CN107479378A - 一种基于模糊pid控制的电动轮椅控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模糊PID控制的电动轮椅控制系统。针对不同路况和上下坡环境导致电动轮椅运动颠簸、不平稳、不安全和不舒适问题，满足乘坐电动轮椅的残障者安全性、舒适性和操控性。其特征包括环境感知系统、主控制系统、驱动系统、执行器和反馈系统，采用基于模糊PID控制的电动轮椅控制系统。其中主控制系统根据反馈系统反馈的电动轮椅运行速度偏差和计算出的偏差变化率，设计模糊PID控制系统，实时调节PID三个参数的自整定模糊控制策略，更好控制输出速度。本系统具有鲁棒性好、超调小、调速平滑、抗负载扰动性好等特点，满足电动轮椅的针对不同路况的控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及康复辅具领域，具体涉及一种基于模糊PID控制的电动轮椅。
背景技术
我国已经进入老龄化社会，且老龄人口在加速增长，此外，由于疾病和灾害等原因造成的下肢运动障碍的患者也在显著增加，上述人群因为下肢活动能力的限制，对其日常出行活动产生了影响。而助老、助残型电动轮椅为老年人和下肢残疾人的出行提供了方便。
由于电动轮椅主要使用者老年人和行动不便的残障人，因此与一般用直流电动机控制系统不同，其控制要求有其特殊性，具体如下：
(1)电动轮椅在遇见不平路面时和面对各种环境的干扰时，是一个非线性、多变量、时变系统。一般的控制系统存在一个速度引起的颠簸，会有抖动震荡的感觉，影响使用，因此要有环境适用能力，要在调速过程，速度变化曲线应较平滑，速度变化应有一定的时间，不能存有振荡；
(2)一般直流电动机达到峰值时可存有一定的超调量，应用于电动轮椅直流电动机要求其超调量越小越好；
(3)因为电动轮椅速度较低，而需要较快的响应速度。
(4)电动轮椅控制系统要求有较强的抗负载扰动能力，可以在空载和负载时随时调节使用，而且速度较平稳。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于各种控制中，尤其适用于建立精确数学模型的确定性控制系统中。以直流电动机为驱动装置的电动轮椅的调速系统中，因面对环境和路况的不确定，常规PID控制往往不能同时满足上述五控制要求，存在启动和制动有超调，抗负载扰动能力欠佳等问题。而模糊控制不依赖于被控对象模型，它不是用数值变量而是用语言变量来描述系统特征，并依据系统的动态信息和模糊控制规则进行推理以获得合适的控制量，因而具有较强的鲁棒性，但控制精度不高，本发明将模糊控制和PID控制结合起来构建自适应模糊PID控制系统，具有两者的优点，使之具有较快的响应速度、抑制超调量，提高控制精度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于模糊PID控制的电动轮椅。本发明通过将模糊控制和常规PID控制结合起来，形成利用模糊逻辑对PID控制器的三个参数进行在线自我调整的参数自整定模糊PID控制器。
本发明是以如下技术方案实现的，一种基于模糊PID控制的电动轮椅，包括电动轮椅本体，还包括设置于所述电动轮椅本体上的环境感知系统、控制系统、驱动系统、执行器和反馈系统；
所述环境感知系统包括摇杆手操器、路况检测的3D加速度传感器、避障模块，所述环境感知方法有助于电动轮椅更好的识别当时的路况，建立面向电动轮椅的姿势预测模型及实施预判模型，从而保证用户安全。
所述执行器包括两台直流电动机和电动推杆，所述直流电动机用于驱动电动轮椅的车轮运行；一台直流电动机驱动左侧车轮运行，另一台直流电动机驱动右侧车轮运行；所述直流电动机受控于所述控制系统和驱动系统；
所述电动推杆用于驱动所述电动轮椅本体的座椅和靠背的姿态调整；
所述控制系统包括控制器和直流电动机驱动电路；所述控制器能够接受所述采集系统的操纵杆传送的信号对所述直流电动机驱动电路进行控制以实现对电动轮椅行进的控制。
进一步地，所述驱动系统为双轴驱动系统，所述驱动系统通过采用H桥式PWM变流器，并加入电流环和转速环来完成双闭环可逆控制，所述转速环的控制器为参数自整定模糊PID控制器；
所述参数自整定模糊PID控制器包括：
速度值检测模块，用于检测电动轮椅的速度值；所述速度值检测模块通过霍尔传感器实时检测电动轮椅的速度值。
