（光学工程专业论文）电动代步车操纵控制系统的研究与开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 近年来，随着人口老龄化问题日益突出和清洁能源、绿色环境要求越来越高， 为老年人的生活提供通行便利的电动代步车产品受到了国内外的极大关注。作为 整个电动代步车开发项目的子系统，操纵控制系统是电动代步车中主要的人机交 互窗口，起到操纵、接收、处理并反馈人机信息的重要作用。因此电动代步车操 纵控制系统的研究开发具有重要现实意义和实用价值。 笔者通过市场调研、参阅国内外文献和相关发明专利、学术论文及法律法规 等多种途径，结合研究室新型电动代步车的实际开发要求，研究开发了相应的操 纵控制系统。本文以d s p i c 3 0 f 5 0 1 1 为核心处理器，进行了操纵控制器的硬件设计 与软件开发，采用板载c a n 控制器模块与电机驱动控制器进行了双向通信。并且 应用人机工程学的相关理论，对操显装置进行了概念设计，使电动代步车的研究 开发朝着规范性和技术可操作性方向有了进一步发展。具体研究内容如下： 分析了国内外电动代步车及其操纵控制系统的发展现状。 在研究国内外电动代步车技术现状的基础上，根据课题小组承担的新型电 动代步车的整体结构要求，详细介绍了操纵控制系统的整体框架和功能设计方案， 包括操纵控制器的开发和操显装置的设计。 根据新型电动代步车要实现的操纵要求，同时参照电动代步车相关技术法 规，对操纵控制器进行了硬件设计和软件开发。硬件设计包括操纵控制器的电路 原理图设计和p c b 板的制作、相关电子元器件的选购、焊装以及硬件调试和分析。 软件开发包括液晶显示模块、传感器的a d 采样模块、各种开关量输入模块等程 序开发，以及c a n 通信程序设计。并对系统进行了通信调试。 进行了操纵控制器的相关试验，验证了设计方案的可行性。 对电动代步车操显装置进行了分析与设计。操显装置的设计包括操纵装置 和显示装置的设计以及它们之间的协调设计等，涉及到人机工程学的相关理论。 即从老年人的生理、心理特点出发，通过合理分析，使操纵控制系统达到操作简 单、功能齐全、安全可靠、美观宜人的要求。最后以工业造型设计软件r h i n o3 d 为平台，结合人机工程学等边缘交叉学科知识，对操显装置部分进行了概念设计。 上述研究工作对电动代步车的开发具有现实意义，取得了一定效果并达到了 预期目标，为电动代步车的产品化打下了一定基础。最后，本文提出了进一步改 进措施和研究展望。 关键词：电动代步车，操纵控制系统，d s p i c 3 0 f 5 0 1 1 ，c a n 总线，人机工程 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t hw o r l d w i d ea g i n go fp o p u l a t i o na n de n v i r o n m e n t a n de n e r g yi s s u e sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ，t h ee l e c t r i cs c o o t e r sw h i c h f a c i l i t a t el i f ef o rt h ee l d e r l ya r eo fg r e a tc o n c e r n e db o t ha th o m ea n da b r o a d i n t h i sp a p e r , a sas u b s y s t e mo ft h ee l e c t r i cs c o o t e rp r o j e c t ，t h eo p e r a t i o nc o n t r o ls y s - t e r ni st h em a i nw i n d o w so ft h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，p l a y i n gr o l e so fm a n i p - u l a t i o n ，r e c e i v e ，p r o c e s s i n ga n df e e d b a c k s o ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo p e r a t - i o nc o n t r o ls y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e 1 1 1 ea u t h o rh a sd e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n go p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，b ym e a n so f m a r k e t r e s e a r c h i n g a n dr e f e r e n c eo fd o m e s t i ca n df o r e i g n l i t e r a t u r e ，a c