CN107357164A - 一种基于模糊pid控制的平衡轮椅 - Google Patents
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Abstract
当电动轮椅经过各种路况时，会产生晃动或者倾斜等现象，使使用者感到不舒适，甚至会有摔倒的可能，本发明设计一种基于模糊PID控制的平衡轮椅，通过设计其特殊的结构，并且设计其控制策略和控制方法，使椅面保持水平，使轮椅减小晃动和倾斜，增加轮椅的舒适度。
Description
技术领域
本发明是一种基于模糊PID控制的永磁直线电机平衡轮椅。
背景技术
当今社会，电动轮椅已经成为了一些残疾人、老人的代步工具，但是电动轮椅走到家门，不可能一直遇到的都是平摊的道路，在行走过程中，会遇到上波、下坡以及一些不平坦的道路，导致本来就身体羸弱的乘人，身体不适，身体左右倾斜，对于一些上身本就无力的残疾人、老年人来说，这种晃动很容易摔倒。并且，在轮椅越过一些凸起或者凹陷路况时，会使轮椅颠簸。
而现在普通电动轮椅的避震方式只能起到避震的作用，并不能减少上、下、左、右的倾斜。所以并不能解决以上的问题。
发明内容
针对以上的内容，本发明提出了一种基于模糊PID控制的平衡轮椅，是四个轮子上方分别装置一个永磁直线电机，能够自动调节四个轮子的水平高度，配合电动轮椅的避震装置能够很好地克服以上缺点，增加轮椅的安全性和舒适度。
一种基于模糊PID控制的平衡轮椅设计主要包括以下步骤。
（1）设计平衡轮椅的系统结构。
（2）设计轮椅的结构，和四个电机的位置，水平传感器的位置和压力传感器的位置。
（3）设计电机的控制方式，设计两级控制，使水平传感器和压力传感器相互配合。并把水平传感器的检测数据传到模糊PID控制器里面，控制器做出相应的调整。
设计平衡轮椅的控制策略。
所述步骤（1），具体步骤为：设计一个完整的平衡轮椅系统结构。本发明选用Atmel公司的AT91M系列单片机作为控制器，本发明并包括电源模块、电机驱动电路、永磁直线电机、水平传感器和压力传感器检测模块、模糊PID控制器等模块。系统结构框图如图1所示。
所述步骤（2），具体步骤为：本发明适用于带有动力的电动轮椅，在电动轮椅的基础上加上本发明，就能使电动轮椅在面对各种道路状况下，更加的安全舒适。本发明的结构1.电动轮椅车架 ；2.右前轮电机；3.右后轮电机 ；4.左后轮电机； 5.左前轮电机； 6.轮椅后轮 ；7.轮椅前轮 ；8.轮椅扶手；9. 水平传感器；10. 压力传感器。结构如图2所示。
本发明选用两个双轴水平传感器，一个检测左前和右后的倾角，一个检测右前和左后的倾角。选用4个压力传感器，分别检测轮子轴承位置的压力（如图2所示）。
把四个直线电机放到轮子和椅面中间，连接轮子和椅面，通过控制轮子和椅面的距离去调节椅面的平衡。
所述步骤（3），具体步骤为：因为在平衡轮椅系统中，由于惯性原因，导致，轮子压力值得变化要早于椅面水平值的变化，轮子的受力情况可以预测椅面的水平情况，所以我们分为两级控制去调整直线电机，在第一级控制中，采用压力传感器检测到的数据控制直线电机的动作，当压力传感器检测到压力变化时，做出相应的调整（具体策略见步骤（4））。在二级控制中，水平传感器检测到水平倾角绝对值大于2度时，系统抛弃对压力传感器的数据读取，只读取水平传感器中数据，并把数据输入到模糊PID控制器当中。
采用的模糊PID控制方式是一种模糊自整定PID控制器。这样的控制方式能够每时每刻检测电动轮椅的平稳状态，并根据电动轮椅的平稳状态误差和误差变化率随时制定出更适合当前状态的PID参数，这样能够增强系统的动态响应能力和抗干扰能力，能够加快直线电机的调节速度，减小系统的超调量，增加平衡轮椅的稳定性。从而能使电动轮椅更好的去面对各种复杂的路况。控制方式的原理框图如图3所示。
所述步骤（4），具体步骤为：本发明当遇到上、下坡或崎岖不平的道路时，会先产生轮子压力的变化，然后会产生倾角变化。在一级控制中，直线电机根据压力的变化做出的调整策略如下。
