CN106901917A - 一种电动轮椅传感器模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动轮椅传感器模块，包括位置传感器、压力传感器和路况传感器模块，所述位置传感器用于在系统上电后将电动轮椅使用者的乘坐位置信息实时发送给主控制器；所述压力传感器分别设置在轮椅的两个区域：坐面区域、靠背区域，用于检测使用者身体的坐面压力、靠背压力，并将检测到的压力数值实时传输给主控制器；所述路况传感器模块用于探测路况,并将路况信息实施传输给主控制器，主控制器根据接收到的路况信息确定是否报警以及是否减速。通过本发明的电动轮椅传感器模块，提高了使用者的使用安全性以及方便程度。

Description

一种电动轮椅传感器模块

本申请是申请号为“201610146562.6”、申请日为2016年3月15日、发明名称为“电动轮椅启动及避障系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种电动轮椅控制系统，尤其是涉及一种电动轮椅用人体感应启动及避障控制系统。

背景技术

据相关统计，我国约有各类残疾人8300万，老年人1.5亿，是世界上拥有身体功能障碍人口最多的国家，巨大的人口基数将使老龄化问题在未来十年内成为困扰我们的严重社会问题。促进残疾人事业发展，改善残疾人状况，已成为一项重要而紧迫的任务。

目前，对于下肢站立和行走能力较弱或丧失的残疾人和老人来说，在日常生活中，当他们需要电动轮椅来解决出行和康复，传统的电动轮椅不能感应到人体的是否坐在轮椅正确的位置上，也不能判断行驶环境的路况，给使用电动轮椅的人带来安全隐患。本发明是一种智能辅助装置，用于轮椅的使用者在正确坐姿状态下开启电源，在坐姿状态下轮椅正常行驶。使用者在操作轮椅时，有遇到障碍提醒，遇到上 坡、下坡报警提示，遇到上下坡路况根据坡道坡度轮椅加速或减速的功能。能够有效改善轮椅使用者的日常生活状况，给他们带来一种全新的、安全的生活方式，有利于提高他们的康复水平和驾驶轮椅的舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供适用于电动轮椅的一种方便可靠的电动轮椅启动及避障系统，提高使用者的使用安全性以及方便程度。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种电动轮椅感应启动及避障系统，包括：主控制器、传感器模块、电源管理模块和辅助模块，其中：

主控制器分别与传感器模块、电源管理模块、辅助模块连接；

传感器模块包括位置传感器；

电源管理模块包括电源和电源自启动装置，自启动装置作为电源开关，处于常开状态，以断开电源供电，当该自启动装置受到压力后，开关闭合，电源导通，电动轮椅启动及避障系统处于上电状态，主控制器控制电源暂时不向轮椅驱动装置供电；

系统上电后，位置传感器将电动轮椅使用者的乘坐位置信息实时发送给主控制器，主控制器根据接收到的位置信息判断使用者是否处于安全位置，如果处于安全位置，主控制器控制电源控制模块向轮椅的驱动装置供电；如果判断使用者未处于安全位置，则主控制器控制电源控制模块不向轮椅的驱动装置供电，同时主控制器控制辅助模块 中的语音模块发出未处于安全位置的语音报警信号。

所述的系统，进一步的：

位置传感器设置在电动轮椅左右扶手上，且距离靠背的距离不大于10cm，该位置传感器是红外探测模块，包括红外光发射器和红外光接收器，分别相对设置在左右扶手上，当接收到红外发射器发射的红外光时，该红外光接收器将接收到的光信号转换为电信号，并将该电信号实时传输给主控制器，主控制器接收到该信号后，判断使用者尚未处于安全位置；当使用者遮挡住红外发射器发出的红外光时，红外接收器接收不到该光线，不再向主控制器发送所述电信号，此时主控制器判断使用者处于安全位置。

所述的系统，进一步的：

传感器模块还包括压力传感器，所述压力传感器分别设置在轮椅的两个区域：坐面区域、靠背区域，用于检测使用者身体的坐面压力、靠背压力，并将检测到的压力数值实时传输给主控制器，主控制器根据接收到的压力数值决定是否报警或降低轮椅的速度。