a d e m i c p a p e r s ，p a t e n t sa n dr e l a t e dl a w sa n dr e g u l a t i o n s ，c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s o ft h en e we l e c t r i cs c o o t e ri nt h el a b t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eo p e r a t i o n c o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e dw i t hac o r ep r o c e s s o ro fd s p i c 3 0 f 5 011 ，a n dat w o - w a y c o m m u n i c a t i o nu s i n go n b o a r dc a nm o d u l eh a sb e e nr e a l i z e dc o m m u n i c a t i n gw i 廿lt h e m o t o rd r i v ec o n t r o l l e r b e s i d e s ，t h em a n i p u l a t i o nd e v i c e sh a v eb e e np r e - d e s i g n e di n a c c o r d a n c e 谢t ht h er e v e v a n te r g o n o m i c st h e o r y , w h i c he n a b l e st h ee l e c t r i cs c o o t e r f u r t h e rd e v e l o p m e n tt o w a r d ss t a n d a r d i z a t i o na n dm a n e u v e r a b i l i t y t h em a i nr e s e a r c h c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： b ya n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h et e c h n o l o g ya n ds t a t e so fe l e c t r i cs c o o t e ra n d t h e o p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e ma th o m ea n da b r o a d ，t h ea u t h o rp r o p o s e san u m b e ro f i m p r o v e m e n tm e a s u r e s b a s eo nt h es y u d yo fe l e c t r i cs c o o t e ra th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h e w h o l es t r u c t u r er e q u i r e m e n t so ft h es u b j e c tg r o u p ，t h ea u t h o rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h e w h o l ef r a m e w o r ka n dt h ef u n c t i o n sd e s i g n ，i n c l u d i n gt h eo p e r a t i o nc o n t r o l l e ra n dt h e m a n i p u l a t i o nd e v i c e s a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o lf u n c t i o nt o a c h i e v e ，a n dr e f e r i n g t h ee l e c t r i c s c o o t e r - r e l a t e dt e c h n i c a lr e g u l a t i o n s ，t h ea u t h o rc a r r y so u tt h ep a r a m e t e r sd e s i g n ，a n d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h e o p e r a t i o n c o n t r o l l e r h a r d w a r e d e v e l o p m e n ti n c l u d i n gc i r c u i t s c h e m a t i ca n dp c bd e s i g n ，e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s r e l a t e dt op u r c h a s ea n d a s s e m b l ya sw e l la sh a r d w a r ed e b u g g i n ga n da n a l y s i s s o f t w a r e d e v e l o p m e n ti n c l u d i n gl c dm o d u l e ，a dm o d u l e ，k e y b o a r da n dv a r i o u ss w i t c h e s p r o g r a md e v e l o p m e n t ，a sw e l la st h ed e s i g no fc a n c o m m u n i c a t i o np r o g r a m 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 c a r r y o u tt h ee x p e r i m e n to ft h eo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a n dv e r i t yt h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m h a v i n ga n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gt h em a n i p u l a t i o nd e v i c e so fe l e c t r i cs c o o t e r m a n i p u l a t i o n d e v i c e sr e l a t ew i t ha e s t h e t i c st h e o r ya n de r g o n o m i c sk n o w l e d g e ， i n c l u d i n gt h ec o n t r o ld e v i c e a n dd i s p l a yd e v i c ed e s i g na n dt h ec o o r d i n a t i o nd e s i g n b e t w e e nt h et w o t h e s ed e s i g n ss t a r tf r o mt h e e l d l yp h y s i c a l ，p s y c h o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds t r i v et oa c h i e v et h em a n i p u l a t i o nr e q u i r e m e n t so fs i m p l e ，f u n c t i o n a l ， s a f e ，r e l i a b l e ，a t t r a c t i v e a n dp l e a s a n t ，w i t h e r g o n o m i c s r e l a t e dt h e o r y , p r o v i d i n g a t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e q u e s tt om e e tt h ee l d e r l yc o m f o r tc o n t r o l ，s e c u r i t ya n d c o n v e n i e n c e f i n a l l y , 谢廿lr h i n o3 dd e s i g ns 0 1 c a r e ，c o m b i n i n gw i t he r g o n o m i c s k n o w l e d g e ，t h ea u t h o rc a r r y so u tt h ec o n c e p t u a ld e s i g no fm a n i p u l a t i o nd e v i c e s ，a n d e x p l o r e st h ei s s u e si nt h ed e s i g np r o c e s s t h ea b o v es t u d yo nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cs c o o t e rh a sap r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ， a n da c h i e v e sac e r t a i ne f f e c ta n de x p e c t e dg o a l ，w h i c hl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o rf u t u r e p r o d u c td e s i g n