CN106038106A - 基于激光测距的爬楼轮椅控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，适用于轮椅技术领域，包括：激光测距模块，用于通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离；座椅平衡模块，用于根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。同时本发明还提供一种基于激光测距的爬楼轮椅控制方法。借此，本发明通过激光测距改进轮椅避障，并对轮椅在爬楼过程中加以控制，解决爬楼轮椅在爬楼过程中出现的颠簸。

Description

基于激光测距的爬楼轮椅控制系统及方法

技术领域

本发明涉及轮椅技术领域，尤其涉及一种基于激光测距的爬楼轮椅控制系统及方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对出行要求越来越高，但这对于老年人和肢体残疾人来说则变成了一种奢望，尤其是遇到台阶、楼梯等复杂的路段，这种弱势群体更希望有一种代步工具。轮椅恰恰成了解决这个难题的关键，能够解决老年人和肢体残疾患者的出行，但是遇到障碍、楼梯等复杂地形，普通轮椅就显得力不从心。智能电动越障爬楼轮椅是在国家提倡关爱弱势群体，创建和谐社会的背景下开发的一种适用于残疾人与老年人等腿脚不便人群的新型移动辅助设备。该轮椅能够适应现实生活中出现的不同情况的复杂路面，能够翻越台阶，楼梯等障碍，对提高残疾人，老年人的行动能力具有较高的实用价值。

普通轮椅和电动轮椅的推出，再加上一些城市无障碍设施的完善，已经完好的解决了小部分老年人和腿脚不便的残疾人出行不便的问题。然而大部分地区，比如农村、城镇等地方，它的配套设施没有那么完善，单单靠普通轮椅是无法解决老年人和残疾人的出行问题。即便是一线城市，也不是所有地方的设施都是那么完善。

对普通电动轮椅进行功能升级，也就是电动爬楼轮椅，就能够有效的解决老年人和腿脚不便的残疾人的出行。电动爬楼轮椅自带有爬楼和越障功能，使得乘坐者能够在小范围的距离自由出行而不必麻烦家人。电动爬楼轮椅有效解决老年人出行不便的难题，电动爬楼轮椅势必会有广阔的市场前景。

电动爬楼轮椅的核心技术在于对爬楼技术的研究，国内外多家科研机构和企业早已做了大量工作并且得了相应的技术成果。电动爬楼轮椅按照功能实现方式可以分为三大类：星轮式、步行式和履带式爬楼。

(1)星轮式爬楼轮椅。星轮式爬楼轮椅爬楼动力是在轮椅底部轴杆两侧分布的若干小轮，在平地行走时，各小轮自转。在爬楼梯过程中，星轮式爬楼轮椅的各小轮同时绕轴杆公转。目前常见的星轮式爬楼轮椅有两侧各配三轮、四轮和五轮形式。安全和可靠性仍有待改进。星轮式爬楼轮椅结构简单、造价便宜，但是星轮间距是固定的对楼梯台阶的尺寸的通用性较差，同时安全防滑的可靠性也较差操作也不方便，对于爬楼轮椅这样涉及到老年人和残疾人生命安全的器件还是要以质量取胜。

(2)步行式爬楼；装置步行式爬楼装置是通过模仿人的爬楼动作，设计出多条机械腿交替升降以支撑爬楼动作，又称为多足机器人。步行式爬楼装置在爬楼过程中的的特点是爬楼不连续，同时对控制算法要求严格，操作复杂。而步行式爬楼装置的优点在于爬楼过程非常稳定，能完成不同尺寸楼梯的攀爬；但是缺点也明显，平地行走时运动幅度过小导致动作异常缓慢。另外，由于功能需求，机械腿必须有一定的长度要求，座椅距离地很远，容易造成乘坐者使用恐慌。鉴于上述情况，步行式爬楼装置多数止步于实验室，很少有实际应用。

(3)履带式爬楼轮椅；履带式爬楼轮椅在爬楼越障过程中，借助履带的支撑完成对于楼梯或者一般障碍物的攀爬。对比步行式爬楼装置履带式爬楼装载的控制相对容易很多。而且履带式爬楼装置的爬楼过程相比较与步行式和星轮式更加连续，因而也具有更加平稳的爬楼体验和传动效率。履带爬楼装置在爬楼过程中，会始终沿着与楼梯台阶的连线做直线运行，重心波动较小，所以运动更加平稳对地形的适应能力更强。因而，履带式爬楼轮椅有更好的市场和经济空间。