所述的系统，进一步的：

主控制器将接收到的靠背压力数值、坐面压力数值分别与预设的多个靠背压力阈值和多个坐面压力阈值进行比较，当靠背压力数值和坐面压力数值分别小于第一靠背压力阈值和第一坐面压力阈值而大于第二靠背压力阈值和第二坐面压力阈值时，主控制器向辅助模块发出控制信号，控制辅助模块的语音模块进行语音报警；当靠背压力数值和坐面压力数值中的至少一个小于预设的第二靠背压力阈值或坐 面压力阈值时，控制器向辅助模块发出控制信号，控制辅助模块的语音模块进行语音报警，主控制器同时向轮椅驱动模块发出减速的指令，降低电动轮椅驱动电机的转动速度。

所述的系统，进一步的：

所述第一靠背压力阈值大于第二靠背压力阈值；第一坐面压力阈值大于第二坐面压力阈值。

所述的系统，进一步的：

辅助模块包括按键操作模块，所述键操作模块包括一个电源开关按键、一个鸣笛按键、一个速度增加按键、一个速度减小按键、三个设置时间按键；

所述电源开关按键与自启动装置并联连接。

所述的系统，进一步的：

按键操作模块还包括操作装置，该操作装置是设置在轮椅扶手上的操作杆，操作杆可以前、后、左、右移动，并将相应的移动信号发送给主控制器，主控制器接收到该操作信号后，向轮椅驱动装置发送相应的操作命令，驱动装置包括驱动电机和转向电机，当接收到前、后的操作命令后，驱动电机正转或反转，驱动轮椅向前或向后移动；当接收到左、右转向的操作命令后，转向电机正转或者反转，带动与之相连的转向机构旋转，驱动轮椅左转或右转。

所述的系统，进一步的：

电源管理模块还包括电压转换电路和电池电量检测电路；

电源转换模块用于将电源电压转换为用于主控制器工作的电压， 以及用于传感器模块、按键模块、语音合成模块和OLED显示模块工作需要的电压；

电池电量检测电路用于对电源电量进行检测，并实时将检测结果发送给主控制器，主控制器将接收到的电量数值与预定的电量阈值比较，当发现前者低于后者时，主控制器控制辅助模块的语音模块发出电量低的语音提示。

所述的系统，进一步的：

所述电压转换电路包括降压芯片、第一三端稳压元件，第二三端稳压元件。

所述的系统，进一步的：

所述电压转换电路还包括二极管10A10、肖特基二极管SS34、50V，220μF电解电容、16V，220μF电解电容、10A保险管、0.1μF电容、1μF电容、10μF电容和100μH电感；

降压芯片LM2576HV的1脚为电压输入端，接24V电源电压，电源电压输出端先接10A保险管再接二极管10A10正极，二极管10A10负极接LM2576HV的1脚，实现24V电压的输入，二极管10A10负极输出通过50V、220μF电解电容滤波；

降压芯片LM2576HV的3脚为接地端，接地；5脚为片选端，低电平有效，接地；2脚为电压输出端，接肖特基二极管SS34稳压和续流，2脚输出电压为12V，2脚接100μH储能电感一端、电感另一端接电解电容一端，电解电容另一端接地；4脚接到电感与电解电容的连接端，作为反馈输入；

第一三端稳压集成电路L7805输入端接12V电压，用10μF电容滤波，输出端用0.1μF电容滤波，产生5V电压；

第二三端稳压集成电路LM1117-3.3输入端接5V，用0.1μF电容滤波，输出端用0.1μF电容滤波，产生3.3V电压。

所述的系统，进一步的：

所述辅助模块还包括OLED显示模块，用于显示系统状态信息，显示障碍物距离，显示路况信息，显示电池电量，显示轮椅行走的距离和轮椅剩余行走距离；

所述辅助模块还包括计数器，计数器安装在轮椅轮轴上，轮椅轮子每转动一圈，计数器向主控制器发送一个计数信号，主控制器累加该计数信号，并将累加值与轮椅轮子周长相乘，得到的数值即为轮椅的行走距离，主控制器实时将该距离显示在显示模块上；主控制器中预先设置有电池电量与可行走距离的对照表，主控制器根据电池电量检测电路检测出的电源电量信息，与该对照表进行比较，得到该电源电量所对应的可行走距离，并将电池电量以及该可行走距离显示在显示模块上。