计算模块，用于将电动轮椅的速度值与给定速度值相减得到的系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)；
参数自整定模块，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)作为模糊控制器的输入变量，并经模糊控制器调节并解模糊以后，得到PID的三个修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd；
输出变量得到模块，用于将所述三个修正量与前一时刻的Kp-1、Ki-1、Kd-1相加，得到此刻模糊PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd作为输出变量。所述参数自整定模块包括：量化单元，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)的值量化到对应的论域；修正量查询单元，用于在控制规则表中查询所述三个参数的对应的修正量。
进一步地，控制系统还包括：
模拟数字信号转换模块，用于将操纵杆发出的模拟控制信号转换成数字控制速度和方向信号；
调速命令得到模块，用于将所述数字控制速度和方向信号根据模糊PID非线性映射为调速命令；
调速命令传输模块，用于将所述调速命令传输至所述控制系统。
进一步地，所述模糊规则表的建立是依据偏差E(k)和偏差率Ec(k)在被控过程中对参数Kp、Ki、Kd的自整定要求而定的。
进一步地，设定输入变量偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)语言值的模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；同时将偏差E(k)量化到(-3，3)的区域内，偏差变化率Ec(k)量化到(-1，1)的区域内；设定输出量Kp、Ki和Kd三个变量语言值的模糊子集为{零，正小，正中，正大}，并将三者都量化到区域(0，3)内以得到输入输出变量的隶属函数曲线。
本发明的有益效果是：
本发明以直流电动机数学模型的基础上，针对不同路况环境导致电动轮椅运动颠簸、不平稳、不安全和不舒适问题，特别是上下坡不同样速度会导致翻车的致命的安全性，满足乘坐电动轮椅的残障者安全性、舒适性和操控性。主控模块制定了根据轮椅运行速度偏差和偏差变化率，实时调节PID三个参数的自整定模糊PID控制策略，具有鲁棒性好、超调小、调速平滑、抗负载扰动性好等特点，满足电动轮椅的针对不同路况的控制要求。
附图说明
图1是发明的逻辑框图；
图2是发明的模糊PID控制结构图；
图3是本发明H桥双极性PWM驱动电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，一种基于模糊PID控制的电动轮椅，包括电动轮椅本体，其特征在于：还包括设置于所述电动轮椅本体上的环境感知系统、控制系统、驱动系统、执行器和反馈系统；
所述环境感知系统包括摇杆手操器、路况检测的3D加速度传感器、避障模块，所述环境感知方法有助于电动轮椅更好的识别当时的路况，建立面向电动轮椅的姿势预测模型及实施预判模型，从而保证用户安全。
所述执行器包括两台直流电动机和电动推杆，所述直流电动机用于驱动电动轮椅的车轮运行；一台直流电动机驱动左侧车轮运行，另一台直流电动机驱动右侧车轮运行；所述直流电动机受控于所述控制系统和驱动系统；
所述电动推杆用于驱动所述电动轮椅本体的座椅和靠背的姿态调整；
所述控制系统包括控制器和直流电动机驱动电路；所述控制器能够接受所述采集系统的操纵杆传送的信号对所述直流电动机驱动电路进行控制以实现对电动轮椅行进的控制。
所述驱动系统为双轴驱动系统，所述驱动系统通过采用H桥式PWM变流器，并加入电流环和转速环来完成双闭环可逆控制，所述转速环的控制器为参数自整定模糊PID控制器；
图2示出了模糊PID控制结构图，所述参数自整定模糊PID控制器包括：
速度值检测模块，用于检测电动轮椅的速度值；所述速度值检测模块通过霍尔传感器实时检测电动轮椅的速度值；
计算模块，用于将电动轮椅的速度值与给定速度值相减得到的系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)；