现有的轮椅的用户群体以老年人、残疾人、行动不方便或肢体不健全人居多，同时这些人自己很难准确、正确、灵活、自如地控制电动轮椅，必须要有他人陪护。这类人员的操作难度较大，不能让轮椅更加方便、智能、简单、人性化，在自主或由他人协助控制操作方面也有缺陷。

综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对上述的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于激光测距的爬楼轮椅控制系统及方法，其能有效降低现有的轮椅爬楼过程中出现一定幅度的颠簸，通过激光测距改进轮椅避障，并对轮椅在爬楼过程中加以控制，解决爬楼轮椅在爬楼过程中出现的颠簸。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，包括：

激光测距模块，用于通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离。

座椅平衡模块，用于根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，还包括：

所述霍尔控制模块包括霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

所述激光测距模块通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

第一电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

第二电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

所述第一电机驱动模块、所述第二电机驱动模块、所述座椅平衡模块通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，，所述激光测距模块还包括：

平地判定子模块，用于根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

滤波运算子模块，用于通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

所述座椅平衡模块还包括：

角度调整子模块，用于当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

所述周期调整子模块还用于设定正转到反转之间切换的延迟时间。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，所述座椅平衡模块包括加速计，所述座椅平衡模块输出所述占空比信号的占空比与加速计记录的加速度曲线成正相关，所述加速度与倾斜角成正比，所述占空比信号直接通过微控制器测量。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，还包括：

人机交互模块，用于通过人机交互界面输入控制指令；

所述人机交互模块还包括：

爬楼开关子模块，用于在平地运行过程中，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式；

所述激光测距模块还包括：

自动切换子模块，用于当检测到第一距离的最大值，将信号传递给所述控制芯片使所述爬楼轮椅进行平地模式的切换；

所述轮子电机和所述履带电机是直流无刷电机。

本发明还提供一种基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，包括：

通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离；

根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，还包括：

通过霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，所述通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离的步骤还包括：

根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

所述根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势的步骤还包括：

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心；

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心；

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

设定正转到反转之间切换的延迟时间；

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，所述根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势的步骤还包括：

输出所述占空比信号的占空比与加速计记录的加速度曲线成正相关，所述加速度与倾斜角成正比，所述占空比信号直接通过微控制器测量。

根据本发明所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，还包括：

通过人机交互界面输入控制指令；

所述通过人机交互界面输入控制指令的步骤还包括：

在平地运行过程中，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式；

所述通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离的步骤还包括：

当检测到第一距离的最大值，将信号传递给所述控制芯片使所述爬楼轮椅进行平地模式的切换。

本发明通过激光测距改进轮椅避障，并对轮椅在爬楼过程中加以控制，解决爬楼轮椅在爬楼过程中出现的颠簸。

附图说明

图1是本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制系统结构示意图；

图2是本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制系统的优选实施例的结构示意图；

图3是本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制方法激光测距控制爬楼原理示意图；

图4是本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制方法流程示意图；

图5是本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第一实施例示意图；

图6是本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第二实施例切换爬楼模式流程示意图；

图7是本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第二实施例调整座椅倾斜角流程示意图；

图8是本发明本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第二实施例激光测距流程示意图；

图9是本发明本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第二实施例爬楼模式流程示意图；

图10是本发明本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法第三实施例爬楼状态示意图；

图11是本发明电动基于激光测距的爬楼轮椅控制方法座椅平衡原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决上述问题，结合图示说明，如图1～图2所示，本发明提供的基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100，包括：

激光测距模块10，用于通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离。

座椅平衡模块20，用于根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

霍尔控制模块30，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

进一步地，基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100还包括：

所述霍尔控制模块30包括霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

所述激光测距模块10通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

第一电机驱动模块50，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

第二电机驱动模块60，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

所述第一电机驱动模块50、第二电机驱动模块60、座椅平衡模块20通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

