CN112315678A - 一种电动轮椅行驶控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电动轮椅行驶控制方法及系统，所述方法通过检测当前电动轮椅车速及使用者操作手柄的意图，根据目标车速和目标转弯半径，计算电动轮椅可能的横摆角速度，当可能横摆角速度超过提前预设值时，通过自动控制左、右驱动轮电机转速，控制实际横摆角速度不超过提前预设值，从而提升电动轮椅的操控稳定性，增加高速行驶时转向时的安全感，降低电动轮椅的倾翻风险。自动控制是依靠控制器设定的控制算法完成的，无需增加硬件成本，电动轮椅使用者操作简单，易于推广。

Description

一种电动轮椅行驶控制方法及系统
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，具体为一种电动轮椅行驶控制方法及系统。
背景技术
电动轮椅是在传统手动轮椅的基础上，叠加高性能动力驱动装置、智能操纵装置、电池等部件，改造升级而成的，是行动不便人员出行的重要辅助工具。电动轮椅的行驶和转向，主要是通过一个操纵手柄控制两个驱动轮电机的转速实现的。如果两个驱动轮电机转速相同，轮椅沿着直线前进或倒退；如果两个驱动轮电机转速不相同，轮椅在前进或倒退过程中向驱动轮转速慢的一侧转向。
当前技术是转向角度是根据操纵手柄百分比或者手柄控制转向时间长短决定的，转向过程中不考虑车速对转向的影响。根据电动轮椅横摆角速度Ω＝(Vr-Vl)/D(其中Ω＝横摆角速度，Vr为右轮轮速，Vl为左轮轮速，D为左右驱动轮轮距)，横摆角速度随轮速差增加而变大。如果使用电动轮椅者因肢体协调不好、操作经验不足等原因，在车速高时转向角度过大，轮椅的横摆角速度增大，不仅可能影响车辆行驶稳定性，引起乘坐者的不安全感，甚至可能造成电动轮椅倾翻。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种电动轮椅行驶控制方法及系统，通过检测当前电动轮椅车速及使用者操作手柄的意图，根据目标车速和目标转弯半径，计算电动轮椅可能的横摆角速度，当可能横摆角速度超过提前预设值时，通过自动控制左、右驱动轮电机转速，控制实际横摆角速度不超过提前预设值，从而提升电动轮椅的操控稳定性，增加高速行驶时转向时的安全感，降低电动轮椅的倾翻风险。
技术方案：本发明的电动轮椅行驶控制方法，具体包括以下步骤：
(1)使用者操纵手柄，通过轮椅的轮速传感器，计算当前车速、目标车速、目标转弯半径，进一步计算得到为达到目标车速及转弯半径需要控制的左右轮驱动电机的转速，即左、右驱动轮轮速；
(2)根据目标左、右轮驱动电机的转速，计算目标横摆角速度；
(3)判断目标横摆角速度是否大于电动轮椅横摆角速度最大允许值；如果目标横摆角速度不大于电动轮椅横摆角速度最大允许值，按照操纵手柄的指令控制轮椅的方向和转角；如果目标横摆角速度大于电动轮椅横摆角速度最大允许值，则控制轮椅的转角，使当前横摆角速度等于横摆角速度最大允许值，并计算除最大允许的转弯半径，及在该转弯半径和当前车速下左、右轮驱动电机的转速；
(4)控制器根据上述计算的左、右轮驱动电机的转速，控制左、右两个驱动电机，实现电动轮椅的转向和行驶的方向及大小。
所述步骤(2)的横摆角速度根据下述公式计算：
Ω0＝k0×(VR-VL)/D
其中，Ω0为横摆角速度；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k0为修正系数。
所述步骤(1)和(3)的转弯半径是根据下述公式计算的：
R0＝k0×D×(VR+VL)/2/(VR-VL)
其中，R0为转弯半径；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k1为修正系数。
所述步骤(3)的右驱动轮轮速、左驱动轮轮速是根据下述公式计算的：
R0＝k0×D×(VR+VL)/2/(VR-VL)
V0＝(VR+VL)/2
