一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计.docx

一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计相当于世界平均水平1/3的中国，为了更加充分的利用有限的土地资源，居民家用住宅以无电梯的多层建筑为主，然而这就严重限制了老年人和下肢残障人士的自由出行。本着以人为本的价值观念，针对我国人均消费水平较低的基本国情，本文以研制一款小巧轻便、操纵简单、性价比高的平地-楼梯两用轮椅为工作内容。首先根据平地-楼梯两用轮椅的机械尺寸确定爬楼梯机构小轮初始位置角度、轮椅适用的楼梯台阶高度范围及楼梯段转向平台行驶时的速度限制。其次根据平地-楼梯两用轮椅运动学模型验证外界环境感知系统的重要性，通过MATLAB综合比较基于模糊推理的多超声波传感器信息融合技术与基于测量数据在线自适应加权融合的多超声波传感器、红外测距传感器的信息融合技术，利用DSP芯片TMS320F28335实现多传感器数据在线自适应加权融合。然后依据无刷直流电动机的数学模型建立无刷直流电动机控制系统仿真模型，并进一步改进为基于惯量辨识的无刷直流电动机控制系统和带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统，利用模块化的思想完成无刷直流电动机调速系统软件设计。最后针对平地-楼梯两用轮椅伺服系统中双电机同步运行时负载转矩不均衡的现象，研究了一种双电机转矩耦合同步协调控制方法，仿真结果表明模糊-PID双模态控制的控制效果要优于PID控制和模糊PID控制。关键词：平地-楼梯两用轮椅，传感器，无刷直流电动机，模糊控制，同步控制一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计目录m miAbstractII1躲11.1平地-楼梯两用轮椅的研究意义11.2平地-楼梯两用轮椅国内外研究状况21.2.1轮组式爬楼梯轮椅21.2.2履带式爬楼梯轮椅31.2.3复合式爬楼梯轮椅41.3平地-楼梯两用轮椅需要研究的主要问题51.4本文主要工作与内容安排52平地-楼梯两用轮椅方案设计72.1平地-楼梯两用轮椅设计要求72.2平地-楼梯两用轮椅参数分析72.2.1小轮初始位置角度参数分析92.2.2楼梯台阶尺寸参数分析122.2.3楼梯段转向平台参数分析132.3平地-楼梯两用轮椅驱动控制系统方案设计142.4本章小结153外界环境感知系统设计163.1平地-楼梯两用轮椅中传感器的作用163.2传感器的安放与选型173.2.1设计传感器安放位置173.2.2选择传感器类型193.3基于模糊推理原理的多传感器信息融合193.4基于数据在线自适应加权融合的多传感器信息融合213.5软件实现223.5.1红外测距传感器模块233.5.2超声波传感器模块233.5.3多传感器信息融合模块243.5.4系统调试与结果分析263.6本章小结28in硕士论文4驱动控制系统模型建立294.1驱动控制系统建模要求294.1.1载重对转动惯量的影响294.1.2载重对负载转矩的影响304.2基于MATLAB的无刷直流电动机控制系统仿真模型324.2.1BLDCM 模块334.2.2电流滞环控制模块354.2.3仿真结果分析354.3基于转动惯量辨识的无刷直流电动机控制系统364.4带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统394.4.1无刷直流电动机降维负载转矩观测器设计394.4.2仿真结果分析414.5软件实现424.5.1软件设计424.5.2系统调试444.6本章小结465驱动控制系统设计475.1同步协调控制性能指标475.2转矩耦合同步协调控制495.2.1转矩耦合同步协调控制策略495.2.2PID同步协调控制495.2.3模糊PID同步协调控制525.2.4模糊-PID双模态控制565.3本章小结58总结与展望59致 ii6162IV一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计1绪论1.1平地-楼梯两用轮椅的研究意义随着人口的急剧膨胀，人类赖以生存的公共资源越来越少，活动空间越来越小，社会的矛盾也越来越多，首当其冲的就是住房问题。