CN110368207A - 轮椅及其控制方法 - Google Patents

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胡彧
刘张
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Abstract

本发明公开了一种轮椅及其控制方法，属于器械领域。轮椅包括：本体，用于辅助用户出行；电源模块，用于供电；加速度传感器，用于实时采集加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息；控制单元，用于将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角，当夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；报警指令发送后的设定时间内，若控制单元未接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送报警和定位信息，若控制单元接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则向报警模块发送停止报警指令。

Description

轮椅及其控制方法
技术领域
本发明涉及器械领域，具体涉及一种轮椅及其控制方法。
背景技术
因为年龄增大或生病等原因，有许多人行动不便，需要轮椅进行辅助移动。但如果轮椅使用者没有人员陪同，万一轮椅倾倒，很容易造成轮椅使用者无法起来，受伤无人知晓，甚至出现其他严重的后果。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种能够更早发现轮椅使用者倾倒的轮椅及其控制方法。
为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种轮椅，其包括：
本体，用于辅助用户出行，其上安装有电源模块、控制单元和分别与控制单元连接的加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块；
电源模块，用于向控制单元、加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块供电；
加速度传感器，用于实时采集加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
报警模块，用于接收控制单元的报警指令后报警；
定位模块，用于实时采集定位信息；
报警终止电路，用于接收用户的报警请求，并向控制单元发送报警终止信号；
无线通信模块，用于供控制单元向与无线通信模块连接的终端发送信息；
控制单元，用于将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角，当夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；报警指令发送后的设定时间内，若控制单元未接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送轮椅已倾倒的报警信息和定位信息，若控制单元接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则向报警模块发送停止报警指令；
控制单元将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角的计算公式为：
其中，α为夹角，Ax为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中X方向的分量，Ay为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Y方向的分量，Az为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Z方向的分量。
进一步地，无线通信模块包括GSM模块。
进一步地，定位模块包括GPS模块。
进一步地，报警模块包括蜂鸣报警器。
进一步地，控制单元与LED灯连接，当夹角大于控制单元内设置的阀值时，控制单元控制LED灯点亮。
进一步地，控制单元的MCU为MSP430F149型单片机，
另一方面，本方案提供一种基于本方案设计的轮椅的控制方法，其包括：
采集定位信息和加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
根据分量信息，并将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角；
当夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；
判断报警指令发送后的设定时间内是否收到报警终止信号；
若未接收到，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送轮椅已倾倒的报警信息和定位信息；否则，向报警模块发送停止报警指令。
本发明的有益效果为：
轮椅处于正常状态时，加速度传感器的Z轴垂直于水平面。利用加速度传感器检测的值得到轮椅与水平面的倾角，并根据夹角或加速度传感器检测的值自动判断轮椅是否倾倒，进而自动判断静态和动态中的轮椅的使用者是否倾倒。若判断轮椅倾倒，则通过无线通信模块及时向与无线通信模块连接的终端发送报警信息和定位信息，使得轮椅使用者以外的其他人更早发现轮椅使用者已倾倒，从而采取相关措施以减小轮椅使用者可能受到的伤害。
附图说明
图1为本发明轮椅的控制方法流程图；
图2为具体实施例中电源模块的部分电路图；
图3为具体实施例中电源模块的另一部分电路图；
图4为具体实施例中控制单元的电路图；
图5为具体实施例中加速度传感器的电路图；
图6为具体实施例中无线通信模块的电路图；
图7为具体实施例中定位模块的电路图；
图8为具体实施例中报警模块的电路图；
图9为具体实施例中LED灯电路的电路图；
图10为具体实施例中报警终止电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，该轮椅包括：
本体，用于辅助用户出行，其上安装有电源模块、控制单元和分别与控制单元连接的加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块；
电源模块，用于向控制单元、加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块供电；
加速度传感器，用于实时采集加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