其中，R0为转弯半径；V0为目标车速；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k1为修正系数。
本发明的一种电动轮椅行驶控制系统，用于实现所述的控制方法，系统包括：
操控手柄，用于控制电动轮椅前进或倒退的方向及速度，以及转向的方向及转弯半径；
轮速传感器，包括左轮轮速传感器、右轮轮速传感器，分别安装在对应的驱动轮上，用于测量当前轮速，并传递给轮椅控制器；
驱动电机，包括左轮驱动电机、右驱动电机，用于驱动电动轮椅行驶；
轮椅控制器，用于获得操控手柄、轮速传感器的信号，根据预先编制的控制策略，对驱动电机转速进行控制，并通过左轮驱动电机、右轮驱动电机之间的差速，控制电动轮椅转向。
操纵手柄对电动轮椅可以完成下述控制：
(1)单独控制前进或后退的行驶方向及速度；
(2)单独控制转向的方向及转弯半径；
(3)同时开展前进或后退的行驶方向及速度，及转向的方向及转弯半径。
操纵手柄对轮椅的控制可以为下述两种形式：
(1)开关量手柄，只输出控制的方向；
(2)模拟量或总线型手柄，能够同时输出控制的方向及控制手柄的百分比。
操纵手柄为开关量手柄时，控制轮椅的转向方向或行驶方向，是手柄直接输出开关量获得的；目标行驶速度或转弯半径的大小，是根据操控手柄在该位置的时间计算的。操控手柄在该位置时间越长，目标行驶速度或转弯半径的值越大。
左轮驱动电机、右轮驱动电机控制电动轮椅的转向包括：
(1)VL＝VR，电动轮椅直线行驶；
(2)VL＞VR，电动轮椅前进时向右转向，电动轮椅倒退时向左转向；
(3)VL＜VR，电动轮椅前进时向左转向，电动轮椅倒退时向右转向；
其中，VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明提供的一种电动轮椅行驶控制方法及系统，轮椅控制器根据目标车速和目标转弯半径，自动控制电动轮椅横摆角速度在设定值范围内，避免使用者操作不当带来的安全风险与不适，从而提升电动轮椅的操控稳定性，增加高速行驶时转向时的安全感，降低电动轮椅的倾翻风险。
(2)由于本发明提供的一种电动轮椅行驶控制系统中操纵手柄、轮速传感器、轮速控制器、驱动电机等硬件都是电动轮椅的最基本配置，自动控制是依靠控制器设定的控制算法完成的，无需增加硬件成本，电动轮椅使用者操作简单，易于推广。
附图说明
图1是本发明的电动轮椅行驶控制系统图；
图2是本发明的电动轮椅行驶控制方法流程图。
具体实施方式
首先，使用图1对本实施例的电动轮椅行驶控制系统的构成进行说明。图1是本实施方式的电动轮椅行驶控制系统图。
电动轮椅行驶控制系统主要包括操纵手柄1、左轮速传感器2、右轮速传感器3、轮椅控制器4、左驱动电机5、右驱动电机6。
操纵手柄1与轮椅显示器、开关等一起，安装在电动轮椅的扶手上，轮椅使用者可以通过操纵手柄1的方向和角度，把控制信号传送给轮椅控制器4，继而控制电动轮椅转向和/或行驶的方向与和大小。本实施例中，操控手柄采用4-20mA电流型输出手柄，采用双轴输出。沿轮椅行驶方向向前操纵为向前行驶，向后操纵为向后行驶，向左操纵为左转向，向右操纵为右转向。操纵手柄支持两个转向与行驶同时操纵，如，向左前方操纵手柄，根据向前操纵百分比、向左操纵百分比，控制电动向前行驶的同时向左转向。
左轮速传感器2安装在左驱动轮上，右轮速传感器3安装在右驱动轮上，用于检测当前该驱动轮的转速。在本实施例中，轮速传感器采用霍尔式轮速传感器，检测对象为驱动轮齿圈。驱动轮齿圈上有12个突出齿，轮速传感器检测到12个齿，说明该驱动轮转动1圈。
轮椅控制器4安装在轮椅控制箱内，用于检测轮椅操控手柄、轮速等信号，并根据预先编制的控制策略，对驱动电机转速进行控制。在本实施例中，轮椅控制器4具有12路开关量输入端口、2路计数器输入端口、4路模拟量输入端口，8路开关量输出端口，4路模拟量输出端口，4路脉宽调制信号输出端口。轮椅控制器除计算、检测外，还具有256M数据存储空间，能够存储轮椅运行的参数。