f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e ss o m ei m p r o v e i n gm e a s u r e sa n df u r t h e r o u t l o o k k e y w o r d s s e l e c t r i cs c o o t e r , o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d s p i c 3 0 f 5 0 11 ，c a nb u s ， e r g o n o m i c s i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的丕鱼士学位论文立边丛堂参赞：地! 塑墨立丝生堑 洫盔盈五& 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：梅一弓 导师签名： 签字日期：私弦7 占； 签字日期：知7 - y 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的碰士学位论文垒逊盟逝盔篮筮型i j 丞塑幽蚴提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n l ( i ) 在中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学 博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中 国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出 版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据 库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义 务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开 论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 叫年6 月￥日 备注：审核通过的涉密论文不得签署。授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的背景及意义 1 1 1 研究背景 当今社会已经步入老龄化阶段。有关数据表明h 1 ，我国6 0 岁以上的老年人口 已近1 4 4 亿，占总人口的比列达1 1 ，他们在社会生活中所占的比例在逐年提高， 但大多数身体健康状况良好，依然可以从事各种各样的室内外活动和公共活动。 相对于年龄的增长，老年人的活动范围并没有减小，但毕竟岁月不饶人，他们的 身体机能却出现了衰退现象，比如行动不便、体力耐力不足、心肺功能不佳等， 所以老年人需要得到社会更多的关爱和帮助，为老年人的生活通行提供便利的电 动代步车产品近年来受到国内外的极大关注。与普通人力代步车，如自行车、三 轮车相比，电动代步车的优势在于便捷、省力，能够保证老年人的活动空间。同 时，电动代步车不像汽车那样价格高得让普通人承受不起，它拥有合理并让老年 人可以接受的价格，而且不需要参加专门的驾驶培训，自行学会控制即可上路。 电动代步车一般设计成三轮或四轮，所具有的稳定性会更加适合老年人休闲代步 用晗3 。由此可见，电动代步车是结合老年人自身特点而设计出的一种方便、快捷、 节能、环保的代步工具，因其具有零污染、噪声低、结构简单、操作简易的特征 而倍受人们的青睐。 本文提出的电动代步车是电动车市场的一个新型领域，在结构和功能上与电 动车尤其是电动自行车有一些相似，可把电动自行车的相关技术条件作为研究参 照。然而相对于传统意义上作为残障人士用的辅助器械而言，又具有很大区别， 尤其是外观造型方面。电动代步车研究设计的目标人群，主要是广大的普通老年 人。因此，与电动自行车相比，要求其操作符合一般老年人的生理和心理特点， 要具有更高的安全性和保护性；而与作为医疗器械的电动车相比，要求通过外观 造型、色彩设计等消除老年人电动代步车只是供残障人士使用的概念。这样的设 计可以拓宽产品的消费群体，以休闲代步为主要功能的城市个体交通工具的形象 为市场所认可。 1 1 2 研究目的和意义 作为新一代休闲代步工具，电动代步车具有很大的市场潜力。根据重庆大学 与d a i s h i n 公司的产学研合作协议，联合开发新型电动代步车。 电动代步车操纵控制系统是数字信号控制技术、现代电力电子技术和人机工 程学原理相结合的产物婚1 。在分析现有电动代步车智能操纵控制系统的基础上，拓 宽技术应用范围，充分发挥现有技术和试验条件，结合课题组的项目进度，进一 重庆大学硕士学位论文1 绪论 步加快操纵控制系统的开发，为新型电动代步车的产品化打下坚实的基础。 电动代步车的使用者一般是特定的人群老年人或轻度残疾患者。他们的 心态往往是不服老、并对医疗形象的刻意设计没有认同感，在行动上往往反应较 慢，缺乏自我保护能力。所以需要这么一种个体代步工具，在操纵上简单方便、 安全可靠，并具有人性化的设计，使老年人能根据车况运用自如，减少不必要的 操作失误；在造型上应符合人体工程学设计，还要符合老年人的审美情趣。