报警模块，用于接收控制单元的报警指令后报警；
定位模块，用于实时采集定位信息；
报警终止电路，用于接收用户的报警请求，并向控制单元发送报警终止信号；
无线通信模块，用于供控制单元向与无线通信模块连接的终端发送信息；
控制单元，用于将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角，当夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；报警指令发送后的设定时间内，若控制单元未接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送轮椅已倾倒的报警信息和定位信息，若控制单元接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则向报警模块发送停止报警指令；
控制单元将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角的计算公式为：
其中，α为夹角，Ax为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中X方向的分量，Ay为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Y方向的分量，Az为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Z方向的分量。
实施时，如图2和图3所示，本方案优选电源模块包括5V直流电源DC，直流电源DC的正极输出端与开关SW1连接，直流电源DC的负极输出端接地，开关SW1与接地点之间串联有并联的电容EC1和电容C18，电容C18的两端分别与稳压器U1的接地端和输入端连接，稳压器U1的输出端与接地电容EC2连接，稳压器U1的输出端通过串联连接的电阻R1和发光二极管LED1与接地端连接，稳压器U1的输出端与接口JTAG1的引脚2连接，接口JTAG1的引脚9接地，引脚11与接地开关SW2连接，接地开关SW2的两端与电容C1连接，电容C1的非接地端通过电阻R2与稳压器U1的输出端连接。
当开关SW1打开时，发光二极管LED1(电源指示灯)点亮。
通过接地开关SW2实现手动控制复位，以防止程序跑飞或出错时让程序从头开始执行，从而快速纠正运行状态。在接地开关SW2未按下时，由于电容C1对直流电的阻隔作用，复位端口RST为高电平，因此控制单元(单片机)不执行复位功能；当按下接地开关SW2时，节点VCC、接地开关SW2、电容C1和节点GND构成的回路导通，电容C1放电，此时控制单元(单片机)复位端口为低电平，进入复位控制状态，当释放按键WS2时，由于电容C1的充电作用，复位端口的电位由低电平缓慢的上升到高电平，在未达到控制单元(单片机)规定的阈值之前，控制单元(单片机)均认为是低电平，保持复位状态，当电容充电完成后，复位端口为高电平，复位过程结束。
电脑可通过接口JTAG直接访问控制单元(单片机)内部的ROM、RAM及特殊寄存器资源，并可直接对内部FLASH进行在线编程，这样省却了使用编程器和仿真机，降低了开发成本并缩短开发周期。并且在调试过程，外部只需要一台能实现JTAG接口控制功能的主机即可。
如图4所示，控制单元的MCU为MSP430F149型单片机，单片机U2的引脚1、引脚7、引脚10和引脚64均与稳压器U1的输出端连接，单片机U2的引脚11、引脚62和引脚64均与接地端连接，单片机U2的引脚8与引脚9之间通过晶振Y1连接，单片机U2的引脚52与引脚53之间通过晶振Y2连接，晶振Y2的两端分别与接地电容C8和接地电容C9连接；单片机的引脚58、引脚57、引脚56、引脚55和引脚54分别与接口JTAG1的引脚11、引脚7、引脚5、引脚3和引脚1连接。
MSP430F149型单片机提供三个时钟信号，这三个时钟源分别是：辅助时钟信号(ACLK)，由晶振Y1(其频率为32.768kHz)产生；主时钟信号(MCLK)，MCU正常运行时使用的主时钟，由晶振Y2(其频率为8MHz)产生；子系统时钟(SMCLK)，由单片机U2内部数字控制振荡器DCO产生，主要用于高速外围模块。
这种布局同时满足了低成本和低功耗的要求，当MCU和高频时钟都关闭的时候，电源仅保持基本时钟的运行，就可以在外部中断到达或者定时到达时唤醒系统。当MSP430F149型单片机外部时钟源出现故障时，MSP430F149型单片机内部的数字控制振荡器DCO可以在6us内快速打开并稳定运行，保证整个系统的稳定性。这种多时钟源的设计解决了系统的快速处理数据的要求和低功耗要求的矛盾，通过设计多个时钟源解决了外部元件实时应用的时钟要求。
加速度传感器具体电路图如图5所示，单片机U2的引脚42和引脚43分别与型号为ADXL345的加速度传感器U5的引脚1和引脚2连接，加速度传感器U5的引脚8接地，其引脚10与开关SW1与电容EC1之间的节点连接。
如图6所示，无线通信模块包括GSM模块，单片机U2的引脚36和引脚37分别与GSM模块U4的引脚3和引脚4连接，GSM模块U4的引脚1与开关SW1与电容EC1之间的节点连接，GSM模块U4的引脚2接地。
如图7所示，定位模块包括GPS模块，单片机U2的引脚35和引脚34分别与GPS模块U3的引脚3和引脚4连接，GPS模块U3的引脚2接地，其引脚1与开关SW1与电容EC1之间的节点连接。
如图8所示，报警模块包括蜂鸣报警器，单片机U2的引脚44通过电阻R8与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与稳压器U1的输出端连接，三极管Q1的集电极与一端接地的蜂鸣报警器B1连接。
如图9所示，控制单元与LED灯连接，当夹角大于控制单元内设置的阀值时，控制单元控制LED灯点亮，具体地，单片机U2的引脚30与串联连接的电阻R20和发光二极管LED2连接。
报警终止电路如图10所示，单片机U2的引脚45通过电阻R3与稳压器U1的输出端连接，单片机U2的引脚45与接地开关S1连接。
另一方面，本方案还提供一种基于本方案设计的轮椅的控制方法，其包括：
采集定位信息和加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
根据分量信息，并将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角；
当夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；
判断报警指令发送后的设定时间内是否收到报警终止信号；
若未接收到，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送轮椅已倾倒的报警信息和定位信息；否则，向报警模块发送停止报警指令。

