CN117234069A - 一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，属于轮椅控制技术领域，包括依次通信连接的实时检测模块、PID控制模块、控制策略模块和轮椅控制模块；控制策略模块用于生成控制策略；包括以下步骤：依据当前坡道角度的等级映射出轮椅座椅的目标姿态区间；依据目标姿态调整当前轮椅座椅的姿态并映射出轮椅行驶速度的目标速度区间；依据目标速度区间调整当前轮椅座椅的行驶速度；行驶过程中检测轮椅的实际的姿态和速度数据，对当前坡度映射的目标姿态区间和目标速度区间进行修正；通过实时检测模块监测轮椅的坡度进行自动化调控。本发明根据不同的坡道角度对轮椅运行状态调整，满足了用户的速度需求，提升了座椅的舒适度。

Description

一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统

技术领域

本发明属于轮椅控制技术领域，具体涉及一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统。

背景技术

电动轮椅为老年人和残障人士等自主运动能力丧失的人群提供了性能更加优越的代步工具，可实现上下楼梯以及爬坡等功能，以此来改善其生活质量和生活自由度，然而在实际的应用过程中，电动轮椅上下坡与马达动力有很大的联系。目前市场上的轮椅当马力动力不足时，如果负载超过限制或电池电量不足，则上坡时会显得格外费力。轮椅上下坡的速度根据挡位不同，对应不同的速度，大多数厂家的轮椅挡位速度设定后不能根据坡度不同改变行驶速度。

因此，亟需提供一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，通过对轮椅在爬坡过程中的运行状态调控，实现轮椅行驶速度以及座椅姿态的自适应调整，从而满足用户的行驶速度需求以及舒适度。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，通过对轮椅在爬坡过程中的运行状态调控，实现轮椅行驶速度以及座椅姿态的自适应调整，满足了用户的行驶速度需求以及舒适度，同时优化了能耗，降低电池的消耗，延长轮椅的续航里程。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，包括依次通信连接的实时检测模块、PID控制模块、控制策略模块和轮椅控制模块；

所述控制策略模块，用于通过实时检测模块和PID控制模块结合生成控制策略；所述控制策略包括以下步骤：

S1、通过实时检测模块获取坡道角度，依据当前坡道角度的等级映射出轮椅座椅的目标姿态区间；

S2、依据目标姿态区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的姿态，根据调整后的座椅姿态映射出轮椅行驶速度的目标速度区间；

S3、依据目标速度区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的行驶速度；

S4、行驶过程中检测人工通过推杆调整轮椅的姿态和速度数据，完成当前坡度行驶作业后依据检测的姿态和速度数据对当前坡度映射的目标姿态区间和目标速度区间进行修正；

S5、通过实时检测模块监测轮椅的坡度变化，当轮椅当前的坡度等级发生变化时依据修正过的目标姿态区间和目标速度区间对轮椅的运行状态进行自动化调控；

所述目标姿态区间和目标速度区间进行修正包括：

对于用户的提速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行增大，缩小区间范围从而自适应用户的需求；对于用户的降速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行减小，增大区间范围从而自适应用户的需求；在提速修正过程中对于区间的最大值固定不变，增大最小值缩小区间范围，同时设置区间预留值，修正到预留值范围时停止修正。

作为本发明的一种优选技术方案，所述实时检测模块，用于实时检测坡道角度、轮椅座椅姿态和轮椅速度，获取当前坡度、当前角度和当前速度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轮椅控制模块，用于根据所述控制策略调整轮椅在坡道上的行驶速度和座椅姿态；所述轮椅控制模块，设置有用于调整速度的若干档位和座椅姿态调整的推杆。

作为本发明的一种优选技术方案，所述PID控制模块，用于将当前姿态和当前速度输入PID控制器计算出控制量，调整座椅姿态和行驶速度达到目标值；其中目标值包括轮椅座椅的目标姿态和轮椅行驶的目标速度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述坡道角度包括第一级坡道角度、第二级坡道角度和第三级坡道角度，所述目标姿态对应坡道角度进行设置，第一级坡道角度对应第一目标姿态，第二级坡道角度对应第二目标姿态以及第三级坡道角度对应第三目标姿态。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一级坡道角度小于10度，所述第二级坡道角度大于等于10度且小于等于15度，所述第三级坡道角度大于15度。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S2中，PID控制模块根据当前姿态和目标姿态计算轮椅姿态控制量并调整座椅姿态，包括如下步骤：