本实施例中，所述激光测距模块10还包括：

平地判定子模块11，用于根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

滤波运算子模块12，用于通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

所述座椅平衡模块20还包括：

角度调整子模块21，用于当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

周期调整子模块22还用于设定正转到反转之间切换的延迟时间；

更好的是，通过所述超声避障模块40还用于周期性的发射超声波来检测前方是否有障碍物，将测出障碍物的距离传递给所述控制芯片；用于通过降低超声波发射频率同时对控制芯片进行滤波算法处理，确定所述障碍物的距离的数值；用于根据所述障碍物的距离小于安全距离发送停转指令调整相应的电机的转速和转向来使得所述爬楼轮椅停止向前行进；还用于当检测到所述障碍物的距离小于安全距离，所述霍尔控制杆的靠近障碍物的控制指令被识别为无效指令，当检测到障碍物的距离大于安全距离，所述霍尔控制杆的靠近障碍物的控制指令被识别为有效指令。

所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100，优选的是，所述座椅平衡模块20包括加速计，所述座椅平衡模块20输出所述占空比信号的占空比与加速计记录的加速度曲线成正相关，所述加速度与倾斜角成正比，所述占空比信号直接通过微控制器测量。激光测距传感器具有更好的方向性能，使它避免在检测中受到同等信号的干扰，工作过程中有可视的红外激光工作频率为10Hz。在初次上电后激光测距模块10会延时0.5s，然后将所检测到的距离数据以串口的方式发送给控制芯片。

所述座椅平衡模块20核心是应用了加速计的平衡传感器，借助于激光测距模块10的测距结果一起作为控制条件，在爬楼过程中进行平衡控制和推进爬楼轮椅的电机运转

超声波避障设计在于，在爬楼轮椅的运行过程中，爬楼轮椅前方的超声波组件会周期性的发射超声波来检测前方是否有障碍物，如果有就测出障碍物的距离然后将检测到的距离信号传递给控制芯片，控制芯片调整电机的转速和转向来避免轮椅继续向前行进。

所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100中需要根据复杂的障碍物和楼梯的位置进行精确的测定，实际应用中，超声避障模块40工作步骤包括：探测障碍物时通过控制端给与第一时间阈值的高电平；获得高电平作为启动信号；在接受端采集到相应的高电平输入；检测基准信号与收到信号的时间差；根据记录的高电平的时间差推算出距离；在测距的过程中，所述超声避障模块40了HC_SR04超声波模块。

所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100，还包括：

人机交互模块70，用于通过人机交互界面输入控制指令；

所述人机交互模块70还包括：

爬楼开关子模块71，用于在平地运行过程中，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式；

所述激光测距模块10还包括：

自动切换子模块13，用于当检测到第一距离的最大值，将信号传递给所述控制芯片使所述爬楼轮椅进行平地模式的切换；

所述轮子电机和所述履带电机是直流无刷电机。

更进一步地，为了使得本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制方法阐述更清楚，基于上述爬楼轮椅的控制系统100实现，如图4所示，步骤包括：

步骤S401，通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离；

步骤S402，根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

步骤S403，根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

以上步骤分别由激光测距模块10，座椅平衡模块20，霍尔控制模块30实现。在该实施例中，所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，优选的步骤还包括：

通过霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法为了调节座椅平衡，在一优选实施例中，所述步骤包括：

步骤S501，根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

步骤S502，通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

步骤S503，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心；

步骤S504，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心；

步骤S505，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

上述步骤中，还进一步优选的是，设定正转到反转之间切换的延迟时间。以便于保护电机不会因为频繁瞬间切换导致性能下降。这其中需要配合的是所述激光测距模块10、平地判定子模块11、滤波运算子模块12、所述座椅平衡模块30、角度调整子模块。

霍尔控制模块20包括霍尔控制杆和控制芯片，控制芯片应用了意法半导体STM32芯片，更具有可扩展性，在STM32系统中，采用捕获中断来检测高电平的时间能够很好的解决毛刺问题，因为捕获本身就具备滤波功能。在捕获函数的初始化中，可以根据需求对要检测的波形进行滤波。

对于常用的平衡传感器，其检测精度会在一定范围内波动。设定0°保持座椅推杆电机停转，小于-5°座椅推杆电机正转，大于+5°座椅推杆电机反转。这种通过扩大座椅推杆电机正反转的范围的平衡传感器的检测设定就不会照成不停的停止和转动。即设置座椅推杆电机连续正转为小于-5°，座椅推杆电机连续反转为大于+5°，座椅推杆电机停转点为设定0°

