【《多功能助老代步车控制系统设计分析案例》5400字】

多功能助老代步车控制系统设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u17471多功能助老代步车控制系统设计分析案例 [22]：（1）利用Arduino开发板开发项目时，不必像单片机一样需设计硬件以及制作PCB版，它在硬件部分的设计不需要太多考虑，只需按照所需功能选择相应的Arduino开发板以及拓展版来组成最终所需的硬件系统。（2）使用该开发板时，只需清楚其上各端口的作用，不需深入了解其内部以及硬件的结构，只需利用C语言就可编写程序。（3）编程语言指令简单，使用者稍了解相关知识后便可轻松上手。（4）Arduino主要特别之处是开源，所以使用者利用相关的库函数甚至是样例程序可以较为高效的实现任务目标。（5）ArduinoIED作为Arduino的主要开发工具，操作简单，易学习。操作界面如图3-5。本控制系统将用Arduino系列主板中的mega2560开发板，如图3-6所示。该开发板共有54路数字输入输出，有串口(Serial)、外部中断(externalInterrupts)、脉冲调制(PWM)等，外部中断引脚为2、3、18、19、20、21，PWM引脚为2—13口，44—46口。图3-5ArduinoIED操作界面图3-6所选控制主板ArduinoMega2560开发板的基本参数如表3-4所示表3-4控制主板部分规格参数控制器ATmega2560工作电压5V输入电压7-12V（推荐）/6-20V（限制）数字I/O端口54（14个PWM输入口）模拟输入端口16频率16MHz1.2.4遥控模块在实现可远程召唤多功能助老代步车的功能上，即可无线遥控车体的移动，考虑有多种无线遥控的方式，因此做出以下方案比较：因本课题所设计的装置的工作环境设为空间并不大的室内，因此选用短距离无线通信方式。短距离的遥控有以下几种方式：（1）ZigBee技术、（2）WIFI、（3）蓝牙、（4）无线USB（wirelessUSB）。ZigBee技术在低速率无线个人局域网中应用广泛。WIFI与蓝牙的应用也很广，性能较好的设备无线传输距离甚至可达100米，但是其需要一个系统平台以及开发相应的应用程序。无线USB在日常生活中体现于无线鼠标、无线遥控手柄等。本课题对多功能助老代步车的控制主要基于Arduino控制主板，所以选用的无线控制方式为基于2.4G技术的PS2遥控手柄，通过该手柄进行无线控制，以证明可远程召唤多功能助老车功能的可性，PS2遥控接收器如图3-7所示。图3-7PS2无线接收器3-8接收器引脚该通讯装置由手柄和接收器组成。使用方式为将无线接收器与主板对应接口连接，通过无线遥控手柄发送按键信号，接受器接受到通讯信号后输入到开发主板，主板将该信息经过解析处理后，将处理结果传递给驱动模组，使驱动系统完成对应的动作。接收器的引脚输出如图3-8所示1.2.5避障模块避障模块的主要作用是当使用者操作多功能助老代步车移动时，避障模组会对车体行驶路线上存在的物体实时监测，当检测到障碍物时，将信息反馈主控制板，控制板解析信息数据并使装置作出避障动作，达到避障的效果。本设计采用的是E18D80NK光电传感器，如图3-8所示。该传感器通过发射红外线并进行自行接受，最远可测0.8m，还可以调节置于传感器后的旋钮改变检测距离。图3-8E18D80NK光电传感器该硬件有三个接线，分别为VCC引脚（接5V电源）、GND引脚以及输出引脚，其中，输出引脚输出高低电平的信号，当探测到前方有障碍物出现时，信号会转变成低电平。1.3麦克纳姆轮系控制电路1.1.1硬件电路图3-9麦轮驱动底盘电气原理图该控制电路中，控制主板接收来自上位机的信号，对驱动电机进行控制，具体的电气原理图如图3-9所示。控制电路内容如下：多功能助老代步车上电启动后，降压模块将蓄电池提供的24V直流电压转换为12V的稳定直流电压为Arduino控制板供电，同时，蓄电池以24V稳定直流电压为四个电机供电。随后，开发板进行数据初始化，分配于各驱动电机PWM引脚初始化电机的转速为0，再利用转向引脚将电机转向初始化，最终利用开发板给各个驱动电机分配的PWM引脚以及转向引脚分别对四个驱动电机的转速和正反转进行控制，实现车体的全方位移动。1.1.2麦克纳姆轮底盘运动学模型为了更好的控制代步车的移动，要对所采用的麦克纳姆轮移动底盘建立正逆运动学数学模型。该数学模型将以麦轮底盘的布局为依据，建立坐标，如图3-10所示。以底盘中心为原点，x、y轴方向为图中所示，以逆时针旋转方向为正方向。图3-10麦轮底盘坐标系图3-11麦轮1速度分解首先在Oxy坐标系内，将位于第一象限内的麦轮设为麦轮1，按逆时针方向，二三四象限内的麦轮一次为麦轮2、麦轮3、麦轮4，设对应麦轮的线速度为、、、，角速度为、、、，相邻的两个麦轮组的轴间距是L，两个麦轮之间的距离是，麦轮半径是R，麦轮底盘的速度为、、。可通过计算麦轮的速度特性，设为麦轮轮心与麦轮辊子中心的相对速度。对于整个驱动底盘，可以求解出各个麦轮与车整体的速度关系，算出各个麦轮的、。以麦轮1为例，如图3-11。(215)当单独去考虑每一个麦轮时，可得到以下方程组：(216)整体考虑时，可解出各个麦轮与车底盘速度单独关系，算出每个麦轮的、：(217)整理以上方程组，可得到麦轮底盘的正、逆运动学方程：(218)(219)1.1.3控制代码流程用MEGA2560主板编写驱动底盘代码流程图如图3-12,。控制代码编写环境ArduinoIDE简洁明了，主要分为两个函数，分别为voidsetup()和voidloop()，其中第一个函数在开机时执行一遍，第二个函数会在其后无限循环。根据这一特性，对于驱动电机控制的初始化内容编写至setup()函数中，loop()函数中编写对上位机信号的处理以及对电机的控制程序。初始化初始化串口参数电机参数变量判断串口缓存是否为空接受串口数据数据处理，得到四个电机转速矢量输出电机转速是否图3-12驱动底盘程序流程图1.4辅助起立装置控制电路该控制电路主要功能是接受来自的控制按钮的信号数据，经过Arduino主板解析后，将结果传输至电动推杆驱动模块，使电动推杆完成相应的动作。控制原理图如图3-13所示。图3-13电动推杆驱动器电气原理图系统上电后，电源以24V直流电压给电动推杆供电，同样以经降压后12V稳定的直流电压给Arduino控制主板供电。1.5避障系统控制电路避障系统通过光电传感器对代步车路线上存在的障碍物进行实时探测，当发现存在障碍物时，将探测信号传输至开发板，控制车体避开，保证使用者安全。该光电避障传感器的控制需要电源供电，以及输出端口与Arduino控制主板的I/O口连接，初始状态该端口为高电平，当避