所述的系统，进一步的：

传感器模块还包括路况传感器模块，用于探测路况,并将路况信息实施传输给主控制器，主控制器根据接收到的路况信息确定是否报警以及是否减速。

所述的系统，进一步的：

该路况传感器模块是超声波探测器，包括第一超声波探测器和第 二超声波探测器，其中第一超声波探测器安装在轮椅正前方脚踏板上低于座位板的高度，第二超声波探测器安装在轮椅脚踏板前侧下方，低于第一超声波探测器；

系统开启后，第一超声波探测器和第二超声波探测器的探头发送和接收信号，初步识别环境路况，其中，第一超声波探测器主要检测轮椅前方的障碍物情况，第二超声波探测器主要检测地面的路况信息，两个超声波探测器均将探测信号发送给主控制器。

所述的系统，进一步的：

主控制器对所述超声波探测器检测到的信号按如下方式进行读入滤波：超声波探测器在一个周期内连续采集N个数据信号，其中N为大于1的整数，并发送给主控制器，主控制器把这N个数据信号降序排列，将前一个周期确定的参考信号与第一个信号比较，如果二者差值较大，则将参考信号与下一个信号比较，如果二者差距较小，则取该二信号的值的平均值作为参考值，并将该参考值与再下一个信号比较，重复上述的参考值比较确定方式，最终确定该周期的信号参考值。

所述的系统，进一步的：

主控制器将相邻采样周期的参考值进行比较，当发现第一超声波探测器的探头返回的参考数值的变化量大于预定的变化量阈值时，主控制器认为前方有疑似障碍物，此时主控制器发送报警信号，控制语音模块发出语音报警信号；

主控制器将相邻采样周期的参考值进行比较，当发现第二超声波 探测器的探头返回的参考数值大于预定的阈值时，主控制器认为路况有变化，此时主控制器发送报警信号，控制语音模块发出语音报警信号。

所述的系统，进一步的：

传感器模块还包括坡度传感器，坡度传感器是二自由度传感器，安装在轮椅主框架内，相对于轮椅重心垂直轴平行,在轮椅前倾和后倾两个方向运动，将测得的轮椅重心垂线的变化量实时传输给主控制器。

所述的系统，进一步的：

当轮椅在平地时，二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为0，当轮椅上下坡时，二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值有变化，上坡数值为正数、下坡数值为负数；

当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为正数，主控制器判断轮椅在上坡，控制语音模块提示上坡；

当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为负数，主控制器判断轮椅在下坡，控制语音模块提示上坡。

所述的系统，进一步的：

主控制器实时将二自由度传感器检测的轮椅重心垂线的数值的绝对值与预设的坡度最大阈值进行比较，当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值的绝对值大于预设坡度最大阈值时，主控制器控制语音模块发出语音报警信号，提示坡度危险，轮椅必须停止；

当主控制器接收到负值时判断轮椅处于下坡，此时主控制器控制 驱动装置的驱动电机减速转动，降低轮椅转速；当主控制器接收到正值时判断轮椅处于上坡，此时主控制器控制驱动装置的驱动电机加速转动，提高轮椅转速。

所述的系统，进一步的：

主控制器还采用如下方式计算轮椅所处坡度i：

其中设坡度为i，L为第二超声波探测器2距离地面的距离，C_n为第二超声波探测器2的第n个周期采集参考数值，C_n+1为第二超声波探测器2的第n+1个周期采集参考数值，S为轮椅速度，t_n为一个采集周期。

