CN106074026A - 基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法系统，适用于轮椅技术领域，包括：超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作；第一电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述电动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电动爬楼轮椅的履带电机运行。同时，本发明还提供一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法。借此，本发明实现了电动爬楼轮椅自动化智能化，实现越障、自动切换爬楼和简易便捷的控制。
Description
技术领域
本发明涉及轮椅技术领域，尤其涉及一种基于超声测控的电动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。
目前市面上可见的电动爬楼轮椅，其爬楼过程还需护理人员辅助，并没做到真正的自动爬楼，而且爬楼过程还会出现小范围的颠簸。普通轮椅结构相对简单，价格亲民，大部分消费者都能承受，然而普通轮椅的活动范围有限，遇到台阶和楼梯时就无能为力，因而也很大程度的减小了老年人和残疾人的活动范围。随着国内经济的发展，人工成本的提高，迫于经济压力大多数老年人和残疾人都没有专人照看，他们只能常年呆在家中以避免给家人带来额外的负担。常年的独处，缺乏外界交流和身体活动，会造成老年人和残疾人身体上和生理上的疾病，故而电动爬楼轮椅的研究刻不容缓。
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。“WL-16RIII”是日本机器人公司和早稻田大学理工合力研发出的一款双足行走机器人。“WL-16RIII”由两条机器腿支撑座位，通过控制两条机器腿的升降来爬楼，座椅底部安装有平衡测位仪，每条机器腿有6个自由度并都装有压力传感器。“WL-16RIII”机器人“在演示会上成功地将一名研究人员举了起来，不但可以平稳的沿着楼梯上下，还可以在坑洼的路面上平稳行进。机器人目前由两个操纵杆进行控制，操作相对复杂，早稻田大学的研究人员正在努力研究它的简易控制方式。同时，该机器人的还有承载能力过低，行进速度过慢的缺陷。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超声测控的电动爬楼轮椅控制系统及方法，其目的在于电动爬楼轮椅的控制系统以嵌入式系统作为控制平台，以传感器检测技术作为手段，通过对直流电机的控制来实现电动爬楼轮椅的基本功能，实现越障、自动切换爬楼。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，包括：
超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作；
第一电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述电动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电动爬楼轮椅的履带电机运行。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，还包括：
所述霍尔控制模块包括所述霍尔控制器，所述霍尔控制器设置有霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将控制指令传递给所述控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
所述超声避障模块通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
所述第一电机驱动模块、所述第二所述电机驱动模块通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而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超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，所述超声避障模块还包括：
超声测距子模块，用于周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
距离运算子模块，用于通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
路径调整子模块，用于根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
所述路径调整子模块还用于当检测到所述第一距离小于安全距离，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，当检测到第一距离大于安全距离，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。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，所述超声测距子模块还用于：
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，所述超声测距子模块应用了HC_SR04超声波模块。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，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；
所述超声避障模块还包括：
自动爬楼子模块，用于当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态；
所述轮子电机和所述履带电机是直流无刷电机。
本发明提供一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，包括：
通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作；
根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的轮子电机运行；
根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的履带电机运行。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，还包括：
通过霍尔控制杆将控制指令传递给控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而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超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，所述通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物步骤还包括：