这种将推杆电机的正转反转和停转的范围交融式相接设定办法，能有效的解决座椅推杆电机频繁交替正反转动的抖动问题。

在本发明基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100应用的一个具体实施例子中，爬楼轮椅的平地运行控制中涉及到霍尔控制杆的信号采集、超声波传感器的测距研究和电机驱动电路的设计；所述爬楼轮椅的爬楼控制会涉及到激光传感器测距以及信号的传输、平衡传感器信号的A/D采样。人机交互界面用来选择相应的运转模式：爬楼运行模式、平地运行模式；霍尔控制杆主要作为乘坐者对轮椅控制信号的输入；超声波传感器、平衡传感器、激光传感器用于轮椅周边环境采集；照明、蜂鸣器、电机驱动以及电机则是用于轮椅功能最终的实现，电源供电可以通过内置电池来实现。平地运行模式流程如图6所示，包括：

步骤S601，平地运行模式；

步骤S602，控制霍尔控制杆；

步骤S603，是否达到避障限位；

步骤S604，轮子受摇杆自由控制；若经超声检测具有障碍物，需要避开执行步骤S605；

步骤S605轮子避障；

步骤S606，看门狗喂狗成功。

步骤S607，是否需要切换爬楼模式。若是，执行步骤S608，若否，回到执行步骤S601。

步骤S608，如果切换成功，执行步骤S610。不行则执行步骤S609；

步骤S609，重启霍尔控制器；

步骤S610，爬楼模式。

控制芯片应用了意法半导体STM32芯片主系统主要由四个被动单元和四个驱动单元构成。四被动单元是：AHB(Advanced High-performance Bus，高性能总线)到APB(Advanced Peripheral Bus，外围总线)的桥(连接所有的APB设备)、内部FLASH闪存、内部SRAM(Static RAM的缩写，即静态随机存储器)、FSMC(Flexible Static MemoryController，可变静态存储控制器)。四个驱动单元是：内核DCode总线、系统总线、通用DMA1、通用DMA2。四个驱动单元是：内核DCode总线、系统总线、通用DMA1、通用DMA2。ICode总线：该总线将M3内核指令总线和闪存指令接口相连，指令的预取在该总线上面完成。DCode总线：该总线将M3内核的DCode总线与闪存存储器的数据接口相连接，常量加载和调试访问在该总线上面完成。系统总线：该总线连接M3内核的系统总线到总线矩阵，总线矩阵协调内核和DMA间访问。DMA总线：该总线将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相连，总线矩阵协调CPU的DCode和DMA到SRAM，闪存和外设的访问。总线矩阵：总线矩阵协调内核系统总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁利用轮换算法。AHB/APB桥：这两个桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接，APB1操作速度限于36MHz，APB2操作速度全速72MHz。

乘坐者通过霍尔控制杆将控制意愿传递给控制芯片完成对轮椅的操控。超声避障模块40通过超声波测量所述爬楼轮椅到障碍物的距离，反馈给控制芯片，进而停止前进。若需要座椅平衡，在爬楼过程中，通过平衡传感器检测座椅的倾斜角，并反馈给控制芯片继而通过调节座椅推杆电机的转速和方向来保持座椅平稳。在爬楼过程中，通过传感器来探测轮椅履带与楼梯之间的最大距离来判定所述爬楼轮椅是否已经爬上最后一阶楼梯，并将信号传递给控制芯片以便轮椅进行爬楼模式的切换。电机驱动是爬楼轮椅的动力来源，通过控制器给电机驱动芯片相对应的控制信号，继而驱动对应的电机完成正转、反转、停转。考虑到轮椅的使用者，以老年者居多，因而轮椅的控制需要简单。我们在设计爬楼轮椅的时候主要以摇动控制霍尔控制杆来驱动电机运转带动轮椅前进后退或者上下楼梯，其中用爬楼按键和平地运行按键来进行爬楼或者平地运行的切换，通过爬楼开关子模块71实现。同时也可以通过传感器来检测周围的环境，比如前面后面是否有楼梯，如果检测到楼梯则会自动切换为爬楼状态。爬楼过程中需要检测座椅倾斜，步骤包括：