附图说明

图1为电动轮椅启动及避障系统结构示意图；

图2为电压转换电路电路图；

图3为超声波探测器安装位置示意图；

图4为电源电压检测电路示意图；

图5为超声波传感器数据读入滤波流程图；

图6为坡度计算原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，电动轮椅启动及避障系统包括：主控制器、传感器模块、电源管理模块和辅助模块。

其中主控制器分别与传感器模块、电源管理模块、辅助模块连接，并用于控制相关模块的工作以及实现对电动轮椅的整体控制。

电动轮椅启动及避障系统在轮椅不工作时一般处于断电状态，以节约电能。传统的电动轮椅，使用者乘坐时，需要手动打开电源开关，本发明的电源管理模块包括电源自启动装置，也即压力启动模块，可以作为电源开关使用，该压力启动模块设置在电动轮椅座位板上，优选的可以设置在座位板的座套下，该压力启动模块可以是弹簧开关，该开关处于常开状态，作为系统电源开关使用，当使用者坐到电动轮椅上时，使用者的自身重量压在弹簧开关上，导致该开关闭合，电源导通，电动轮椅启动及避障系统处于上电状态。电源模块还具有手动开关，可以以按键操作模块中的电源开关按键形式(该开关将在后面的内容中描述)实现，该手动开关与压力启动模块并联连接，使得使用者可以在压力启动模块失效的情况下，能够通过手动开关开启电源，为系统供电。

电动轮椅启动及避障系统上电后，主控制器控制电源管理模块中电源的功率输出，此时电源管理模块的电源仅向电动轮椅启动及避障系统供电，而不向电动轮椅的驱动装置供电，以提高使用者的安全性。

传感器模块包括位置传感器、路况传感器、坡度传感器和压力传感器。电动轮椅启动及避障系统上电后，位置传感器开始工作，该位置传感器设置在电动轮椅靠背附近处，优选的设置在电动轮椅左右扶手上，且距离靠背的距离不大于10cm，优选的该位置传感器可以是红外探测模块，包括红外光发射器和红外光接收器，分别相对设置在左右扶手上，该红外光接收器是一种光电转换器，当接收到红外发射器发射的红外光时，该红外光接收器会将接收到的光信号转换为电信号，并将该电信号传输给主控制器。主控制器接收到该信号后，判断使用者尚未处于安全位置(乘坐位置过于靠前)，因此主控制器发出不供电的控制信号给电源管理模块，此时电源管理模块控制电源不向轮椅驱动装置供电。当使用者的乘坐位置接近轮椅靠背或接触到轮椅靠背时，此时使用者身体遮挡住红外发射器发出的红外光，则红外接收器接收不到该光线，不再向主控制器发送所述电信号。此时主控制器判断使用者处于安全位置，即使用者背部距离轮椅靠背不超过10cm，主控制器发送指令给电源控制模块，电源控制模块在该指令控制下，控制电源向轮椅驱动装置供电。

由于电动轮椅的使用者多为老、弱、病人，有可能在使用轮椅时坐姿不正确或坐姿发生偏移，这会导致轮椅运行中发生使用者坠落的风险。因此在轮椅开始移动或移动过程中，主控制器需要监测使用者 的坐姿。坐姿的检测，由压力传感器完成。两个压力传感器分别设置在轮椅的两个区域：坐面区域、靠背区域，用于检测使用者身体的坐面压力、靠背压力，并将检测到的压力数值实时传输给主控制器。主控制器将接收到的靠背压力数值、坐面压力数值分别与预设的多个靠背压力阈值和多个坐面压力阈值进行比较，当靠背压力数值和坐面压力数值分别小于第一靠背压力阈值和第一坐面压力阈值而大于第二靠背压力阈值和第二坐面压力阈值，主控制器向辅助模块发出报警信号，当靠背压力数值和坐面压力数值中的一个小于预设的第二靠背压力阈值或坐面压力阈值时，控制器向辅助模块发出报警信号，同时向轮椅驱动模块发出减速的指令，降低电动轮椅驱动电机的转动速度以降低轮椅的行进速度。所述第一靠背压力阈值大于第二靠背压力阈值；第一坐面压力阈值大于第二坐面压力阈值。