参数自整定模块，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)作为模糊控制器的输入变量，并经模糊控制器调节并解模糊以后，得到PID的三个修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd；
输出变量得到模块，用于将所述三个修正量与前一时刻的Kp-1、Ki-1、Kd-1相加，得到此刻模糊PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd作为输出变量。
所述参数自整定模块包括：
量化单元，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)的值量化到对应的论域；
修正量查询单元，用于在控制模糊规则表中查询所述三个参数的对应的修正量。
控制系统还包括：模拟数字信号转换模块，用于将操纵杆发出的模拟控制信号转换成数字控制速度和方向信号；调速命令得到模块，用于将所述数字控制速度和方向信号根据模糊PID非线性映射为调速命令；调速命令传输模块，用于将所述调速命令传输至所述控制系统。
模拟数字信号转换模块，用于将操纵杆发出的模拟控制信号转换成数字控制速度和方向信号；调速命令得到模块，用于将所述数字控制速度和方向信号根据模糊PID非线性映射为调速命令；调速命令传输模块，用于将所述调速命令传输至所述控制系统。
所述模糊控制器模糊规则的建立是依据偏差E(k)和偏差率Ec(k)在被控过程中对参数Kp、Ki、Kd的自整定要求而定的。其中偏差E(k)和Ec(k)对三参数的主要要求可以归纳为以下几点：
(1)当|E|较大时，为了防止积分饱和，系统响应出现较大的超调，电机控制应取较大的Kp和较小的Kd，同时应把积分作用去掉Ki＝0，使系统有较快的响应速度和较少的超调，但是电动轮椅的控制要求存在一定启动时间且不能存在超调，因此此时Kp也不应太大；
(2)当|E|和|Ec(k)|中等时，为了保证系统的响应速度不会太慢，取较小的Kp和适中的Kd、Ki，以满足轮椅车速度调节平缓，无振荡无超调的控制要求；
(3)当|E|较小时，取较大的Kp和Ki，以得到较好的系统稳态性能，；同时，为了增强系统的抗干扰能力，避免系统在平衡点附近出现振荡应取中等大小的Kd。
输入输出变量确定后，需要确定输入、输出变量的模糊语言描述，电动轮椅要实现前进、左右转弯、后退和停止等功能，核心是控制系统输入、输出值。因此设定输入变量偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)语言值的模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大},并简记为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。同时将偏差E(k)量化到(-3，3)的区域内，偏差变化率Ec(k)量化到(-1，1)的区域内。同时设定输出量Kp、Ki和Kd三个变量语言值的模糊子集为{零，正小，正中，正大}，简记为{ZO，PS，PM，PB}，并将三者都量化到区域(0，3)内，便得到输入输出变量的隶属函数曲线。
根据参数Kp、Ki和Kd对系统输出特性的影响情况，可以归纳出不同的E(k)和Ec(k)时，被控参数的自整定要求，分析获得如下模糊控制规则(列举其中部分控制规则)：
If(E is NB)then(Kp is PB)and(Ki is ZO)and(Kd is PS)
If(E is PB)then(Kp is PB)and(Ki is ZO)and(Kd is PS)
If(E is NM)and(Ec is NM)then(Kp is PM)and(Ki is PS)and(Kd is PM)
If(E is NM)and(Ec is PM)then(Kp is PM)and(Ki is PS)and(Kd is PM)
If(E is PM)and(Ec is NM)then(Kp is PM)and(Ki iE PS)and(Kd is PS)
If(E is PM)and(Ec is NM)then(Kp is PB)and(Ki is ZO)and(Kd is PS)