周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
当检测到所述第一距离小于安全距离，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，当检测到第一距离大于安全距离，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。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片步骤还包括：
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；
所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片的步骤应用了HC_SR04超声波模块。
根据本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，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；
所述通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物的步骤还包括：
当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态。
本发明通过电动爬楼轮椅的控制系统以嵌入式系统作为控制平台，以传感器检测技术作为手段，通过对直流电机的控制来实现电动爬楼轮椅的基本功能，自动化智能化，实现越障、自动切换爬楼、简易便捷的控制。
附图说明
图1是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统结构示意图；
图2是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统的优选实施例的结构示意图；
图3是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法原理示意图；
图4是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法流程示意图；
图5是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法第一实施例示意图；
图6是本发明基于超声测控的电动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是本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法第二实施例超声避障流程示意图；
图8是本发明本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法第二实施例超声测距示意图。
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，本发明提供一种电动轮椅，该电动轮椅借助的零部件可以是内置于移动终端的软件单元，硬件单元或软硬件结合单元。
结合图示说明，如图1～图2所示，本发明提供的一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100，包括：
超声避障模块10，用于通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
霍尔控制模块20，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作。
第一电机驱动模块30，用于根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的轮子电机运行；
第二电机驱动模块40，用于根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的履带电机运行。
电动爬楼轮椅主要从以下两个方面入手：(1)电动爬楼轮椅的平地运行控制；(2)电动爬楼轮的爬楼控制。其中电动爬楼轮椅的平地运行控制中涉及到霍尔控制摇杆的信号采集、超声波传感器的测距研究、电机驱动电路的设计；电动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。接下来详述平地运行模式控制的部分。
如图2所示，优选的实施例中，本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100，还包括：
所述霍尔控制模块20包括所述霍尔控制器，所述霍尔控制器设置有霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将控制指令传递给所述控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
所述超声避障模块通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
所述第一电机驱动模块、所述第二所述电机驱动模块通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而驱动对应的电机完成正转、反转或停转。
非接触的控制摇杆—霍尔控制杆，价格相对较高，采用非接触式的霍尔传感器再加以芯片控制能有效的进行磁线曲线矫正，保证输出的曲线的线性，霍尔控制杆有芯片对输出信号进行处理，使得霍尔控制杆的输出信号多元化可以是模拟电压信号、电流信号还可以通过串口与控制芯片进行通信。在爬楼轮椅中控制杆可以简明扼要的将乘坐者的控制意愿传达给控制器，有很好的乘坐体验感。
进一步地，所述超声避障模块10还包括：
超声测距子模块11，用于周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
距离运算子模块12，用于通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
路径调整子模块13，用于根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
所述路径调整子模块13还用于当检测到所述第一距离小于安全距离，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，当检测到第一距离大于安全距离，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。
超声波避障设计在于，在电动爬楼轮椅的运行过程中，轮椅前方的超声波模块会周期性的发射超声波来检测前方是否有障碍物，如果有就测出第一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。
所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统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，所述超声测距子模块11还用于：