辅助模块，包括语音合成模块、OLED显示模块、按键操作模块和RTC电池模块、计数器。主控制器向辅助模块发出的上述信号为报警信号，当接收到所述使用轮椅时坐姿不正确或坐姿发生偏移的报警信号后，语音合成模块发出报警语音提示“请乘坐者坐稳”，以提醒轮椅使用者。系统开启后，语音合成模块启动，OLED显示屏进入开机画面，语音模块发出语音提示，如“欢迎使用电动轮椅启动及避障系统”。当传感器模块的超声波探头检测到电动轮椅前方有障碍物时，主控制器控制语音模块发出语音提示，如“前方危险，请减速”。当超声波探头检测出路况有变化时，主控制器控制语音模块发出语音提示，如“请注意路面情况”。当电源管理模块检测到电池电压低于设 定电压阈值时，主控制器控制语音模块发出语音提示，如“电量低，请返回充电”。本发明中主控制器可以根据检测得到的电源电压值通过查表的方式得出相对应的电量：比如说，24V以上的电压——满电量，23.5V电压——80％电量，23V电压——60％电量，22.5V电压——40％电量，22V电压——20％电量。因此主控制器根据检测到电源电压值通过查询预设的电压-电量对照表即可判断电源电量是否低于预定阈值，如果低于预定阈值主控制器控制显示器显示电源电量低的提示同时还可以控制语音模块发出电源电量低的语音提示。

按键操作模块，包括一个电源开关按键、一个鸣笛按键、一个速度增加按键、一个速度减小按键、三个设置时间按键。电源开关按键用于开启和关闭系统；鸣笛按键用于提醒前方行人注意；速度增加按键用于增加轮椅运行速度；速度减小按键用于减小轮椅运行速度；三个时间按键依次为：按键1(S1):年月日时分秒模式选择按键；按键2(S2):加1按键；按键3(S3)：减1按键，用于调整系统的显示时间。按键操作模块还包括轮椅移动操作装置，可选择的是设置在轮椅扶手上的操作杆，使用者向前、后、左、右操作该操作杆，则代表使用者希望轮椅向前、后、左、右移动，相应的操作信号发送给主控制器。主控制器接收到该操作信号后，向驱动装置发送相应的操作命令，驱动装置包括驱动电机和转向电机，当接收到前、后的操作命令后，驱动电机正转或反转，经过与之相连的变速器变速后，驱动轮椅向前或向后移动；当接收到左、右转向的操作命令后，转向电机正转或者反转，带动与之相连的转向机构旋转，驱动轮椅左转或右转。 主控制器接收到加速按键或减速按键的信号后，就发送控制信号给驱动装置，控制驱动电机加速旋转或减速旋转。RCT电池模块，优选的是包括一个纽扣电池，用于作为主控制器的备份电源，这样在系统电源掉电的情况下RTC电池模块仍然能够正常运行，保证显示时间的准确。

电源管理模块包括24V电源(例如24V可充电锂电池)、电压转换电路和电池电压检测电路，24V电源直接向电动轮椅的驱动装置中的驱动电机和转向电机供电；电源转换模块用于将24V电源电压转换为用于主控制器正常工作需要的5V电压，转换为用于传感器模块、按键模块、语音合成模块和OLED显示模块正常工作需要的3.3V电压；电池电量检测电路用于对电源电量进行检测，并实时将检测结果发送给主控制器，主控制器将接收到的电量数值与预定的电量阈值比较，当前者低于后者时，主控制器控制语音模块发出语音提示，如“电池电量过低，请返回”。