If(E is PS)and(Ec is PS)then(Kp is PB)and(Ki is PB)and(Kd isPM)
If(E is PS)and(Ec is NS)then(Kp is PB)and(Ki is PB)and(Kd is PM)
If(E is NS)and(Ec is NS)then(Kp is PB)and(Ki is PB)and(Kd is PM)
If(E is NS)and(Ec is PS)then(Kp is PB)and(Ki is PB)and(Kd is PM)
综上所述，对于一个控制系统来说，应该充分考虑选择合适的Kp、Ki、Kd三个参数，才能保证系统的动、静态性能。在参数自整定时，不仅要考虑三个参数对系统的影响，而且还必须考虑它们之间的相互关系。
运行过程中，系统实时检测E(k)和Ec(k)的值，并将其量化到对应的论域，然后到控制规则表中查询各个参数的修正量，进而完成PID三个参数的在线自调整。
控制模块接收并分析控制信息，采集并计算电流和速度反馈信息，经过参数自整定模糊PID算法进行计算后输出PWM波形。直流电动机的驱动控制电路的任务则是接收到PWM信号，并对其进行驱动，控制由半导体功率器件MOSFET构成的H桥电路，最终实现对直流电动机的实时控制。
用于控制驱动轮的直流电动机和电动推杆都采用双极性可逆控制方式，即全桥H型驱动系统。系统共四台直流电动机，使用独立的四组H桥驱动电路来控制。H桥驱动电路共由四个半导体功率器件MOSFET构成，本系统使用国际整流器公司(InternationalRectifier，简称IR)生产的IRF3503作为电机控制的开关管。每一组H桥由两片IR2184控制。IR2184采用CMOS制造工艺，DIP8脚封装。设有悬浮截获电源可自举运行，其高端工作电压可达600V，抗dv/dt干扰能力为50V/ns，15V下静态功耗仅1.6W；具有独立的低端和高端输入通道；，输出的栅极驱动电压较宽，为10～20V。这两片IR2184是由STM32输出的俩路PWM控制，一片为正向信号控制，另一片为反向信号控制。每一片IR2184输出的HO\LO为一组互补PWM波形都将输入到同一桥臂的两个IRF3503的栅极端口。这样的电路设计，可以保证同一时间，同一桥臂上的MOSSFET管只有一个导通；对角线上的两个MOSSFET管在任何时刻的同时导通和关断，实现H桥双极性可逆控制功能。由H桥输出的信号加载在直流电动机电枢两端，即可通过改变PWM波形的占空比来改变电机的运动方向和运动速度。
根据图3所示，具体电机驱动电路H桥解释：二路PWM分别是PWM1、PWM2、，二路PWM分别驱动2个半桥功率放大芯片(U1-U2)。EN1、EN2为使能选择端口。输出端口为HO,LO，HO为输出PWM同向电压，LO为输出PWM反向电压。
场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥，用于驱动右侧直流有刷电机，端子A-1、A+1分别接直流有刷电机的正负极。控制器模块通过改变PWM信号的脉宽，从而改变输出电压的大小来调节电机的转速，改变H桥输出方向来改变输出极性，从而控制电机的正反转的方向。所以控制了差速电机的速度和方向。
当PWM1输出高电平时，半桥功率放大芯片U1的HO输出高电平，LO输出低电平，驱动Q2导通，Q3截止；PWM2输出低电平时，半桥功率放大芯片U2的HO输出低电平，LO输出高电平，驱动Q4导通，Q1截止，因此电流从电源Vbus经过Q2，A-1、电机、A+1、Q4，到GND，驱动直流电机前进方向工作。相反当PWM1输出低电平时，半桥功率放大芯片U1的HO输出低电平，LO输出高电平，驱动Q3导通，Q2截止；PWM2输出高电平时，半桥功率放大芯片U2的HO输出高电平，LO输出低电平，驱动Q1导通，Q4截止，因此电流从电源Vbus经过Q1，A+1、电机、A-1、Q3，到GND，驱动直流电机相反方向工作，电机的转速则通过PWM输出的脉宽来控制，脉宽越大，导通时间越长，施加给电机电压越高，电机转速越大。同理方式控制电动推杆的姿态调整和左直流有刷电机速度方向。