在有限的资源范围内，为了最大程度的利用土地资源，多层建筑已成为当今建筑结构的一大流行趋势。住宅设计规范规定：十二层及十二层以上的住宅，每栋楼设置电梯不应少于两台，其中应设置一台可容纳担架的电梯。然而，由于种种原因，我国现有居民家用住宅仍以无电梯的多层楼房为主，这就给年老体弱者与下肢残障人士带来了诸多不便。截止至2010年11月1日零时止，第六次全国人口普查登记我国大陆地区人口为1339724852人。其中60岁及以上人口为177648705人，占13.26%; 65岁及以上人口为118831709人，占8.87%,如图1.1所示。相比第五次全国人口普查，60岁及以上人口比重上升2.93%，65岁及以上人口比重上升1.91%2。一般认为，65岁及以上人口占总人口超过m或60岁及以上人口占总人口超过10%,则相关国家或地区步入老龄化社会3，4。由于我国老龄化速度过于迅猛，从成年型社会迈入老龄化社会跨越不到20年，据有关机构预测，到21世纪中叶，我国65岁及以上人口比例将高达25%，如图1.2所示。未来很长一段时间内，我国仍将面临人口老龄化的严峻挑战。全国总人口达13.7亿人j 一一 “ 1 3660岁以上.人口（亿人）t-?以1 人口（彳： 人60岁及以上人口比例（56). 27+ 655及以上人口比例（)3 1： 9qLT. 1。65岁及以上人口近 1.19彳Z?人为第一小轮连杆与水平轴间的锐角，则：(9 = 180 -a - (a + a) = 180 - cr -2a(2.3)代入相关数据得，0 = 144.31-2?。根据图2.8所示的几何关系有：sin 0 =(2.4)L6h = L6xsm0(2.5)h = H R(2.6)h2 二 h h(2.7)攀爬过程中两小轮的理想状态为：当第二小轮落地时，第一小轮尚未触及第一级台阶面，且第一小轮连杆不能触碰楼梯边沿。确定小轮初始位置角度最根本的要求是使平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮始终保持理想状态。根据平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮的理想状态对小轮初始位置角度进行如下分析。第一小轮未触及台阶面的理想状态令第一小轮刚触及台阶面的临界状态下，第一小轮连杆与水平轴间锐角为#，如图2.9所示。10一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计Y-Pg0X图2.9第一小轮刚触及台阶面的临界状态为了当第二小轮旋转触地时，第一小轮尚未触及第一级台阶面，必然有：h2 r(2.8)联立式（2.4)?式（2.8),得：sin0H +卜尺(2.9)L6代入相关数据得：沒61.04(2.10)为了使两小轮保持理想状态，式（2.3)中0必须大于。将不等式（2.10)代入式(2-3)得=61.39(2.13)将不等式（2.13)代入式（2.3)得a 41.46。即若想当第二小轮触地时，第一小轮连杆尚未触碰第一级台阶边沿，小轮的初始位置角度必须小于41.46。综上所述，只要小轮初始位置角度小于41.46 ,平地-楼梯两用轮椅攀爬楼梯台阶时两小轮始终保持理想状态，即轮椅始终安全行驶。为了降低攀爬的风险、提高安全性，设定小轮初始位置角度为38。