图3为电压转换电路，电压转换电路包括降压芯片LM2576HV、双极性线性三端稳压集成电路L7805、电压调节器LM1117-3.3、二极管10A04、肖特基二极管SS34、50V220μF电解电容、16V220μF电解电容、10A保险管、0.1μF电容、1μF电容、10μF电容和100μH电感。降压芯片LM2576HV的1脚为电压输入端，接24V电源电压，24V电源电压先接熔断器再接整流二极管10A04正极，二极管负极接LM2576HV的1脚，实现24V电压的输入，二极管负极输出通过50V、220μF电解电容滤波再接入LM2576HV的1脚；3脚为接地端，接地； 5脚为片选端，低电平有效，接地；2脚为电压输出端，接肖特基二极管SS34稳压和续流，2脚输出电压为12V，2脚与肖特基二极管SS34的节点之后接100μH储能电感，电感另一端接16V220μF电解电容，电解电容另一端接地，该电解电容用于滤波；4脚接到电感与电解电容连接端，作为反馈输入。双极性线性集成电路L7805输入端接12V电压，连接方式为：12V电压输出先端连接0.1μF电容的一端，该电容另一端接地，实现去耦，再连接10μF电容一端，该电容另一端接地，实现滤波(以上两电容使电路里的交流成份和干扰脉冲对地短路回流，以减小对电路工作的影响)，输出端用0.1μF和1μF电容分别滤波，产生稳定的5V电压。LM1117-3.3输入端接5V输入，用0.1μF电容滤波，输出端用0.1μF电容滤波，产生稳定的3.3V电压。

如图4所示，电源电压检测电路包括22K欧姆采样电阻R7、1K欧姆采样电阻R9和0.1μF滤波电容。22K欧姆电阻R7一端接24V电池电压，另一端接主控制器相应的AD采样管脚和1K欧姆电阻R9，1K欧姆电阻另一端接地，0.1μF电容接在主控制器相应的AD采样管脚和地之间，用于滤波。从采样点VBAT进行电压采样。

OLED显示模块用于显示系统状态信息，显示障碍物距离，显示路况信息(台阶和坡度)，显示电池电量，显示轮椅行走的距离和轮椅剩余行走距离。轮椅行走距离按如下方式确定：计数器安装在轮椅轮轴上，轮椅轮子每转动一圈，计数器向主控制器发送一个计数信号，主控制器累加该计数信号，并将累加值与轮椅轮子周长相乘，得到的 数值即为轮椅的行走距离，主控制器实时将该距离显示在OLED显示模块上。主控制器中预先设置有电池电量与可行走距离的对照表，主控制器根电源电压检测电路检测出的电源电压信息，与该对照表进行比较，得到该电源电量所对应的的可行走距离，并将电池电量以及该可行走距离显示在OLED显示模块上。

传感器模块还包括路况传感器模块，用于探测路况。该路况传感器模块可以是超声波探测器，如图2所示，电动轮椅启动及避障系统的路况传感器模块包括第一超声波探测器1和第二超声波探测器2，其中第一超声波探测器1安装在轮椅正前方脚踏板上低于座位板的高度，以低于座位板高度10cm为宜，第二超声波探测器2安装在轮椅脚踏板前侧下方，低于第一超声波探测器1，以低于第一超声波探测器1的安装位置20cm为宜，系统开启后，路况传感器模块的第一超声波探测器1和第二超声波探测器2的探头发送和接收信号，初步识别环境路况。其中，第一超声波探测器1主要检测轮椅前方的障碍物情况，第二超声波探测器2主要检测地面的路况信息，两个超声波探测器均将探测信号发送给主控制器。

如图5所示，超声波传感器数据读入滤波流程如下：超声波探测器每隔一个固定周期向外发送和接收信号，设定第一个周期内采集的数值为参考数值。参考数值的取得方法是，超声波探测器在第一个周期内连续采集N个数据信号(N为大于1的整数)，并发送给主控制器，主控制器把这N个数据信号降序排列，将第一个信号与第二个信号比较，如果二者差值较大，如差值超过第一个信号值的20％，则将 第一个信号与第三个信号比较，如果二者差值较小，如差值不超过第一个信号值的20％，则将二者取均值后的值作为参考值，将该参考值与下一个信号进行比较，如果二者差值较大，用该参考值继续与再下一信号比较，如果插值较小，将该参考值和该比较的下一信号取均值后作为参考值，重复以上的比较步骤，直到比较完最后一个信号，将最终得到的参考值作为该周期的信号参考值。如果全部比较完差值都较大，则将该周期所有数据舍弃。后一周期采集的也是N个数据，其参考值确定方式是先将前一周期确定的参考值与后一周期第一信号比较，确定参考值的方式与上面描述的类似。通过该流程，能够滤除干扰项，确定有用的数据-参考值。