左驱动电机5安装在左驱动轮上，右驱动电机6安装在右驱动轮上。通过驱动电机正转或反转，驱动该轮前进或倒退。在本实施例中，驱动电机包括直流电机、电机驱动器及电机附属装置。电动轮椅的转向和行驶，是通过左驱动电机5和右驱动电机6的配合完成的，包括：
(1)VL＝VR，电动轮椅直线行驶；
(2)VL＞VR，电动轮椅前进时向右转向，电动轮椅倒退时向左转向；
(3)VL＜VR，电动轮椅前进时向左转向，电动轮椅倒退时向右转向。
其中，VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速。
如图2是根据本发明实施例的电动轮椅行驶控制方法程序主流程图，该程序预先下载到轮椅控制器4中存储，在轮椅控制器4中运行。主要包括以下步骤：
第一步，轮椅控制器4读取当前左驱动轮轮速VL、右驱动轮轮速VR、操纵手柄目标转向半径R0、目标车速V0(步骤S402)。
目标转向半径R0是通过分析操纵手柄转向操纵的方向和手柄距离中心线偏转角度获知的。本实施例中，手柄最大偏转角度为30°，手柄中位死区3°，即3°～30°对应转向半径0～最大转弯半径。
目标车速V0是通过分析操纵手柄转向操纵的方向和手柄距离中心线偏转角度获知的。本实施例中，手柄最大偏转角度为30°，手柄中位死区3°，设定轮椅最高车速为6Km/h，即3°～30°对应车速为0～6Km/h。
第二步，计算目标车速V0且转弯半径R0时左、右轮轮速VR0、VL0(步骤S403)。
本实施例中，在已知转弯半径和车速下，右驱动轮轮速、左驱动轮轮速是根据下述公式计算的：
R0＝k0×D×(VR+VL)/2/(VR-VL)
V0＝(VR+VL)/2
其中，R0为转弯半径；V0为目标车速；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k1为修正系数。
例如，向左前方转向时R0＝10m、V0＝5Km/h、D＝0.8m、k1＝1，，通过上述算法可获知：VR＝5.2Km/h，VL＝4.8Km/h。
第三步，计算目标车速V0且转弯半径R0时电动轮椅的横摆角速度Ω0(步骤S404)。
本实施例中，在步骤S403完成后，横摆角速度Ω0是根据下述公式计算的：
Ω0＝k0×(VR-VL)/D
其中，Ω0为横摆角速度；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k0为修正系数。
例如，向左前方转向时D＝0.8m、VR＝5.2Km/h、VL＝4.8Km/h、k0＝1，通过上述算法可获知：Ω0＝0.11rad/s。
第四步，判断目标横摆角速度Ω0是否大于电动轮椅横摆角速度最大允许值Ωmax(步骤S405)。具体地，电动轮椅横摆角速度最大允许值Ωmax是根据电动轮椅产品的乘坐舒适性、安全性和操纵的平顺性等评价指标预先设定的。
本实施例中，如果目标横摆角速度Ω0不大于电动轮椅横摆角速度最大允许值Ωmax，说明按照轮椅使用者的操作执行，电动轮椅能够保证乘坐舒适性、安全性和操纵的平顺性,执行步骤S411；
如果目标横摆角速度Ω0不大于电动轮椅横摆角速度最大允许值Ωmax，按照轮椅使用者的操作执行，不能能够保证乘坐舒适性、安全性和操纵的平顺性，需要控制器主动控制电动轮椅的姿态，使目标横摆角速度在合理的范围内，执行步骤S406，Ω0＝Ωmax。
第五步，按照目标车速V0、Ω0＝Ωmax计算电动轮椅允许的最大转弯半径Rmax(步骤S407、)。具体地，Rmax计算方法参考上述第二步、第三步的方法。
第六步，按照目标车速V0、电动轮椅允许的最大转弯半径Rmax，计算左、右轮轮速VR1、VL1(步骤S408)。具体地，在已知转弯半径和车速下，右驱动轮轮速、左驱动轮轮速按照上述第二步的计算方法。
第七步，按照步骤S408，计算左、右轮轮速VR1、VL1控制左驱动电机5、右驱动电机6，实现电动轮椅的行驶及转向。

Claims (9)

1.一种电动轮椅行驶控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用者操纵手柄，通过轮椅的轮速传感器，计算当前车速、目标车速、目标转弯半径，进一步计算得到为达到目标车速及转弯半径需要控制的左右轮驱动电机的转速，即左、右驱动轮轮速；