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，所述超声测距子模块11应用了HC_SR04超声波模块。
更好的是，本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100，还包括：
人机交互模块50，用于通过人机交互界面输入控制指令；
所述人机交互模块50还包括：
爬楼开关子模块51，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。
所述超声避障模块10还包括：
自动爬楼子模块14，用于当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态；
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超声测控的电动爬楼轮椅控制方法阐述更清楚，基于上述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100实现，如图4所示，步骤包括：
步骤S401，通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
步骤S402，根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作。
步骤S403，根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的轮子电机运行；
步骤S404，根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的履带电机运行。
优选的，所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，还包括：
通过霍尔控制杆将控制指令传递给控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而驱动对应的电机完成正转、反转或停转。
在另一个实施例子中，所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法还包括：
步骤S501，周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
步骤S502，通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
步骤S503，根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
步骤S504，当检测到所述第一距离小于安全距离，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；
步骤S505，当检测到第一距离大于安全距离，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。
在本发明基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100应用的一个具体实施例子中，电动爬楼轮椅的平地运行控制中涉及到霍尔控制摇杆的信号采集、超声波传感器的测距研究、和电机驱动电路的设计；电动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、平地运行；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。
霍尔控制模块20包括所述霍尔控制器，所述霍尔控制器设置有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，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(AdvancedPeripheral Bus，外围总线)的桥(连接所有的APB设备)、内部FLASH闪存、内部SRAM(StaticRAM的缩写，即静态随机存储器)、FSMC(Flexible Static Memory Controller，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。超声波避障通过超声波测量轮椅距离第一距离，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。电机驱动是电动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。我们在设计电动爬楼轮椅的时候主要以控制摇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。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。
电动爬楼轮椅上电后，控制芯片STM32会首先初始化系统时钟、I/O管脚、看门狗等部分，然后通过人机交互界面上的爬楼按钮或者平地按钮来选择爬楼模式或者平地运行模式。
本发明所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，优选的是，所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片步骤还包括：
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；
所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片的步骤应用了HC_SR04超声波模块。
具体地，如图8所示的一个实施例中，检测距离步骤包括：
步骤S801，发射信号；
步骤S802，是否收到返回信号；
步骤S803，等待接收返回信号
步骤S804，等待接收返回信号；
步骤S805，记录发射接收的时间差；
步骤S806，Stm32接受信号，计算距离；
步骤S807，等待发射指令。
为了更好的实现平地运行和爬楼的切换，所述基于超声测控的电动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；
所述通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物的步骤还包括：
当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态。
电动爬楼轮椅在运行过程中鉴于其功能全面，需要不断进行工作模式的调整。由平地运行过渡到爬楼运行时候，会经过爬楼准备、进入爬楼、完成爬楼等状态，并且在不同的时刻都必须保持座椅始终相对平稳的状态。在平地运行过程中电动爬楼轮椅还需要有效的避开障碍物，并且能检测到前方是否是楼梯。
本实施例中，基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统100功能的实现需要各个元器件之间相互的配合，整个电动爬楼轮椅具有一个霍尔控制杆，一个平衡传感器，两个激光测距传感器，6个超声波测距传感器和7个直流电机。其中霍尔控制杆位于电动爬楼轮椅右侧扶手，平衡传感器位于座椅底面，超声波测距传感器分布于轮椅前方(两个)、左右个一个、后面两个，激光测距传感器位于轮椅前方和履带底面中部，直流电机7个分布于左右轮子电机各一个、左右轮子升降电机各一个、左右履带电机各一个和座椅平衡推杆电机一个，电动爬楼轮椅还基于看门狗设置。平地运行模式步骤示意图，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。