S21、获取当前姿态和目标姿态；

S22、将目标姿态减去当前姿态，获取姿态误差值；

S23、将姿态误差值乘以比例参数，获取姿态比例项数值；

S24、将姿态误差值进行累积并乘以积分参数，获取姿态积分项数值；

S25、计算当前姿态误差值与上一次姿态误差值的差值，并乘以微分参数，获取姿态微分项数值；

S26、将姿态比例项数值、姿态积分项数值和姿态微分项数值相加，获取姿态调整量，将姿态调整量转换成座椅高度值和角度值；

S27、根据座椅高度值和角度值生成轮椅座椅的控制信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中，PID控制器根据当前速度和目标速度计算轮椅速度控制量并调整轮椅行驶速度，包括如下步骤：

S31、获取当前速度和目标速度；

S32、将目标速度减去当前速度，获取速度误差值；

S33、将速度误差值乘以比例参数，获取速度比例项数值；

S34、将速度误差值进行累积并乘以积分参数，获取速度积分项数值；

S35、计算当前速度误差值与上一次速度误差值的差值，并乘以微分参数，获取速度微分项数值；

S36、将速度比例项数值、速度积分项数值和速度微分项数值相加，获取速度调整量并生成速度控制信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述轮椅包括控制板，所述控制板内嵌有用于检测坡道角度和轮椅姿态的传感器；

所述轮椅还包括用于控制所述行驶速度的直流无刷轮毂电机；所述轮椅的座椅下方设置有用于调整轮椅姿态和行驶速度的推杆；所述轮椅的座椅下方还设置有角度调整模块，用于调整轮椅座椅的角度。

本发明的有益效果为：

本发明通过实时检测轮椅行驶的坡道角度映射出轮椅座椅的目标姿态，通过PID控制器实现爬坡过程中轮椅座椅姿态的自适应调整，然后依据调整后的座椅姿态映射出对应的轮椅行驶的目标速度，通过PID控制模块自动化调整，从而实现轮椅坡道行驶速度的智能化调控，同时轮椅设置有目标姿态区间和目标速度区间的自适应调整，满足了用户的行驶速度需求以及提升了座椅的舒适度。

本发明根据不同的坡道角度进行轮椅运行状态的调整，提高轮椅在坡道上的稳定性，从而增加使用者的安全性，同时不同坡度的坡道对轮椅的能耗消耗也有影响，通过合理调整轮椅的运行状态，根据坡度的变化来优化能耗，降低电池的消耗，延长轮椅的续航里程；另外通过对座椅高度和角度的调整使轮椅更好地适应坡道的倾斜程度，减少颠簸和不适感，提升使用者的舒适性。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。

请参阅图1，一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，包括依次通信连接的实时检测模块、PID控制模块、控制策略模块和轮椅控制模块；

所述实时检测模块，用于实时检测坡道角度、轮椅座椅姿态和轮椅速度，获取当前坡度、当前角度和当前速度；

所述PID控制模块，用于将所述当前姿态和当前速度输入PID控制器计算出控制量，调整座椅姿态和行驶速度达到目标值；其中目标值包括轮椅座椅的目标姿态和轮椅行驶的目标速度。

可理解的是，当前姿态是指轮椅座椅当前的角度值和高度值，在实际计算时，为方便计算将角度值和高度值通过数学转换或坐标变换转化为一个值进行运算，将座椅的角度和高度目标姿态和目标速度均为区间范围值，在轮椅运行前均已设置完成。

所述控制策略模块，用于通过实时检测模块和PID控制模块结合生成控制策略；

所述轮椅控制模块，用于根据所述控制策略调整轮椅在坡道上的行驶速度和座椅姿态。

其中，将所述坡道角度划分为第一级坡道角度、第二级坡道角度和第三级坡道角度；PID控制器还包括预设的PID参数，PID参数包括比例参数、积分参数和微分参数。

所述轮椅控制模块设置有用于调整速度的若干档位和座椅姿态调整的推杆。

本实施例中，所述轮椅包括控制板，所述控制板内嵌有用于检测坡道角度和轮椅姿态的传感器，如陀螺仪角度芯片。所述轮椅还包括用于控制所述行驶速度的直流无刷轮毂电机。所述轮椅的座椅下方设置有用于调整轮椅姿态和行驶速度的推杆；所述轮椅的座椅下方还设置有角度调整模块，用于调整轮椅座椅的角度。

