通讯；四个轮毂电机控制器采用MCP2515CAN模块及MSP430单片机的方式实现与主控的数据通讯。电动轮椅的CAN总线网络如图2所示。

其中，所述DSP控制器内部的CAN模块与SN65HVD230模块是采用F28335内部CAN模块做为CAN控制器，SN65HVD230模块作为收发器，电路图如下如图6所示。

其中，MSP430G2553单片机与控制器接口TJA1050的CAN总线通信模块是以MCP2515模块做为CAN控制器，以控制器接口TJA1050芯片做为CAN总线通讯接口的收发器，并通过SPI接口连接MSP430G2553单片机实现控制，如图7所示。

控制系统工作时，首先打开电源开关，设定轮椅运动模式。当选择行驶模式后，通过调节速度旋钮可设定最大运行速度，再用行驶选择按钮设定前进或者后退，然后推动万向操纵手柄即可使轮椅前进或后退行驶。

当设定前进模式时，向后推动万向操纵手柄，轮椅是不运行的。设定后退模式同样如此，这样增加了操作的安全性，可防止因误操作带来的轮椅意外行驶。

当选择了自转模式后，通过自转选择模式按钮设定顺时针自转或者逆时针自转。当设定顺时针自转时，向左推动万向操纵手柄，即可顺时针自转，推至其他方向万向操纵手柄不起作用。逆时针自转同样如此。

其中，本发明中，在限速级内，操作时拨动万向操纵手柄的角度越大，速度越快，反之则减慢。万向操纵手柄回到中间位置时为停车。当车辆因电量太低或其它故障而无法进行电动行驶时，关断电源开关车辆即可用手推动。

本发明实现了在不同路况下动力分布比较均匀，减少了车身打滑和侧倾，相对两轮驱动更加安全具有更强的驱动能力，在启动加速和制动上更快速有效，使得轮椅可以协调四轮独立转动，实现绕中心旋转的功能，方便在小空间转弯。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，其特征在于，包括：

用于完成轮椅的运行速度控制的万向操纵手柄、功能按键、DSP控制器、四个分别用于控制电动轮椅的左后轮电机、右后轮电机、左前轮电机、右前轮电机的四个电动驱动控制器；所述电动驱动控制器通过CAN总线与所述DSP控制器连接，所述DSP控制器与所述万向操纵手柄通过A\D转换电路连接并通过功能按键电路与所述功能按键电连接；所述功能按键设在操作面板上，包括用于启动整个系统的电源开关、用于实现控制轮椅行驶或自转的轮椅运动模式选择按钮、用于实现控制轮椅逆时针或顺时针自转的自转模式选择按钮和用于实现控制轮椅前进或后退的行驶模式选择开关。

2.根据权利要求1所述电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，其特征在于：所述万向操纵手柄内部X、Y方向有两个电位器，电位器两端分别连接3V电压，操纵手柄时会产生对应的0-3V的模拟电压信号以输出X、Y两种模拟量。

3.根据权利要求1或2所述电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，其特征在于：所述万向操纵手柄采用霍尔式二维操纵手柄。

4.根据权利要求3所述电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，其特征在于，所述DSP控制器通过控制器接口与四个CAN总线模块连接，四个所述CAN总线模块连接电动驱动控制器，所述电动驱动控制器连接所述车轮驱动器。

5.根据权利要求4所述电动轮椅的四轮独立驱动控制系统，其特征在于，所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述电动驱动控制器采用MSP430G2553单片机控制器，所述控制器接口采用TJA1050；该单片机控制器与控制器接口TJA1050的CAN总线通信模块是以MCP2515模块做为CAN控制器，以控制器接口TJA1050做为CAN总线通讯接口的收发器，通过SPI接口连接MSP430G2553单片机实现CAN通讯；所述DSP控制器内部的CAN模块与作为CAN收发器的SN65HVD230模块采用F28335内部CAN模块做为CAN控制器以实现CAN通讯。