(2)根据目标左、右轮驱动电机的转速，计算目标横摆角速度；
(3)判断目标横摆角速度是否大于电动轮椅横摆角速度最大允许值；如果目标横摆角速度不大于电动轮椅横摆角速度最大允许值，按照操纵手柄的指令控制轮椅的方向和转角；如果目标横摆角速度大于电动轮椅横摆角速度最大允许值，则控制轮椅的转角，使当前横摆角速度等于横摆角速度最大允许值，并计算除最大允许的转弯半径，及在该转弯半径和当前车速下左、右轮驱动电机的转速，即左、右驱动轮轮速；
(4)控制器根据上述计算的左、右轮驱动电机的转速，控制左、右两个驱动电机，实现电动轮椅的转向和行驶的方向及大小。
2.根据权利要求1所述的电动轮椅行驶控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的横摆角速度根据下述公式计算：
Ω0＝k0×(VR-VL)/D
其中，Ω0为横摆角速度；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k0为修正系数。
3.根据权利要求1所述的电动轮椅行驶控制方法，其特征在于，所述步骤(1)和(3)的转弯半径是根据下述公式计算的：
R0＝k0×D×(VR+VL)/2/(VR-VL)
其中，R0为转弯半径；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k1为修正系数。
4.根据权利要求1所述的电动轮椅行驶控制方法，其特征在于，所述步骤(3)的右驱动轮轮速、左驱动轮轮速是根据下述公式计算的：
R0＝k0×D×(VR+VL)/2/(VR-VL)
V0＝(VR+VL)/2
其中，R0为转弯半径；V0为目标车速；VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速；D为左驱动轮与右驱动轮的轮距；k1为修正系数。
5.一种电动轮椅行驶控制系统，其特征在于，用于实现权利要求1～4任一项所述的控制方法，包括：
操控手柄，用于控制电动轮椅前进或倒退的方向及速度，以及转向的方向及转弯半径；
轮速传感器，包括左轮轮速传感器、右轮轮速传感器，分别安装在对应的驱动轮上，用于测量当前轮速，并传递给轮椅控制器；
驱动电机，包括左轮驱动电机、右驱动电机，用于驱动电动轮椅行驶；
轮椅控制器，用于获得操控手柄、轮速传感器的信号，根据预先编制的控制策略，对驱动电机转速进行控制，并通过左轮驱动电机、右轮驱动电机之间的差速，控制电动轮椅转向。
6.根据权利要求5所述的电动轮椅行驶控制系统，其特征在于，操纵手柄对电动轮椅可以完成下述控制：
(1)单独控制前进或后退的行驶方向及速度；
(2)单独控制转向的方向及转弯半径；
(3)同时开展前进或后退的行驶方向及速度，及转向的方向及转弯半径。
7.根据权利要求5所述的电动轮椅行驶控制系统，其特征在于，操纵手柄对轮椅的控制可以为下述两种形式：
(1)开关量手柄，只输出控制的方向；
(2)模拟量或总线型手柄，能够同时输出控制的方向及控制手柄的百分比。
8.根据权利要求7所述的电动轮椅行驶控制系统，其特征在于，操纵手柄为开关量手柄时，控制轮椅的转向方向或行驶方向，是手柄直接输出开关量获得的；目标行驶速度或转弯半径的大小，是根据操控手柄在该位置的时间计算的。操控手柄在该位置时间越长，目标行驶速度或转弯半径的值越大。
9.根据权利要求5所述的电动轮椅行驶控制系统，其特征在于，左轮驱动电机、右轮驱动电机控制电动轮椅的转向包括：
(1)VL＝VR，电动轮椅直线行驶；
(2)VL＞VR，电动轮椅前进时向右转向，电动轮椅倒退时向左转向；
(3)VL＜VR，电动轮椅前进时向左转向，电动轮椅倒退时向右转向；
其中，VR为左驱动轮轮速；VL为右驱动轮轮速。
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