本实施例中，PID控制器根据当前姿态和目标姿态计算轮椅姿态控制量并调整座椅姿态，具体包括如下步骤：

S21、获取当前姿态和目标姿态；

S22、将目标姿态减去当前姿态，获取姿态误差值；

S23、将姿态误差值乘以比例参数，获取姿态比例项数值；

S24、将姿态误差值进行累积并乘以积分参数，获取姿态积分项数值；

S25、计算当前姿态误差值与上一次姿态误差值的差值，并乘以微分参数，获取姿态微分项数值；

S26、将姿态比例项数值、姿态积分项数值和姿态微分项数值相加，获取姿态调整量，将姿态调整量转换成座椅高度值和角度值。

S27、根据座椅高度值和角度值生成轮椅座椅的控制信号。

可理解的是，为便于计算通过数学转换将当前姿态中的高度值和角度值转换成一个值进行运算，获取姿态的调整量之后通过反向转换获取座椅的高度值和角度值。

需说明的是，目标姿态对应坡道角度进行设置，第一级坡道角度对应第一目标姿态，第二级坡道角度对应第二目标姿态以及第三级坡道角度对应第三目标姿态。本实施例中，所述第一级坡道角度为所述坡道角度小于10度；所述第二级坡道角度为所述坡道角度大于等于10度且小于等于15度；所述第三级坡道角度为所述坡道角度大于15度。

本实施例中，PID控制器根据当前速度和目标速度计算轮椅速度控制量并调整轮椅行驶速度，具体包括如下步骤：

S31、获取当前速度和目标速度；

S32、将目标速度减去当前速度，获取速度误差值；

S33、将速度误差值乘以比例参数，获取速度比例项数值；

S34、将速度误差值进行累积并乘以积分参数，获取速度积分项数值；

S35、计算当前速度误差值与上一次速度误差值的差值，并乘以微分参数，获取速度微分项数值；

S36、将速度比例项数值、速度积分项数值和速度微分项数值相加，获取速度调整量并生成速度控制信号。

本实施例中，若干所述档位包括第一档位、第二档位和第三档位；所述档位还根据所述坡道角度、座椅角度和轮椅侧倾角进行换挡操作。

所述控制策略模块通过实时检测模块和PID控制模块结合生成的控制策略包括以下步骤：

S1、通过实时检测模块获取坡道角度，依据当前坡道角度的等级映射出轮椅座椅的目标姿态区间；

S2、依据目标姿态区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的姿态，根据调整后的座椅姿态映射出轮椅行驶速度的目标速度区间；

S3、依据目标速度区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的行驶速度。

S4、行驶过程中检测人工通过推杆调整轮椅的姿态和速度数据，完成当前坡度行驶作业后依据检测的姿态和速度数据对当前坡度映射的目标姿态区间和目标速度区间进行修正；

具体的，对于用户的提速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行增大，缩小区间范围从而自适应用户的需求；对于用户的降速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行减小，增大区间范围从而自适应用户的需求。需说明的是，为保证轮椅的行驶安全，在提速修正过程中对于区间的最大值固定不变，增大最小值缩小区间范围，同时设置区间预留值，修正到预留值范围时停止修正，避免将最小值修正后等于最大值。

S5、通过实时检测模块监测轮椅的坡度变化，当轮椅当前的坡度等级发生变化时依据修正过的目标姿态区间和目标速度区间对轮椅的运行状态进行自动化调控。

通过坡度角度等级的划分，避免了轮椅运行状态的频繁变化引起的不适，同时更好的满足用户的行驶速度需求以及提高坐姿舒适感。

例如，若当前坡度位于第一级坡道角度时，轮椅调整姿态角度为第一目标姿态角度，轮椅的行驶速度调整为第一目标姿态对应的目标区间内；具体的，当座椅角度调整到0~5度时，轮椅速度调整为1~3档；当座椅角度调整到5~10度时，轮椅速度限制在3档以下；当座椅角度超过10度时，轮椅速度限制在3档以下。

若当前坡度位于第二级坡道角度时，轮椅调整姿态角度为第二目标姿态角度，轮椅的行驶速度调整为第二目标姿态对应的目标区间内；具体的，当座椅角度调整到0~5度时，轮椅速度调整为1~3档；当座椅角度调整到5~10度时，轮椅速度限制在1档速度运行；当座椅角度超过10度时，轮椅速度限制在1档速度运行。

若当前坡度位于第三级坡道角度时，轮椅调整姿态角度为第三目标姿态角度，轮椅的行驶速度调整为第三目标姿态对应的目标区间内，则轮椅停止运行。

可以理解的是，上述实施例中的1档代表轮椅行驶的最低速度，3档代表轮椅行驶的最高速度，具体在实际设置中，真实的速度数据经过厂商测试获得，保证轮椅的安全性。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

本发明通过实时检测轮椅行驶的坡道角度映射出轮椅座椅的目标姿态，通过PID控制器实现爬坡过程中轮椅座椅姿态的自适应调整，然后依据调整后的座椅姿态映射出对应的轮椅行驶的目标速度，通过PID控制模块自动化调整，从而实现轮椅坡道行驶速度的智能化调控，同时轮椅设置有目标姿态区间和目标速度区间的自适应调整，满足了用户的行驶速度需求以及提升了座椅的舒适度。