具体地，需要通过爬楼开关子模块51或自动爬楼子模块14进行切换运行模式，自动识别切换也需要超声测距子模块11实现距离的判定，将安全距离设置为50cm。
在上面的基础上，识别障碍物或楼梯过程中，如图7，优选的步骤包括：
步骤701，平地运行模式。处于平地运行模式中，需要判别障碍物或第一个台阶。
步骤702，控制霍尔控制杆。霍尔控制杆进行控制信号输入，同时进行左右前后的超声波测距，判别第一距离。
步骤703，小于50cm且向前拨动霍尔控制杆；执行步骤708；
步骤704，小于50cm且向后拨动霍尔控制杆；执行步骤709；
步骤705，小于50cm且向左拨动霍尔控制杆；执行步骤710；
步骤706，小于50cm且向右拨动霍尔控制杆；执行步骤711；
步骤707，霍尔控制杆控制轮子电机自由转动；
当前后左右安全距离大于50cm时，就能自由转动，否则只能操控霍尔控制杆去往安全距离大于50cm的方向。
步骤708，霍尔控制杆向前拨动视为无效动作；
步骤709，霍尔控制杆向后拨动视为无效动作；
步骤710，霍尔控制杆向左拨动视为无效动作；
步骤711，霍尔控制杆向右拨动视为无效动作；
以上通过超声避障模块10及其子模块实现，电动爬楼轮椅的前进速度和方向可以由用户通过操作霍尔控制杆来实现。霍尔控制杆输出两路相互垂直的模拟信号，本实施例子中，超声波传感器应用了HC_SR04超声波模块。HC_SR04超声波模块的使用方法：控制端给与10us以上的高电平，然后在接受端就能采集到相对应的高电平输入，通过记录的高电平的时间继而推算出距离。
对于轮子电机和履带电机，由于需要适配的直流无刷电机，使用MC33035和MC33039传感器相位比较来控制三相电机，有多种可以用来建立传感器信号相对相位的常规方法。而对于六阶驱动方式，一个输入信号必须每隔60°就改变一次，因此相应的信号相位取决于机械传感器放置。在MC33035中，当配置60°的传感器相位时，马达可以以60°或300°的相位运作，只是电机运转的方向相反。同样，当配置为120°时，马达可以以120°/240°的相位运作。常用的电机控制是通过PWM来进行电机调速，通过控制芯片的GPIO管脚来选择电机的正反转或者停转。对于转子位置的检测，MC33035专门有一个60°/120°可选管脚来接受传感器的检测信号，解调器以每60°角度来检测电机转子位置。MC33035的管脚中的一个是电机的完成开关转换的使能端口。该管脚悬空时，芯片内部有25μA电流源使高速和低速驱动输出排序；而当该管脚接地时，高速驱动输出会被关闭，低速驱动则会被强制转换为低电平，最终电机惯性滑行，Fault输出激活。
动态电机制动过程中会在产品引入安全边缘。为完成电机制动，可以把芯片的输入管脚配置为相对应的高电平。在电机的制动过程中会设置关闭高速驱动输出，打开低速驱动输出，进而减少电机产生的反向EMF。制动输入无条件的优先于其他所有的输入。在电机的制动电路中会用到一个四输入的或非门用来作为监视制动输入，并且将输入信号输入到三个高速驱动输出晶体管，使得高速驱动输出无效进而达到制动效果，并且可以有效的解决下级和上级电源的导通问题。
在电动轮椅的乘坐体验中，会出现由于误操作而撞击到墙面或者撞击到行人的事件。为了避免这种情况发送，就需要超声波测距传感器来检测电动轮椅四周的环境并反馈给控制器，以避免不必要的损害发生。
超声波传感器在测距的过程中，先由控制芯片stm32发出一个第一阈值为10us的高电平作为超声波模块的启动信号，超声波模块内部会发出8个40KHz电平信号并检测收到的信号，获取时间差，然后将时间差以脉冲的形式发送给stm32，通过公式换算就可以计算出第一距离。
由于超声波在测距过程中，需要检测从障碍物反射回来的回波作为测距的反馈信号，当超声波检测到的障碍物距离较近，而且与发射角度垂直时，从超声波模块发射出的超声波经过多次反射回来后任然有可能倍超声波模块作为回波信号接收。如果对此不作处理，当所测距离较近且与超声波模块平行时，超声波模块所测到的距离就会出现波动错误。对于该问题，可以通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法，进而精确所超声波模块所检测到的距离数据。
在电动爬楼轮椅的运行过程中，HC_SR04超声波模块会时刻检测前方障碍物到所述电动爬楼轮椅的第一距离，并将所检测到的距离数据以PWM(脉冲宽度调制，Pulse WidthModulation)波形的方式传送给控制芯片stm32，stm32通过计算得到对应的距离。当检测到第一距离小于安全距离，控制芯片就会发出轮椅停止前进的控制信号并将该信号发送给电机驱动电路驱动电机完成相对应的停转，同时控制杆的向前拨动也会被作为无效信号，直到检测到第一距离大于安全距离，控制杆向前拨动才会被识别为有效信号。
在平地运行过程中，基于爬楼开关子模块51的作用，通过按下人机交互界面的爬楼按钮可以切换到爬楼模式：放下履带，收起后轮。在没有按下爬楼按钮的状态下，当轮椅的超声波传感器检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态。
电动爬楼轮椅需要时刻检测周围的环境并且有效的识别出楼梯、墙面障碍等以方便爬楼轮椅完成爬楼避障等功能。基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统需要完成以下标准：直流电机对于霍尔控制杆的控制响应时间需要小于10ms；壁障安全距离为500mm；座椅平衡电机对于平衡传感器的响应时间小于10ms，并且座椅要始终保持水平(±5°)；通过激光传感器检来判断轮椅已经完成最后一阶楼梯的攀爬，同时完成攀爬到相对应的电机运转的响应时间小于0.5s。
综上所述，本发明具有电动爬楼轮椅的控制系统以嵌入式系统作为控制平台，以传感器检测技术作为手段，通过对直流电机的控制来实现电动爬楼轮椅的基本功能，通过控制界面简单的按钮切换并辅以控制摇杆来操控轮椅。借此，本发明实现了电动爬楼轮椅的自动化智能化，实现越障、自动切换爬楼、简易便捷的控制。
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)
1.一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，其特征在于，包括：
超声避障模块，用于通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
霍尔控制模块，用于根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作；
第一电机驱动模块，用于根据所述控制指令驱动所述电动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电动爬楼轮椅的履带电机运行。
2.根据权利要求1所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，其特征在于，还包括：