步骤S701，启动座椅平衡模块

步骤S702，座椅平衡模块采集角度数据

步骤S703，是否倾斜；如果右倾斜，即倾斜角为正值，则反转减小，如果左倾斜，即倾斜角为负值，则正转增大。

步骤S704，等待启动命令；

步骤S705，切换到爬楼模式；

步骤S706，座椅推杆电机反转；

步骤S707，座椅推杆电机正转。

在爬楼轮椅的爬楼过程中，除超声波传感器和激光传感器外还需要平衡传感器来采集轮椅座位与水平方向的角度信号反馈给控制器，以便控制器能够在爬楼的同时调节座椅电机的转速和方向来保持座椅的水平。

除却轮椅的机械结构以外，要完成爬楼轮椅的基本功能需要相应的元器件。人机交互界面用来选择相应的运转模式：爬楼运行模式、平地运行模式；霍尔控制杆主要作为乘坐者对轮椅控制信号的输入；超声波传感器、平衡传感器、激光传感器用于轮椅周边环境采集；照明、蜂鸣器、电机驱动以及电机则是用于轮椅功能最终的实现。依赖于传感器或其他测距装置。

如图10所示的基于激光测距的爬楼轮椅控制系统100上下楼过程的具体实施例，轮椅下楼时，图5所示为轮椅履带结构图，履带分为两截前面长后面短，分为a，b两段，c为履带链接点支点处的电机c，当需要改变履带形态时就使得a和b围绕电机c转动，实现弯折或拉直，激光测距模块10在履带末端；图6中轮椅检测到楼梯，启动爬楼模式，放下后轮如图10，电机c如图所示正向转动，同时电动轮椅100通过履带向前运行；爬楼过程采集步骤包括：

步骤S801，是否收到采集指令，若无则执行S808，

步骤S802，激光测距模块采集距离数据

步骤S803，通过串口发送数据给控制芯片

步骤S804，是否数值周期性从小到大，从大到小变化。若是，执行步骤S804，若否，执行步骤S802。出现数据错误时也应重新获取，回到步骤S802。

步骤S805，保存最大值M，并替换上一个最大值M0；

步骤S806，比较M-M0>10cm。10cm为一个安全阈值，根据实际的爬楼轮椅的激光传感器的位置设定。

步骤S807，放下爬楼轮椅后轮，后轮缓慢着地。

步骤S808，等待采集指令

图10中d为激光模块所检测到的距离，地面到激光测距模块的距离，激光测距模块10控制调用它实现测距，后轮开始收起，电机c如图所示正向转动，if d＝0，后轮控制输出控制信号开始收后轮，电机c如图所示正向转动；激光测距模块10安装在爬楼轮椅的履带间隙上，在爬楼轮椅的爬楼过程中，激光测距模块10检测到的距离会周期性的变小变大，并且会有一个最大值M，当爬楼过程中激光测距模块检测到一个比M还大的距离时，就表示轮椅已经爬上最后一阶楼梯。

在一个具体实施例子中，以STM32控制芯片和霍尔组件构成霍尔控制器，还具备有看门狗，爬楼控制过程步骤如下：

步骤S901，爬楼模式；进入爬楼模式，用户乘坐上去可以控制走向和速度等；

步骤S902，控制霍尔控制杆。通过摇动霍尔控制杆进行操控，等待判断当前是否运行自由控制。

步骤S903，是否完成爬楼。如果完成了，执行步骤S909，在平地上可以自由行动，如果没有，执行步骤S904；

步骤S904，履带受摇杆自由控制，执行步骤S905；可以允许在爬楼模式中的各种操作，但放下轮子等操作还不行。

步骤S905，是否水平。如果是，执行步骤S907，如果否，执行步骤S906；通过平衡传感器进行检测。

步骤S906，座椅推杆电机转动调整；

步骤S907，看门狗喂狗成功；通过判断看门狗的状态，能否正常运行爬楼模式。

步骤S908，重启霍尔控制器。

步骤S909，切换运行模式成功。如果是，执行步骤S909，如果否，执行步骤S910。

步骤S910，平地模式。从爬楼模式进入平地模式，轮子缓慢放下。

虽然上下楼时控制条件有所区别，但是通过重心调整对准斜面平面的过渡点，利用了预先利用轮椅上的重心调节部件，这里选择的是履带，做参考物监控重心变化、同时以此调整重心和姿势实现平稳过渡，更换可跟随调节重心的活动部件的位置的测距装置的位置不影响通过监控距离，应该在本发明设计原理实现范围内。