本发明根据不同的坡道角度进行轮椅运行状态的调整，提高轮椅在坡道上的稳定性，从而增加使用者的安全性，同时不同坡度的坡道对轮椅的能耗消耗也有影响，通过合理调整轮椅的运行状态，根据坡度的变化来优化能耗，降低电池的消耗，延长轮椅的续航里程；另外通过对座椅高度和角度的调整使轮椅更好地适应坡道的倾斜程度，减少颠簸和不适感，提升使用者的舒适性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：包括依次通信连接的实时检测模块、PID控制模块、控制策略模块和轮椅控制模块；

所述控制策略模块，用于通过实时检测模块和PID控制模块结合生成控制策略；所述控制策略包括以下步骤：

S1、通过实时检测模块获取坡道角度，依据当前坡道角度的等级映射出轮椅座椅的目标姿态区间；

S2、依据目标姿态区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的姿态，根据调整后的座椅姿态映射出轮椅行驶速度的目标速度区间；

S3、依据目标速度区间通过PID控制模块，调整当前轮椅座椅的行驶速度；

S4、行驶过程中检测人工通过推杆调整轮椅的姿态和速度数据，完成当前坡度行驶作业后依据检测的姿态和速度数据对当前坡度映射的目标姿态区间和目标速度区间进行修正；

S5、通过实时检测模块监测轮椅的坡度变化，当轮椅当前的坡度等级发生变化时依据修正过的目标姿态区间和目标速度区间对轮椅的运行状态进行自动化调控；

所述目标姿态区间和目标速度区间进行修正包括：

对于用户的提速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行增大，缩小区间范围；对于用户的降速需求通过对目标姿态区间和目标速度区间的最小值进行减小，增大区间范围；在提速修正过程中对于区间的最大值固定不变，增大最小值缩小区间范围，同时设置区间预留值，修正到预留值范围时停止修正。

2.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述实时检测模块，用于实时检测坡道角度、轮椅座椅姿态和轮椅速度，获取当前坡度、当前角度和当前速度。

3.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述轮椅控制模块，用于根据所述控制策略调整轮椅在坡道上的行驶速度和座椅姿态；所述轮椅控制模块，设置有用于调整速度的若干档位和座椅姿态调整的推杆。

4.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述PID控制模块，用于将当前姿态和当前速度输入PID控制器计算出控制量，调整座椅姿态和行驶速度达到目标值；其中目标值包括轮椅座椅的目标姿态和轮椅行驶的目标速度。

5.根据权利要求4所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述坡道角度包括第一级坡道角度、第二级坡道角度和第三级坡道角度，所述目标姿态对应坡道角度进行设置，第一级坡道角度对应第一目标姿态，第二级坡道角度对应第二目标姿态以及第三级坡道角度对应第三目标姿态。

6.根据权利要求5所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述第一级坡道角度小于10度，所述第二级坡道角度大于等于10度且小于等于15度，所述第三级坡道角度大于15度。

7.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述步骤S2中，PID控制模块根据当前姿态和目标姿态计算轮椅姿态控制量并调整座椅姿态，包括如下步骤：

S21、获取当前姿态和目标姿态；

S22、将目标姿态减去当前姿态，获取姿态误差值；

S23、将姿态误差值乘以比例参数，获取姿态比例项数值；

S24、将姿态误差值进行累积并乘以积分参数，获取姿态积分项数值；

S25、计算当前姿态误差值与上一次姿态误差值的差值，并乘以微分参数，获取姿态微分项数值；

S26、将姿态比例项数值、姿态积分项数值和姿态微分项数值相加，获取姿态调整量，将姿态调整量转换成座椅高度值和角度值；

S27、根据座椅高度值和角度值生成轮椅座椅的控制信号。

8.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述步骤S3中，PID控制器根据当前速度和目标速度计算轮椅速度控制量并调整轮椅行驶速度，包括如下步骤：

S31、获取当前速度和目标速度；

S32、将目标速度减去当前速度，获取速度误差值；

S33、将速度误差值乘以比例参数，获取速度比例项数值；

S34、将速度误差值进行累积并乘以积分参数，获取速度积分项数值；

S35、计算当前速度误差值与上一次速度误差值的差值，并乘以微分参数，获取速度微分项数值；

S36、将速度比例项数值、速度积分项数值和速度微分项数值相加，获取速度调整量并生成速度控制信号。

9.根据权利要求1所述的一种轮椅的坡道行驶速度智能控制系统，其特征在于：所述轮椅包括控制板，所述控制板内嵌有用于检测坡道角度和轮椅姿态的传感器；

所述轮椅还包括用于控制所述行驶速度的直流无刷轮毂电机；所述轮椅的座椅下方设置有用于调整轮椅姿态和行驶速度的推杆；所述轮椅的座椅下方还设置有角度调整模块，用于调整轮椅座椅的角度。