本文 针对上述特点来研究开发电动代步车操纵控制系统具有重要现实意义和实用价 值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电动代步车国内外发展现状 从源头上看，电动代步车是作为电动轮椅车的衍生产品，于上世纪七、八十 年代为应对世界石油短缺、空气污染以及人口不断老龄化的形势而逐步发展起来 的。随着电动车技术的不断向前发展，现代电动代步车相关技术也有了很大进步， 在结构、功能、材质、安全等方面不断向汽车级方向发展，真正体现了“小鸟虽 小，五脏俱全”的内涵。 国外情况 随着老龄人口的不断增长，欧美、日本等各国政府对社会福利非常重视，属 于行动附具的电动代步车产品数量也在逐年扩大。目前电动代步车领导厂商主要 是欧美医疗器材厂商，如美国p r i d e 、i n v a c a r e 、s u n r i s e 、英国e l e c t r i cm o b i l i t y 等， 均为世界知名电动代步车生产厂商。p r i d e 为全球电动轮椅、升降轮椅和电动代步 车领导大厂，在设计、研发及制造均为业界首屈一指。p r i d e 的电动代步车可分为 旅行用三轮、四轮等种类，销售单价最低在1 5 0 0 美元，最高可达6 0 0 0 美元以上， 在业界中属于单价最高的。p r i d e 产品行销全球，除了美国母公司外，在荷兰、意 大利、法国、英国、西班牙、加拿大、巴西、日本及澳洲也设置营销据点，目前 p r i d e 电动代步车在美国为第一品牌。i n v a c a r e 为全球最早量产无刷电机电动轮椅 和电动代步车的厂商之一，产品种类包含电动轮椅、电动代步车及其他医疗产品 等，由于医疗器材属于较封闭的市场，厂商多半通过医院或医疗中心出售医疗产 品，i n v a c a r e 也不例外，该公司产品销售通路即是通过全球1 万多家医疗中心来销 售的，目标市场也以美国、澳洲、加拿大等社会福利制度较为完善的国家为主， i n v a c a r e 在电动代步车产品上的市场占有率低于大厂p r i d e 及其他中等厂商。s u n r i s e 在轮椅市场上较为著名，其q u i c k i e 、b r e e z y 、g u a r d i a n 为知名品牌。欧美厂商的 品牌虽知名度较高，但人工成本高昂使得售价偏高，若无政府辅助则一般人较无 购买能力，因此多委托日本、韩国及台湾代工生产。日本企业也不甘示弱，雅马 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 哈、铃木、本田、三菱、松下、五十铃等很多厂家也纷纷加入到该领域，推出了 相应的电动代步车产品。另外，电动代步车产品在欧美、日本等国家具有较完善 的测试法规要求，比如符合欧盟c e 、美国f d a 和日本s i s 等认证标准。 通过以上分析，电动代步车产品在欧美、日本等国家是作为医疗器械来定位 的，针对的用户一般是残障人士，由于价格较高，普通老年人还是情愿把私家小 轿车作为出行的首选工具。但近年来老龄人口的持续增加及全球资源的相互整合， 给电动代步车这一绿色产品带来了发展机遇。 国内情况 我国电动代步车的发展参差不齐。就台湾地区来说，号称全球第一大电动代 步车企业必翔( t h es h o p r i d e r ) 实业，从最早的搬运车、小型电动车、越野车，到 1 9 8 9 年研发出世界上第一部供老年人和残疾人使用的四轮电动代步车，逐渐转型 革新，进而成为全球的电动代步车先驱，产品行销全球。另外，台湾厂商在看好 电动代步车前景下，已有超过10 家轮椅厂商投入到电动代步车的生产，并有2 3 家专业厂商成立，原有轮椅大厂均积极跨入电动代步车的生产与销售。台湾较高 的生产水准和较低的人工成本也使其成为欧美o e m 厂商合作的对象。目前，台湾 地区每年生产的电动代步车将近8 0 都销往欧美等国家。 我国大陆人口众多，老年福利制度还不完善，普通人使用的电动代步工具还 主要集中在电动自行车、电动摩托车上，而对象也大多是城市工薪阶层。经济发 达的东部沿海地区的厂商，在生产销售此类电动车的同时，不断引进、吸收消化 外来产品，进而研发和生产属于自主品牌的电动代步车产品，涌现了一些规模较 大的电动代步车厂商，比如北京新日、浙江绿源、金华日普等，其产品也是以出 口为主，内销情况同台湾地区相似，目前销售规模还比较小，在外销上近年来也 出现较大竞争。 具有自主品牌不等于具有自主创新意识。由于电动车行业进入门槛较低，更 多分散的小企业靠低成本、劳动力密集型的生产模式，也只愿做低端外贸市场来 规避风险。全国尚未形成一个强势的电动代步车知名品牌，这就是在国内市场上 很少见到专门营销电动代步车，甚至连医疗器材店也很少见到这种产品的原因。 目前国内对于老年人电动代步车的设计、生产、上路等都还没有统一、明确 的法规规定，界定与管理比较混乱。但就其技术含量、技术指标、尺寸规范，以 及目前大众的观念，老年人电动代步车是作为电动自行车产品系列的细分和丰富， 这与欧美国家电动代步车产品是轮椅车的衍生产品的观念是有区别的。本文对国 内外已有电动代步车和电动自行车应用现状和技术进行了资料整理与归纳，把上 述技术作为本文老年人电动代步车产品化设计开发的重要参考。 