2.2.2楼梯台阶尺寸参数分析表2.1楼梯台阶尺寸国家标准18楼梯类型最小宽度(m)最大高度(m)坡度(。)步距(m)住宅共用楼梯 0.260.17533.940.61幼儿园、小学等 0.260.1529.980.56电影院、商场等 0.280.1629.740.60其他建筑等 0.260.1733.180.60专用疏散楼梯 0.250.1835.750.61服务楼梯、住宅套内楼梯 0.220.2042.270.62表2.1为民用建筑设计准则中规定的楼梯台阶尺寸国家标准。为确保轮椅乘坐者的安全性和舒适性，同时考虑到平地-楼梯两用轮椅主要针对的是居民家用住宅，默认标准的楼梯台阶尺寸如下：宽度260wm，高度175mw，坡度33.94、受轮椅爬楼梯机构的结构尺寸和小轮初始位置角度的限制，平地-楼梯两用轮椅只适用于一定高度范围内的楼梯台阶和障碍物，因此必须核准默认的标准楼梯台阶高度是否适用。以如图2.8所示的平地-楼梯两用轮椅攀爬第一级台阶为例，当小轮初始位置角度设定为38=时，至第二小轮旋转触地止，小轮连杆一共旋转了 76.39、0为68.31、h为1 l.5mm。此时有：h2 = h-h = h-H-R)(2.14)根据平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮理想状态的临界状态对楼梯台阶高度尺寸进行如下分析。12, 一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计第一小轮刚触及台阶面的临界状态第一小轮刚触及台阶面的临界状态如图2.9所示。联立不等式（2.8)和式（2.14)，代入相关数据得/ 181.5mm。即若想当第二小轮触地时，第一小轮尚未触及台阶面，楼梯台阶的高度必须小于181.5ww。第一小轮连杆刚触碰楼梯边沿的临界状态第一小轮连杆刚触碰楼梯边缘的临界状态如图2.10所示。联立式(2.11)和式(2.12)，代入相关数据得M75.42wff7。此时有：H = R + hi(2.15)将hi代入式（2.15)得/I,?，外侧滚轮线速度、角速度分别为和6，转向平台宽度为L。tc-z, 一 - -IJ,z i丄，VI w VB丨DI 丨Q,一j0 图2.11平地-楼梯两用轮椅动力学分析俯视图13一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计1 + 2 = 90(3.4)Ya = L + R , Yb = r + Llx sin(/?-a) + LA(3.5)sin(l) = Jhzh(3.6)Z3联立以上各式可得：Z7xsin|l80-arcsin(今)-or +r -Rm = aicsin/2xL6xcosal (3.7)L3J2 = 90-1(3.8)由式（3.7)和式（3.8)可知，爬楼梯机构中第一、第二连杆的旋转角度与楼梯台阶的高度直接相关，因此在攀爬每一级台阶之前都必须预先获知传感器精确测得的楼梯台阶高度尺寸。3.2传感器的安放与选型为确保轮椅爬楼梯行驶时的安全性，针对平地-楼梯两用轮椅中传感器的主要作用是在启动爬楼梯机构前获知精准的楼梯台阶高度尺寸，需要合理的设计传感器安放位置、选择合适的传感器类型。3.2.1设计传感器安放位置由于在启动平地-楼梯两用轮椅爬楼梯机构前，传感器就必须测量到楼梯台阶的高度尺寸，因此传感器应安放于左右两个前平地滚轮正切面前方一定距离的位置。综合考虑平地-楼梯两用轮椅的外观及尺寸，将传感器安置于图3.2所示的轮椅脚踏板底面。i, C)gSrair Kdgc SensorI图3.2传感器安放位置示意图为了求取楼梯台阶高度尺寸，至少需要两组传感器，外界环境感知系统工作原理如17硕士论文3外界环境感知系统设计受到未知和不确定环境因素的影响，平地-楼梯两用轮椅需要利用传感器收集外界环境相关数据，然后通过一定的控制算法对其进行融合、分析，最后以此作为控制系统正确决策的依据。