综上所述，本发明通过爬楼轮椅应用了激光测距改进轮椅避障以及控制系统，并对轮椅在爬楼过程中加以控制，解决爬楼轮椅在爬楼过程中出现的颠簸。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，其特征在于，包括：

激光测距模块，用于通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离；

座椅平衡模块，用于根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

2.根据权利要求1所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，其特征在于，还包括：

所述霍尔控制模块包括霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

所述激光测距模块通过激光测量轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

第一电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

第二电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

所述第一电机驱动模块、所述第二电机驱动模块、所述座椅平衡模块通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

3.根据权利要求2所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，其特征在于，所述激光测距模块还包括：

平地判定子模块，用于根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

滤波运算子模块，用于通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

所述座椅平衡模块还包括：

角度调整子模块，用于当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心，当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

所述角度调整子模块还用于设定正转到反转之间切换的延迟时间。

4.根据权利要求3所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，其特征在于，

所述座椅平衡模块包括加速计，所述座椅平衡模块输出所述占空比信号的占空比与加速计记录的加速度曲线成正相关，所述加速度与倾斜角成正比，所述占空比信号直接通过微控制器测量。

5.根据权利要求3所述基于激光测距的爬楼轮椅控制系统，其特征在于，还包括：

人机交互模块，用于通过人机交互界面输入控制指令；

所述人机交互模块还包括：

爬楼开关子模块，用于在平地运行过程中，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式；

所述激光测距模块还包括：

自动切换子模块，用于当检测到第一距离的最大值，将信号传递给所述控制芯片使所述爬楼轮椅进行平地模式的切换；

所述轮子电机和所述履带电机是直流无刷电机。

6.一种基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，其特征在于，包括：

通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离；

根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势；

根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述爬楼轮椅的电机的运作。

7.根据权利要求6所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，其特征在于，还包括：

通过霍尔控制杆将所述控制指令传递给所述控制芯片完成对所述爬楼轮椅的操控；

通过激光测量所述爬楼轮椅到楼梯平面的距离反馈给所述控制芯片；根据输出调节轮子和履带的控制指令；

通过超声波检测障碍物和楼梯的距离，避开所述障碍物；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的轮子电机运行；

根据所述控制指令驱动所述爬楼轮椅的履带电机运行；

通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的占空比信号，驱动对应的电机完成正转、反转或停转。

8.根据权利要求7所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，其特征在于，所述通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离的步骤还包括：

根据第一距离的最大值来判定所述爬楼轮椅已经爬上最后一阶楼梯，将信号传递给所述控制芯片；

通过所述控制芯片对所述占空比信号进行滤波算法处理得到标准化的占空比信号；

所述根据座椅的倾斜角，控制座椅推杆电机的转向和转速调节爬楼轮椅的座椅姿势的步骤还包括：

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角小于第一阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机正转调整所述座椅姿势和重心；

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角大于第二阈值，输出占空比信号控制所述座椅推杆电机反转调整所述座椅姿势和重心；

当检测到所述爬楼轮椅的倾斜角在所述第一阈值和所述第二阈值之间所述座椅推杆电机停转；

设定正转到反转之间切换的延迟时间。

9.根据权利要求8所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，其特征在于，

输出所述占空比信号的占空比与加速计记录的加速度曲线成正相关，所述加速度与倾斜角成正比，所述占空比信号直接通过微控制器测量。

10.根据权利要求6所述基于激光测距的爬楼轮椅控制方法，其特征在于，还包括：

通过人机交互界面输入控制指令；

所述通过人机交互界面输入控制指令的步骤还包括：

在平地运行过程中，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式；

所述通过激光来检测履带与楼梯之间的第一距离的步骤还包括：

当检测到第一距离的最大值，将信号传递给所述控制芯片使所述爬楼轮椅进行平地模式的切换。