主控制器将相邻采样周期的参考值进行比较，当发现第一超声波探测器1的探头返回的参考数值的变化量大于预定的变化量阈值时时，主控制器认为前方有疑似障碍物，进入障碍物检测状态，第一超声波探测器1发射超声的最远距离是5米，即在5米范围内能接收物体反射回来的超声，超过5米则接收不到超声波，此时认为轮椅前方没有障碍物。系统接收到的反射回来的超声波信号强度与障碍物远近有关，因此可以用采样周期中的参考值大小衡量距离障碍物的远近，可以在控制器中预置不同参考值与障碍物距离的对照表。当障碍物反射超声波，主控制器将采样周期内得到的参考值与预设的参考值阈值进行比较，当达到该域值，主控制器控制发送报警信号，控制语音模块发出如“前方有障碍物”的语音报警信号和/或主控制器控制驱动装置包括驱动电机降低转速，以降低轮椅行进速度。

同样的，主控制器将相邻采样周期的参考值进行比较，当发现第二超声波探测器2的探头返回的参考数值的变化量大于预定的变化量阈值时，主控制器认为路况有变化，控制器发送报警信号，控制语音模块发出语音报警信号。主要原理是：设第二超声波探测器2距离平地地面距离为h，预先采集并设置轮椅处于平面时接收的参考值，在实际路况中第二超声波探测器2距离地面高度为H，在平地时第二超声波探测器2接收的采样周期的数值为参考值C，那么H等于实际路况中接收的采样周期的参考数值D与轮椅处于平面时接收的参考值C的比值乘以h。预设一个下台阶高度报警阈值，当连续5个采样周期计算H大于下台阶高度报警阈值，则判定轮椅即将进入下台阶区域，控制器发送报警信号，控制语音模块发出语音报警信号，提示有台阶危险，轮椅必须停止。

本系统还能够对轮椅所处坡度进行检测识别。坡度检测是由坡度传感器完成的，坡度传感器可以是二自由度传感器，如陀螺仪，安装在轮椅主框架内，相对于轮椅重心垂直轴平行,在轮椅前倾和后倾两个方向运动，将测得的轮椅重心垂线的变化量实时传输给主控制器。当轮椅在平地时，二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为0，当轮椅上下坡时，二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值有变化，上坡数值为正数、下坡数值为负数，系统预设坡度最大阈值。当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为正数，主控制器判断轮椅在上坡，控制语音模块提示上坡；当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值为负数，主控制器判断轮椅在下坡，控制语音模块提示上坡。

主控制器实时将二自由度传感器检测的轮椅重心垂线的数值的绝对值与预设的坡度最大阈值进行比较，当二自由度传感器测量轮椅重心垂线的数值的绝对值大于预设坡度最大阈值时，主控制器控制语音模块发出语音报警信号，提示坡度危险，轮椅必须停止。主控制器接收到负值时判断轮椅处于下坡，此时主控制器控制驱动装置的驱动电机减速转动，降低轮椅转速，提高安全性；主控制器接收到正值时判断轮椅处于上坡，此时主控制器控制驱动装置的驱动电机加速转动，提高轮椅转速，利于爬坡。

如图6所示，主控制器还可以采用如下方式计算轮椅所处坡度：

计算坡度公式：其中设坡度为i，L为第二超声波探测器2距离地面的距离，C_n为第二超声波探测器2的第n个周期采集参考数值，C_n+1为第二超声波探测器2的第n+1个周期采集参考数值，S为轮椅速度，t_n为一个采集周期。