3.1平地-楼梯两用轮椅中传感器的作用为了确保平地-楼梯两用轮椅在爬楼梯过程中的安全性，爬楼梯机构在每次执行攀爬动作之前，轮椅的控制器都必须预先获知传感器测量到的精确的楼梯台阶高度尺寸。楼梯台阶的高度不仅限制了平地-楼梯两用轮椅的攀爬能力，还与爬楼梯机构中第一、第二连杆驱动电动机的选型密切相关。轮椅下楼过程是上楼过程的逆运动，运动学分析类似，仅以图3.1所示平地-楼梯两用轮椅上楼攀爬第一级台阶的运动过程为例进行说明。图中UL7为轮椅爬楼梯机构中各连杆的几何示意；第一小轮刚触及第一级台阶面时，小轮连杆的旋转角度为/?;小轮初始位置角度为a;第一小轮连杆与水平轴间的锐角为x2;第二小轮连杆与水平轴间的锐角为xl; XI、x2对应的直角边分别为HI、H2;爬楼梯机构第一连杆与水平轴间的锐角为仍；第一连杆与垂直轴间的锐角为沒2。Y个hOX图3.1平地-楼梯两用轮椅攀爬第一级台阶示意图如图3.1所示，第二小轮旋转触地后，两个小轮继续旋转直至第一小轮触及第一级台阶面，此过程中前平地滚轮逐渐被抬升，后平地滚轮始终保持在地面上滚动前进。根据图中几何关系有：x = P- a , x2 = 20 -P -a(3.1)sin(xl) =互sin(x2)=(3.2)LIL6m + H2r = H + r(3.3)16一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计梯机构工作；反之当前平地滚轮离幵台阶在地面上滚动，仅后平地滚轮仍在台阶上时，只有后爬楼梯机构工作。因此前、后爬楼梯机构不能共受同一台电动机驱动，应分别受控于第三、第四电机。第五、第六电机分别控制组合连杆一和组合连杆二，两组合连杆配合实现前平地滚轮的提升。轮椅车身底座下方的水平仪负责检测车体是否水平，位于脚踏板底部的测距传感器负责测量楼梯台阶高度，控制器根据接收到的水平仪信息或台阶高度尺寸，产生控制信号，驱动组合连杆一和组合连杆二，调整其连接角度，保证轮椅车身水平或确保平地-楼梯两用轮椅以最佳状态攀爬楼梯台阶。调速转向手柄负责调整轮椅行驶速度和转向。aB功器后;地浓轮1T第屯机i i仪=7| ：i丨1.1 制“.：；一i 丨 iI 器 .=z|)j ”?!“j1； -.：”“_￥7rmiF iw;组合连奸二图2.12平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统框图2.4本章小结本章首先介绍了平地-楼梯两用轮椅的设计要求，然后根据轮椅爬楼梯机构的工作机理，确定了爬楼梯机构中小轮的初始位置角度、轮椅适用的楼梯台阶高度范围及楼梯段转向平台行驶时内外侧滚轮角速度差的限制。最后简单介绍了平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统。15设计硕士论文根据图2.11所示的几何关系，有：y =(2.16) =(2.17)VW V +v及二上X(2.18)Q 2 Ku, - V,?又由图2.11可知，若想实现轮椅在楼梯段转向平台上的成功转向，转弯半径与半个轮椅车身之和必须小于楼梯段转向平台宽度，即：WR + L(2.19)2联立式（2.18)和式（2.19),可得：VJ(逆(2.20)艮 P:(2.21)由式（2.21)可知，轮椅若想在楼梯段转向平台上成功转向，转向外侧驱动滚轮的角速度与外侧驱动滚轮角速度和内侧驱动滚轮角速度之差必须小于某个定值，该定值与楼梯段转向平台的宽度和轮椅总宽度有关。民用建筑设计通则中规定：梯段转变方向时，扶手转向端处的平台最小宽度不应小于梯段宽度，且不得小于取转向平台宽度为12007，平地-楼梯两用轮椅总宽度W为480/WW,式（2.21)可转化为：2.5(2.22)out -综上所述，平地-楼梯两用轮椅若想在楼梯段转向平台上成功完成转向任务，内外滚轮的角速度必须满足不等式（2.22)。