我国老年人口数量巨大。可以预见，随着福利制度的不断完善、消费意识的 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 不断增强和政府的大力支持、以及电动车技术的日臻成熟，电动代步车产业在我 国将有非常大的市场发展空间。 1 2 2 电动代步车操纵控制系统发展现状 电动代步车操纵控制系统是机电一体化装置，在电动代步车的操纵控制上有 着举足轻重的作用，比如差速转向技术，就是突破纯机械装置的弊端，将机械和 电子技术相互匹配，协调致，使转向系统功能实现柔性化和智能化。而目前对 电动代步车控制系统研究的重点在于如何突破电机驱动控制器技术及其控制策略 上。 电动代步车和电动自行车一样，控制器技术、电机驱动技术、充电技术以及 蓄电池技术都是关键技术。对控制器来说，国内外有很多研发机构和企业，基本 上是集操纵控制器和电机驱动控制器于一体的形式来设计的。目前，成熟的电动 代步车、电动轮椅的控制器主要来自国外的柯蒂斯c u r t i s 、p g 与d y n a m i c 三 家专业公司，他们研制的控制器具有模块化、多样化、专业化的特点，具有很高 的可靠性、稳定性和灵活性，此类控制器的使用可以大幅提高整车性能。 在我国，节能环保且符合国情的电动自行车、电动助力车、电动摩托车等逐 渐代替入力自行车成为人们的主要代步工具，市场的火爆也拉动了控制器技术的 不断向前发展。近些年来，随着老龄化社会的到来，电动代步车逐渐成为老年人 专门代步工具，具有广阔的市场前景。一些科研机构和电动代步车企业瞄准了这 一市场，积极开发具有自主知识产权的电动代步车控制器，但基本上是在国外控 制器的控制模型基础上的再研究。比如武汉智侬高科技开发有限公司以武汉大学 的技术团队为核心，专门从事电动代步车控制系统的研发。北京世博永创驱动系 统开发有限公司致力于电动代步车各型电机驱动技术的开发和生产，转化为各种 前沿技术。纵观电动代步车控制器在国内的研究，已经有了很大进步，但还没有形 成龙头规模效应。 具体来讲，电动代步车电控系统设计尚无国标，目前主要参照国家标准草案 与地方标准检测。其主要技术性能参数包括欠压保护、过流保护、刹车断电功能 等。为了保证电动代步车有优良的乘坐性能，控制器还应具有调速功能、温升等 技术性能参数。 另外，人机系统中的操纵装置( 又称操纵器、控制装置、调节装置) 是指通 过人的动作( 直接或间接) 来使机器启动、停止或改变运行状态的各种元件、器 件、部件、机构以及它们的组合等。其基本功能是把操作者的响应输出转换成机 器设备的输入信息，进而控制机器设备的运行状态h 1 。由此可见，作为人机界面的 电动代步车操纵装置部分，主要体现在人适机和机宜人上，即人机工程学在实际 项目的应用上，为“人一机一环境 系统在产品设计上提供理论依据和设计准则。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 目前人机工程学在工业设计中的应用得到了长足的发展，国家也出台了相关标准， 对操纵装置的设计可以做到有章可循。 1 3 本文研究的主要内容和研究方法 1 3 1 研究主要内容 本文作为电动代步车开发项目的一部分，主要研究内容如下： 分析了国内外电动代步车及其操纵控制系统的发展状况。 在研究国内外电动代步车技术现状的基础上，根据课题小组承担的新型电 动代步车的整体结构要求，详细介绍了操纵控制系统的整体框架和功能设计方案， 包括操纵控制器的设计和操显装置的设计。 按照新型电动代步车要实现的操纵要求，同时参考电动代步车安全技术 条件( s n 厂r1 6 5 8 2 0 0 5 ) 、电动自行车通用技术条件( g b1 7 7 6 1 1 9 9 9 ) 等国家 技术法规，除实现操纵控制器基本功能( 即限速、调速、制动、转向控制、液晶 实时显示) 外，还要实现诸如座椅升降调节、轴距前后调节等操纵功能，拓宽了 技术应用范围。利用p r o t e l d x p 电子设计自动化工具，采用模块化设计思想， 对操纵控制器硬件电路进行了设计与开发，并且在m p l a bi d e 软件开发环境下， 利用编程工具c 3 0 和调试工具m p l a bi c d 2 进行了软件编程和调试。 在通信部分中，简要分析了c a n 总线技术，并对c a n 通信模块的节点进 行了硬件设计和软件开发。通过该部分的设计，可以实现操纵控制器和电机驱动 控制器之间的实时通信。 对电动代步车操显装置进行了分析与设计。操显装置涉及到人机工程学等 边缘知识，包括操纵装置的设计、显示装置的设计以及它们之间的协调设计等。 即从老年人的生理、心理特点出发，通过合理分析，使操纵控制系统达到操作简 单、功能齐全、安全可靠、美观宜人的要求。最后以工业造型设计软件r h i n o3 d 为平台，结合人机工程学等边缘交叉学科知识，对操显装置部分进行了概念设计。 1 3 2 研究方法 市场调研。了解电动车、轮椅车及电动代步车的的市场现状，相关技术标 准及法律法规。 中外文献参阅。参考了电动代步车相关技术方面的书籍、学术论文、相关 发明专利，并对上述文献资料进行了归纳整理、分类比较。熟悉电动代步车相关 工作原理及功能实现过程。 样车实物研究，进行功能改进。对现有的从日本和美国进口的两台样车进 行分析研究，并提出了一种新型的电动代步车设计方案，并已经申请两项国家发 明专利。