1.当左前轮压力变小时，左前电机（5）伸长。
2.当左前轮压力变大时，左前电机（5）缩短。
3.当右前轮压力变小时，右前电机（2）伸长。
4. 当右前轮压力变大时，右前电机（2）缩短。
5. 当左后轮压力变小时，左后电机（3）伸长。
6. 当左后轮压力变大时，左后电机（3）缩短。
7. 当右后轮压力变小时，右后电机（4）伸长。
8. 当右后轮压力变大时，右后电机（4）缩短。
当水平倾角的绝对值大于2度时，为了更准确和快速的控制直线电机，使椅面达到平衡，系统不读取压力传感器数据，只读取水平传感器数据，并把水平传感器数据传送给模糊PID控制器。然后模糊PID控制器制定相应的调整PID参数去调节直线电机的电压，从而使希望调整的电机伸长或者缩短。并可以控制电机的伸缩速度，缩短调节时间，减小超调量。从而增加电动轮椅的稳定性。并且无论什么情况四个直线气缸都同时调整，这样能够缩短调节时间。具体策略如下。
1.当左前倾角小于负2度时，左前电机（5）伸长。
2.当左前倾角大于正2度时，左前电机（5）缩短。
3.当右前倾角小于负2度时，右前电机（2）伸长。
4. 当右前倾角大于正2度时，右前电机（2）缩短。
5. 当左后倾角小于负2度时，左后电机（3）伸长。
6. 当左后倾角大于正2度时，左后电机（3）缩短。
7. 当右后倾角小于负2度时，右后电机（4）伸长。
8. 当右后倾角大于正2度时，右后电机（4）缩短。
本发明多种策略相互配合能够克服各种路况。
本发明有效的收益为。
1. 本平衡轮椅可以克服如上坡，下坡，小障碍，凹陷等路况，减小椅面的晃动，使轮椅更舒适更安全。
2. 在水平传感器的基础上，增加压力传感器，检测的压力值能够预测下一时刻的水平值，使直线电机动作更及时，更迅速。
3, 选用模糊PID控制作为控制方式，能够增加系统的调节时间，减小系统的超调量，增加系统的稳定性，使椅面更加迅速的稳定在水平状态。减小椅面的波动。
附图说明
图1为系统整体框架原理图。
图2为轮椅简单结构图。
图3为模糊PID控制原理框图。
具体实施方式
本发明当遇到上、下坡或崎岖不平的道路时，会先产生轮子压力的变化，然后会产生倾角变化。在一级控制中，直线电机根据压力的变化做出的调整策略如下。
1.当左前轮压力变小时，左前电机（5）伸长。
2.当左前轮压力变大时，左前轮电机（5）缩短。
3.当右前轮压力变小时，右前轮电机（2）伸长。
4. 当右前轮压力变大时，右前轮电机（2）缩短。
5. 当左后轮压力变小时，左后轮电机（3）伸长。
6. 当左后轮压力变大时，左后轮电机（3）缩短。
7. 当右后轮压力变小时，右后轮电机（4）伸长。
8. 当右后轮压力变大时，右后轮电机（4）缩短。
当检测到对与压力传感器同方向的水平倾角的绝对值大于2度时，为了更准确和快速的控制直线电机，使椅面达到平衡，系统不读取压力传感器数据，只读取水平传感器数据，并把水平传感器数据传送给模糊PID控制器。然后模糊PID控制器制定相应的调整PID参数去调节直线电机的电压，从而使希望调整的电机伸长或者缩短。并可以控制电机的伸缩速度，缩短调节时间，减小超调量。从而增加电动轮椅的稳定性。并且无论什么情况四个直线气缸都同时调整，这样能够缩短调节时间。具体策略如下。
1.当左前倾角小于负2度时，左前轮电机（5）伸长。
2.当左前倾角大于正2度时，左前轮电机（5）缩短。
3.当右前倾角小于负2度时，右前轮电机（2）伸长。
4. 当右前倾角大于正2度时，右前轮电机（2）缩短。
5. 当左后倾角小于负2度时，左后轮电机（3）伸长。
6. 当左后倾角大于正2度时，左后轮电机（3）缩短。
7. 当右后倾角小于负2度时，右后轮电机（4）伸长。
8. 当右后倾角大于正2度时，右后轮电机（4）缩短。
本发明多种策略相互配合能够克服各种路况。