第二超声波探测器2在采集第n个周期参考数值时距离地面认为还是L，在采集第n+1个周期参考数值时距离地面距离为则 为高程差，S·t_n为水平差。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种电动轮椅传感器模块，包括位置传感器、压力传感器和路况传感器模块，其特征在于：所述位置传感器用于在系统上电后将电动轮椅使用者的乘坐位置信息实时发送给主控制器；所述压力传感器分别设置在轮椅的两个区域：坐面区域、靠背区域，用于检测使用者身体的坐面压力、靠背压力，并将检测到的压力数值实时传输给主控制器；所述路况传感器模块用于探测路况,并将路况信息实施传输给主控制器，主控制器根据接收到的路况信息确定是否报警以及是否减速。

2.根据权利要求1所述的一种电动轮椅传感器模块，其特征在于：所述位置传感器设置在电动轮椅左右扶手上，且距离靠背的距离不大于10cm，该位置传感器是红外探测模块，包括红外光发射器和红外光接收器，分别相对设置在轮椅左右扶手上，当接收到红外发射器发射的红外光时，该红外光接收器将接收到的光信号转换为电信号，并将该电信号实时传输给主控制器，主控制器接收到该信号后，判断使用者尚未处于安全位置；当使用者遮挡住红外发射器发出的红外光时，红外接收器接收不到该光线，不再向主控制器发送所述电信号，此时主控制器判断使用者处于安全位置。

3.根据权利要求1所述的一种电动轮椅传感器模块，其特征在于：该路况传感器模块是超声波探测器，包括第一超声波探测器和第二超声波探测器，其中第一超声波探测器安装在轮椅正前方脚踏板上低于座位板的高度，第二超声波探测器安装在轮椅脚踏板前侧下方，低于第一超声波探测器；系统开启后，第一超声波探测器和第二超声波探测器的探头发送和接收信号，初步识别环境路况，其中，第一超声波探测器主要检测轮椅前方的障碍物情况，第二超声波探测器主要检测地面的路况信息，两个超声波探测器均将探测信号发送给主控制器。

4.一种电动轮椅感应启动及避障系统，包括：主控制器、传感器模块、电源管理模块和辅助模块，其特征在于：主控制器分别与传感器模块、电源管理模块、辅助模块连接；

所述传感器模块是如权利要求1-3之一所述的传感器模块；

电源管理模块包括电源和电源自启动装置，自启动装置作为电源开关，处于常开状态，以断开电源供电，当该自启动装置受到压力后，开关闭合，电源导通，电动轮椅启动及避障系统处于上电状态，主控制器控制电源暂时不向轮椅驱动装置供电；

系统上电后，位置传感器将电动轮椅使用者的乘坐位置信息实时发送给主控制器，主控制器根据接收到的位置信息判断使用者是否处于安全位置，如果处于安全位置，主控制器控制电源管理模块向轮椅的驱动装置供电；如果判断使用者未处于安全位置，则主控制器控制电源管理模块不向轮椅的驱动装置供电，同时主控制器控制辅助模块中的语音模块发出使用者未处于安全位置的语音报警信号。

5.根据权利要求4所述的一种电动轮椅感应启动及避障系统，其特征在于：主控制器对所述超声波探测器检测到的信号按如下方式进行读入滤波：超声波探测器在一个周期内连续采集N个数据信号，其中N为大于1的整数，并发送给主控制器，主控制器把这N个数据信号降序排列，将前一个周期确定的参考信号与第一个信号比较，如果二者差值较大，则将参考信号与下一个信号比较，如果二者差距较小，则取该二信号的值的平均值作为参考值，并将该参考值与再下一个信号比较，重复上述的参考值比较确定方式，最终确定该周期的信号参考值。

6.根据权利要求4所述的一种电动轮椅感应启动及避障系统，其特征在于：所述辅助模块包括按键操作模块，所述键操作模块包括一个电源开关按键、一个鸣笛按键、一个速度增加按键、一个速度减小按键、三个设置时间按键；所述电源开关按键与自启动装置并联连接。