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 应用p r o t e ld x p 电子设计自动化工具进行原理图设计，并且在m p l a b i d e 软件开发环境下，利用编程工具c 3 0 和调试工具m p l a bi c d 2 进行了软件编 程和调试。最后利用三维造型软件r h i n o3 d 对电动代步车操显装置进行了设计。 6 重庆大学硕士学位论文2 新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 2 新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 2 1 引言 作为整个电动代步车产品研发项目的一个子项目，本章参考电动车相关领域 的技术法规和要实现的功能，着重从电动代步车及其操纵控制系统的整体结构框 架入手，对操纵控制器和操显装置进行了整体方案设计。 2 2 电动代步车的相关技术标准及定义 美国、欧盟、日本等国家都制定了产品技术认证标准，如美国f d a 、欧盟c e 和日本j i s 等，都有关于电动代步车的认证标准。目前，我国还没有成熟的电动代 步车技术标准和测试法规，只是在电动自行车、机动车及其他电动车辆有关类似 用途的条件基础上，制定了电动代步车安全技术条件( s n f f1 6 5 8 2 0 0 5 ) ，标准 英文名：s a f e t yt e c h n i c a lc o n d i t i o no fe l e c t r i cm e d i c a ls c o o t e r 。按照电动代步车安 全技术条件的定义：电动代步车( e l e c t r i cm e d i c a ls c o o t e r ) 是由电机驱动，用于 休闲代步的三轮、四轮小型车辆。其单人座额定载荷不大于1 0 0 k g ；双入座额定载 荷不大于2 0 0 k g ，电池组标称电压不超过3 6 v 。由此可见，电动代步车产品也定位 在医疗器械范畴，国家是基于出入境检验检疫行业标准制定的。而本文中设计的 电动代步车并不定位于医疗用车，而是作为老年人代步、休闲用途的新型产品。 两者除了以上定位不一样外，在结构和功能上基本一样。 2 3 电动代步车整体结构与原理分析 2 3 1 电动代步车整体结构分析 电动代步车整车结构一般由电池、电机、控制器、充电器和车体等五大部分 组成。蓄电池是电动代步车的动力源。电动机主要完成启动、加速及差速转向等 功能，它将蓄电池的化学能转化为机械能，使车轮转动。控制器对电动代步车的 调速、制动、软启动起控制作用，并控制蓄电池的输出电流、电压，以达到控制 电动机的转速，即车速的目的，设计有欠压、过流等保护功能。充电器用来给蓄 电池进行充电，将交流电转换成直流电并控制电流和电压的大小充入蓄电池储存 起来哺1 。车体是整车的机械骨架，承载人的体重。 本文研究的电动代步车也具有上述结构特点，但在具体结构上还有以下改进： 差速转向技术的应用、轴距可调式底架的设计、悬臂摆动调节机构的设计、以及 座椅升降调节机构的设计等。其整体结构如图2 1 。 7 重庆大学硕士学位论文2 新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 2 3 2 差速转向技术在电动代步车上的应用及原理分析 电子差速转向技术在电动代步车上的应用是操纵控制系统的一大改进。通常电 动轮椅车是利用“j o y s t i c k ”即摇杆并用复杂算法来控制两个独立驱动轮的速度差 以实现转向和方向控制，本文电动代步车就借鉴了电动轮椅车这一控制策略，将 其成功地应用到转向系统上来，取代了完全依靠机械机构来传递力的机械式转向 结构，在两个后驱动轮端各安放一个驱动电机及减速机构，靠驱动电机的速度差 来实现转向，转向半径连续可调，以实现上述控制策略。电动代步车差速转向系 统结构，如图2 2 。 一 l 电机驱动控制系统 图2 2 电动代步车差速转向系统结构 f i g22 t h e d i f f e r e n t i a l - s t e e r e d5 t l u g t t l t eo f e l c e i x i cs c o o t e r 重庆太学硕士学位论文2 新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 从图22 可以看出，差速转向系统在硬件上分为3 个主要部分，转向操纵装置， 包括转向操纵盘、转向角度传感器：主控制器包括电机驱动模块、信号采集模块、 车速检测模块；转向驱动系统包括驱动电机转向驱动轮7 。这三部分形成了传感 器一e c u 一执行器的控制模式。驾乘者控制转向角度，转角传感器响应转角信息，在 系统处理后将信号通过通信装置发送至电机驱动电路使能驱动器令两驱动电机 产生转速差，从而实现车子转向5 。电动代步车差速转向系统用电子柔性连接代替 了传统的转向器与车轮之间的机械刚性连接，也是机电一体化技术的应用体现， 实现了1 + 1 2 的功能。 另外，差速转向的关键技术在于传感技术、控制算法和可靠性问题。