所述霍尔控制模块包括所述霍尔控制器，所述霍尔控制器设置有霍尔控制杆和控制芯片，通过所述霍尔控制杆将控制指令传递给所述控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
所述超声避障模块通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
所述第一电机驱动模块、所述第二所述电机驱动模块通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而驱动对应的电机完成正转、反转或停转。
3.根据权利要求2所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，其特征在于，所述超声避障模块还包括：
超声测距子模块，用于周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
距离运算子模块，用于通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
路径调整子模块，用于根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
所述路径调整子模块还用于当检测到所述第一距离小于安全距离，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，当检测到第一距离大于安全距离，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。
4.根据权利要求3所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，其特征在于，所述超声测距子模块还用于：
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，所述超声测距子模块应用了HC_SR04超声波模块。
5.根据权利要求1所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制系统，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；
所述超声避障模块还包括：
自动爬楼子模块，用于当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态；
所述轮子电机和所述履带电机是直流无刷电机。
6.一种基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，其特征在于，包括：
通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物；
根据霍尔控制器当前输入的控制指令，控制所述电动爬楼轮椅的电机的运作；
根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的轮子电机运行；
根据所述控制指令驱动所述电动爬楼轮椅的履带电机运行。
7.根据权利要求1所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，其特征在于，还包括：
通过霍尔控制杆将控制指令传递给控制芯片完成对所述电动爬楼轮椅的操控；
通过超声波测量所述第一距离反馈给所述控制芯片，进而输出停止前进的所述控制指令；
通过所述控制芯片给电机驱动芯片相对应的控制指令，继而驱动对应的电机完成正转、反转或停转。
8.根据权利要求2所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，其特征在于，所述通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物步骤还包括：
周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片；
通过降低超声波发射频率同时对所述控制芯片进行滤波算法处理，确定所述第一距离的数值；
根据所述第一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电动爬楼轮椅停止向前行进；
当检测到所述第一距离小于安全距离，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，当检测到第一距离大于安全距离，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。
9.根据权利要求8所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，其特征在于，所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片步骤还包括：
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；
所述周期性的发射超声波来检测前方是否有所述障碍物，将测出所述第一距离传递给所述控制芯片的步骤应用了HC_SR04超声波模块。
10.根据权利要求1所述基于超声测控的电动爬楼轮椅控制方法，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；
所述通过超声波检测障碍物和/或楼梯到电动爬楼轮椅的第一距离，避开所述障碍物的步骤还包括：
当检测到楼梯时候，自动将轮椅切换到爬楼状态。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
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Effective date of registration: 20170118 Address after: Longgang road in Longgang District of Shenzhen City, Guangdong province 518000 No. 8288 Shenzhen Dayun town building 3 floor 13 software Applicant after: Shenzhen Mai Kang medical robot Co., Ltd. Address before: Longgang road in Longgang District of Shenzhen City, Guangdong province 518000 No. 8288 Shenzhen Dayun town 13 software building 3 floor (Dayun Metro Line 3 station exit A) Applicant before: Zhang Jun |
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| GR01 | Patent grant | ||
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