例如，当下坡时，左前轮电机（5）、右前轮电机（2）相应伸长。同时左后轮电机（4）、右后轮电机（3）缩短；当上坡时，左后轮电机（4）、右后轮电机（3）相应伸长，同时左前轮电机（5）、右前轮电机（2）缩短；当前方有突起时，压过去时，压力传感器检测到两前轮压力变大，相应的左前电机（5），右前电机（2）缩短，随后水平传感器检测到水平倾角大于2度，四个直线电机一起动作，左后轮电机（4）、右后轮电机（3）相应伸长，同时左前轮电机（5）、右前轮电机（2）缩短。当路上有坑时，右前轮过坑时，压力传感器检测到右前轮压力变小，右前轮电机（2）伸长，随后水平传感器检测到水平变换，四个直线电机一起动作，右前轮电机（2）伸长，其他3个电机缩短。
Claims (8)
1.本发明提出了一种基于模糊PID控制的平衡轮椅，是四个轮子上方分别装置一个永磁直线电机，能够自动调节四个轮子的水平高度，平衡轮椅的设计步骤主要包括以下步骤：. (1). 设计平衡轮椅的系统结构；(2). 设计轮椅的结构，和四个电机的位置，水平传感器的位置和压力传感器的位置；(3).设计电机的控制方式，设计两级控制，使水平传感器和压力传感器相互配合；并把水平传感器的检测数据传到模糊PID控制器里面，控制器做出相应的调整；(4).设计平衡轮椅的控制策略。
2.如权利要求1所述的平衡轮椅系统，其特征在于:所述步骤（1），具体步骤为：设计一个完整的平衡轮椅系统结构；本发明选用Atmel公司的AT91M系列单片机作为控制器，本发明并包括电源模块、电机驱动电路、永磁直线电机、水平传感器和压力传感器检测模块、模糊PID控制器模块。
3.如权利要求1所述的平衡轮椅系统，其特征在于: 所述步骤（2），具体步骤为：本发明适用于带有动力的电动轮椅，在电动轮椅的基础上加上本发明；本发明的结构：电动轮椅车架（1） ；右前轮电机（2）；右后轮电机（3） ；左后轮电机（4）； 5.左前轮电机（5）；轮椅后轮（6） ；轮椅前轮（7） ；轮椅扶手（8）；水平传感器（9）； 压力传感器（10）。
4.如权利要求3所述的平衡轮椅系统，其特征在于：选用两个双轴水平传感器，一个检测左前和右后的倾角，一个检测右前和左后的倾角；选用4个压力传感器，分别安装在轮子轴承位置，检测轮子轴承位置的压力。
5.如权利要求3所述的平衡轮椅系统，其特征在于：把四个直线电机放到轮子和椅面中间，连接轮子和椅面，通过控制轮子和椅面的距离去调节椅面的平衡。
6.如权利要求1所述的平衡轮椅系统，其特征在于: 所述步骤（3），具体步骤为：分为两级控制去调整直线电机，在第一级控制中，采用压力传感器检测到的数据控制直线电机的动作，当压力传感器检测到压力变化时，做出相应的调整；在二级控制中，水平传感器检测到水平倾角绝对值大于2度时，系统抛弃对压力传感器的数据读取，只读取水平传感器中数据，并把数据输入到模糊PID控制器当中。
7.如权利要求6所述的平衡轮椅系统，其特征在于:用的模糊PID控制方式是一种模糊自整定PID控制器，并根据电动轮椅的平稳状态误差和误差变化率随时制定出更适合当前状态的PID参数。
8.如权利要求1所述的平衡轮椅系统，其特征在于: 所述步骤（4），具体步骤为：在一级控制中，直线电机根据压力的变化做出的调整策略如下：当左前轮压力变小时，左前电机（5）伸长；当左前轮压力变大时，左前电机（5）缩短；当右前轮压力变小时，右前电机（2）伸长； 当右前轮压力变大时，右前电机（2）缩短；当左后轮压力变小时，左后电机（3）伸长；当左后轮压力变大时，左后电机（3）缩短；当右后轮压力变小时，右后电机（4）伸长；当右后轮压力变大时，右后电机（4）缩短；当水平倾角的绝对值大于2度时，进行二级控制，控制策略如下：当左前倾角小于负2度时，左前电机（5）伸长；当左前倾角大于正2度时，左前电机（5）缩短；当右前倾角小于负2度时，右前电机（2）伸长； 当右前倾角大于正2度时，右前电机（2）缩短；当左后倾角小于负2度时，左后电机（3）伸长；当左后倾角大于正2度时，左后电机（3）缩短；当右后倾角小于负2度时，右后电机（4）伸长；当右后倾角大于正2度时，右后电机（4）缩短。
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