电控的 效果依赖于传感信息的采集和反馈精度；如何使一个闭环实时控制系统做出精确 迅速的响应，是控制算法解决转向问题的关键；如何保证差速转向失效的情况下 容错，并仍然能够可靠转向，是差速转向又一关键问题。 233 轴距可调式底架结构在电动代步车上的应用 目前电动代步车产品中，前后轴距较长，一般都在8 0 0 m m 以上，是带有转向 行走轮的户外型电动代步工具。由于轴距较长，在上坡、制动或加速时，不容易 出现倾翻事敲但也带来了转弯半径较大而不利于室内窄小空间运动的弊端。还 有一种就是供残疾人使用的电动轮椅车，轴距一般在6 0 0 m m 以下，带有惰性行走 轮，适合在户内使用，可凭借两个独立的驱动轮的转速差来实现转向，当两个驱 动轮速度相同、转向相反时，还能够通过原地转动来实现转弯，然而在户外上下 坡、制动、加速时却极容易出现倾翻。 瓣森 围2 3 现有代步车防倾轮结构 f i 9 23 t h ea n t i d u m p i n gs h l l c t l l r e o f e x i s t l n gs c o o t g i 现有技术一般是通过加装防倾轮来防止车子倾翻如图2 3 所示。本文的电动 代步车先后采用了直线伸缩式调节机构和回转伸缩式调节机构两种方式，前一种 结构的丝杆和滑套在载荷情况下难以保证直线运动，如图2 4 所示。故本文采用了 重庆大学硕士学位论文2 新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 后一种结构方案( 已获得国家发明专利，“一种电动代步车的底架 ，专利号：z l 2 0 0 7 1 0 0 7 8 4 7 6 7 ) ，结构示意如图2 5 。轴距可调式底架由个摆动调节机构来实现。 摆动调节机构由一调节电机来带动摆臂做前后摆动，往前摆动轴距可以缩短，往 后摆动轴距相应增加。这样的一种结构即可以减小其转弯半径以满足室内小体积 环境的使用要求，又可以提高了室外行驶的稳定性。 图2 4 直线伸缩式轴距调节原理 f i g2 4a d j u s t m e n tp r i n c i p l eo fl i n e a re x t e n s i o n 座椅 支拧扳 乜机 图2 5 回转伸缩式轴距调节原理 f i g2 5a d j u s t m e n tp r i n c i p l eo f r o t a t i o n a le x t e n s i o n 另外，在室内较小空间行驶时，由于老年人操纵反应滞后，在倒车等情况下可 能对障碍物不能有效实时避让，从而发生碰撞等事故，这样就需要倒车雷达来实 时测距以警示老年人，做提前安全预防。新型电动代步车的雷达测距系统可以解 决上述问题，测距功能由本课题组的其他成员来实现。 1 0 重庆大学硕士学位论文2新型电动代步车操纵控制系统整体框架研究与分析 2 3 4 座椅调节机构在电动代步车上的应用 由于人的身高、腿长各异，不同的人对电动代步车的座椅高度有不同要求， 所以座椅应当能够调节。现有的电动代步车座椅调节是滑动具有间隙配合的 上下支撑管，采用人力通过锁销加以固定的。但在需要多人驾乘电动代步车或老 一 r = 10 ) 左转向灯开，右灭 i f ( t u r n 5 ) & & ( t u r n 10 ) ) 左右转向灯都灭 采样后的数字值通过c a n 总线传输给电机驱动控制单元，当其接收到转角信 重庆大学硕士学位论文 3 电动代步车操纵控制器的软硬件设计与开发 号时产生中断，通过比较转角大小与方向的编码值进行电机的差速p i d 闭环控制。 a d 转换流程图如图3 1 4 。 图3 1 4 a d 转换流程 f i g 3 1 4t h ea d c o n v e r s i o np r o c e s s 同样，对2 4 v 蓄电池两端的电压进行采集，采样时通过电阻分压来获得范围 0 - 5 v 的电压信号；调速电位器也输出范围0 - 5 v 的电压信号。状态量的采集是对各 种按键的响应，将按键的状态送入单片机的i o 中，直接读取i o 状态可获得相关 信号。 显示子程序设计 显示子程序实际上就是合理配置液晶驱动控制器h t l 6 2 1 和对其写数据的过 程。h t l 6 2 1 的配置模式称为命令模式，命令模式代码为1 0 0 ：数据模式包括r e a d 、 w r i t e 和r e a d m o d i f v w r j t e 操作。表3 1 3 是h t l 6 2 1 的数据和命令模式 部分操作命令码。 3 2 重庆大学硕士学位论文 3 电动代步车操纵控制器的软硬件设计与开发 表3 1h t l 6 2 1 部分操作命令码 t a b l e3 1t h ep a r to f o p e r a t i o nc o m m a n dc o d eo f h t l 6 2 1 由表3 1 ，可以对必要的命令进行设置，代码如下： # d e f i n eb i a s0 x 5 2l c d1 3 偏压 # d e f i n es y s e no x 0 2 打开系统振荡器 # d e f i n el c d o n0 x 0 6 打开l c d 偏压发生器 # d e f i n eh t l 6 2 1 c s r f 2 # d e f i n es c k r