2.3平地-楼梯两用轮椅驱动控制系统方案设计平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统如图2.12所示，由水平仪、测距传感器、调速转向手柄、控制器及执行电机组成，位于轮椅车身座椅下方。平地-楼梯两用轮椅共需使用6台电动机。由于轮椅平地行驶时采用后轮驱动、差速转向，所以后左、后右平地滚轮分别由第一、第二电机控制，为了节省轮椅车身底座有限的空间，可采用轮毂电机。轮椅向上攀爬或向下翻越台阶的过程中，当后平地滚轮仍在地面上滚动时，只有前爬楼14硕士论文图3.3所示。A、B两组传感器均安放于轮椅脚踏板底面上，且二者之间相距一定距离以确保当轮椅接近楼梯台阶边沿时两组传感器的测量结果不同，两组传感器的测量结果分别为11和12。轮椅在平地上行驶时，11、12相等；轮椅快接近楼梯边沿时，11将发生突变，此时11、12之差的绝对值即为所求楼梯台阶高度尺寸。若/1/2,则表明轮椅即将下楼。1！B_,IL11I病病“H! HL_图3.3外界环境感知系统工作原理楼梯台阶高度计算公式如下：H = n-12(3.9)市面上常见的轮椅脚踏板长、宽一般在189aw/w 207/nw和135ww?159ww之间，文中默认轮椅脚踏板尺寸为190?7140/77。为了尽可能扩大传感器测量范围，确保当轮椅接近楼梯台阶边沿时，A、B两组传感器的测量距离不同，将传感器以180m/?xl20wm矩形的形式均勻安置于脚踏板底面上。若每组仅一个传感器，当遇到传感器失灵、损毁等不可逆因素影响时，外界环境感知系统将无法正常工作。因此为确保外界环境感知系统能够时刻正常工作，应使用多个传感器对同一距离进行测量。从降低平地-楼梯两用轮椅价格、提高轮椅外界环境感知能力出发，在传感器安置矩形的长边共安放3个传感器，每个相距60m/w;宽边共安放2个传感器，二者相距60mw，如图3.4所示。以轮椅前进方向将图中传感器1、2、3划分为A组，传感器4、5、6划分为B组。丨 190mm Ir，,脚踏板底面I -(?A I 123|广十-,0 I 4561 法 S图3.4脚踏板底面传感器具体安放示意图18一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计3.2.2选择传感器类型因为平地-楼梯两用轮椅由乘坐者自行操纵，对轮椅导航、避障等功能的要求较低，传感器仅需测量楼梯台阶高度尺寸，所以传感器的选型应从测量量程、精度和性价比三个方面进行考虑。?传感器测量量程由于传感器安放于脚踏板底面，且只用于测量楼梯台阶高度尺寸，因此传感器的测量量程至少要大于楼梯台阶高度值。根据2.2.2小节平地-楼梯两用轮椅适用的楼梯台阶尺寸范围分析可知，轮椅能够攀爬的楼梯台阶高度最大值为181.5_，留取适当余量，则传感器至少需要具备能够测量20cm距离的能力。此外，平地-楼梯两用轮椅的脚踏板最多高出楼梯台阶面5crn，留取适当余量要求传感器的测量量程至少应为3cm20cm。?传感器精度根据楼梯台阶国家标准中台阶高度的规定楼梯台阶，当计量单位为米时台阶高度有效位数为小数点后2位，即Imm，因此综合考虑传感器测量精度至少应为Imm。传感器性价比理论上一次性获取信息量大且直观的视觉类传感器应为最佳选择，但是此类传感器图像处理运算量较大、能耗较高、实时性较差，对光照条件有着较严格的要求19。而且平地-楼梯两用轮椅的外界环境感知系统仅需进行简单的距离测量，所以选用非视觉类专用测距传感器即可。常用的测距传感器有激光测距传感器、红外测距传感器和超声波.测距传感器三种。3种专用测距传感器的性价比如表3.1所示。表3. 3种常用测距传感器性价比传感器类型指向性测量量程价格备注激光测距传感器极