本系统共需控制二台直流电动机和二台直线电动推杆，电动轮椅的驱动系统包括两台用于驱动电动轮椅左右轮运行的直流电动机，操纵杆发出的模拟控制信号转换成含有方向和速度的数字信号，经过非线性映射为左右电机的调速命令。电动轮椅的电动推杆有两台，分别用于调节座椅的高度和靠背的倾斜角度的姿态调整。
系统对驱动轮电机的控制采用速度外环、电流内环的双闭环控制，电流的准确实时采集是实现准确实时控制的基础。同时出于控制安全的考虑，系统还设计了电路的过流保护功能，该功能为四台电机都具有的功能，因此在本系统中对于任何一台电机的电枢电流的采集都是必不可少的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于模糊PID控制的电动轮椅，包括电动轮椅本体，其特征在于：还包括设置于所述电动轮椅本体上的环境感知系统、控制系统、驱动系统、执行器，反馈系统；
所述环境感知系统包括摇杆手操器、路况检测的3D加速度传感器和避障模块；
所述执行器包括两台直流电动机和电动推杆，所述直流电动机用于驱动电动轮椅的车轮运行；一台直流电动机驱动左侧车轮运行，另一台直流电动机驱动右侧车轮运行；所述直流电动机受控于所述控制系统和驱动系统；
所述电动推杆用于驱动所述电动轮椅本体的座椅和靠背的姿态转换；
所述反馈系统包括转速监测传感器和电流电压的AD采样，转速监测传感器用于监测电动轮椅的实时速度，电流电压的AD采样用于监测H桥电路的实时电流电压，两者都并反馈给控制系统；
所述控制系统包括控制器和直流电动机驱动电路；所述控制器能够接受所述采集系统的操纵杆传送的信号对所述直流电动机驱动电路进行控制以实现对电动轮椅行进的控制。
2.如权利要求1所述的电动轮椅，其特征在于：
所述驱动系统为双轴驱动系统，所述驱动系统通过采用H桥式PWM变流器，并加入电流环和转速环来完成双闭环可逆控制，所述转速环的控制器为参数自整定模糊PID控制器；
所述参数自整定模糊PID控制器包括：
速度值检测模块，用于检测电动轮椅的速度值；所述速度值检测模块通过霍尔传感器实时检测电动轮椅的速度值；
计算模块，用于将电动轮椅的速度值与环境感知模块给定速度值相减得到的系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)；
参数自整定模块，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)作为模糊控制器的输入变量，并经模糊控制器调节并解模糊以后，得到PID的三个修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd；
输出变量得到模块，用于将所述三个修正量与前一时刻的Kp-1、Ki-1、Kd-1相加，得到此刻模糊PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd作为输出变量。
3.如权利要求2所述的电动轮椅，其特征在于，所述参数自整定模块包括：
量化单元，用于将系统偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)的值量化到对应的论域；
修正量查询单元，用于在控制模糊规则表中查询所述三个参数的对应的修正量。
4.如权利要求2所述的电动轮椅，其特征在于，控制系统还包括：
模拟数字信号转换模块，用于将操纵杆发出的模拟控制信号转换成数字控制速度和方向信号；
调速命令得到模块，用于将所述数字控制速度和方向信号根据模糊PID非线性映射为调速命令；
调速命令传输模块，用于将所述调速命令传输至所述控制系统。
5.如权利要求3所述的电动轮椅，其特征在于，所述模糊规则表的建立是依据偏差E(k)和偏差率Ec(k)在被控过程中对参数Kp、Ki、Kd的自整定要求而定的。
6.如权利要求3所述的电动轮椅，其特征在于：设定输入变量偏差E(k)和偏差变化率Ec(k)语言值的模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}；同时将偏差E(k)量化到(-3，3)的区域内，偏差变化率Ec(k)量化到(-1，1)的区域内；设定输出量Kp、Ki和Kd三个变量语言值的模糊子集为{零，正小，正中，正大}，并将三者都量化到区域(0，3)内以得到输入输出变量的隶属函数曲线。
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