Claims (7)

1.轮椅，其特征在于，包括：
本体，用于辅助用户出行，其上安装有电源模块、控制单元和分别与所述控制单元连接的加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块；
电源模块，用于向所述控制单元、加速度传感器、报警模块、定位模块、报警终止电路和无线通信模块供电；
加速度传感器，用于实时采集加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
报警模块，用于接收控制单元的报警指令后报警；
定位模块，用于实时采集定位信息；
报警终止电路，用于接收用户的报警请求，并向控制单元发送报警终止信号；
无线通信模块，用于供控制单元向与所述无线通信模块连接的终端发送信息；
控制单元，用于将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角，当所述夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；报警指令发送后的设定时间内，若控制单元未接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送所述轮椅已倾倒的报警信息和定位信息，若控制单元接收到报警终止电路发出的报警终止信号，则向报警模块发送停止报警指令；
所述控制单元将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角的计算公式为：
其中，α为夹角，Ax为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中X方向的分量，Ay为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Y方向的分量，Az为加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中Z方向的分量。
2.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述无线通信模块包括GSM模块。
3.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述定位模块包括GPS模块。
4.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述报警模块包括蜂鸣报警器。
5.根据权利要求1所述的轮椅，其特征在于，所述控制单元与LED灯连接，当所述夹角大于控制单元内设置的阀值时，控制单元控制所述LED灯点亮。
6.根据权利要求1-5任一所述的轮椅，其特征在于，所述控制单元的MCU为MSP430F149型单片机。
7.一种基于权利要求1-6所述轮椅的控制方法，其特征在于，包括：
采集定位信息和加速度传感器自身重力加速度在空间坐标系中XYZ三个方向的分量信息，其中Y轴垂直于水平面；
根据所述分量信息，并将分量信息转换为加速度传感器Z轴与水平面的夹角；
当所述夹角大于控制单元内设置的角度阀值或分量信息大于控制单元内部设置的加速度阀值时，向报警模块发送报警指令；
判断报警指令发送后的设定时间内是否收到报警终止信号；
若未接收到，则通过无线通信模块向与无线通信模块连接的终端发送所述轮椅已倾倒的报警信息和定位信息；否则，向报警模块发送停止报警指令。
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