电动轮椅椅面平衡控制系统设计

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近年来，电动轮椅作为残疾人的代步哆，越来越向智能化和人性化方向发威”。目前，国内外对智能轮椅的研究制造水平已能够将环境感知、导航系统、运动控制、能源系统及人机接口集于- 体。虽然其技术含量很高，但价格也很高121。设计-种能够在普通的电动轮椅中普及的平衡控制系统，旨在提高使用者的安全系数和舒适度，降低成本 。普通的轮椅在上坡或者下坡时，轮椅椅面与水平面有-个倾斜角度，使人感到不舒服，由于普通的轮椅不能根据椅面倾斜角度的大小调整轮椅的重心，倾斜角度过大时就有可能发生侧翻的危险H。为了避免这种危险，提高乘坐的舒适度，在椅面的底部安装加速度平衡控制系统，实时检测轮椅椅面的倾斜角度，并驱动步进电机调整椅面至水平。普通的电动轮椅仅是用手动装置对重心调节。因此，电动轮椅设计了-种低成本、高稳定性及重复性好的轮椅椅面平衡控制系统。

2轮椅椅面平衡控制工作原理检测单元是由三轴重力加速度传感器及外围电路组成～检测单元安装在椅面底部的中间位置 ，与椅面-起动作 ，可以实时检测椅面的倾斜角度，如图 1所示。椅面绕 、y轴倾斜时，传感器将检测出倾斜的角度转换为模拟电压，电压值与倾斜角度成线性关系，传给单片机的模数转换端口，单片机计算出使椅面水平所需的脉冲数，由驱动电路驱动步进电机，步进电机带动调整机构，从而实现对椅面倾斜角度的调节。

固定在椅架 E 固定在椅面 E图 1检测单元与调整机构Fig.1 Detection Units and Adjusting Mechanism椅面调整机构设计为三点高副球铰接机构。其中，-点高副球铰接固定，两点高副球铰接可调。在椅面中心线后半部的四分来稿日期：2012-11-27基金项目：国家 863计划资助项目2008AA040205作者简介：张邦成，1972-，男，吉林长春人，博士，教授，主要研究方向：机电检测与控制第9期 张邦成等：电动轮椅椅面平衡控制系统设计 211之-处，用高副球铰接固定在椅架上，球体与轮椅椅面相连，球碗与椅架相连。椅面只能绕这-点作任意方向旋转，不能相对于椅架移动。在椅面中心线前半部的四分之三处的两侧，分别安装-个高副球铰接，球体与轮椅椅面相连，球碗与螺柱相连。这两点由两台步进电机驱动蜗轮蜗杆机构调整，可以使轮椅椅面实现任意角度的倾斜，也就是轮椅椅面只通过这三个点支撑。因为高副球铰接具有万向的性质，将轮椅椅面后部的高副球铰接的球碗固定在椅架上，剩余两个高副球铰接的球碗固定在螺柱上，通过步进电机驱动蜗轮蜗杆，调节两个高副球位置的高低，可以使轮椅椅面在极限范围内产生任意角度倾斜。通过测试，设计的调整机构可以使轮椅椅面相对于椅面中心线左、右方向各倾斜45。，上、下方向各倾斜 60。，调整空间是以前后高副球的距离为半径，以固定的高副球为原点所作的球形体积的三分之-，调整范围广，有- 定的越障能力 ，满足复杂路况的使用日。在电机轴侧经蜗轮蜗杆减速系统与椅面相连，减速比为1：20，增大了传动力矩，螺柱选择是锯齿形螺纹，传动效率高，且具有自锁功能，同时蜗轮蜗杆减速系统也具有自锁功能 ，能够保障轮椅椅面调整机构运行的安全.生。设计如图 1所示，蜗轮与螺柱通过键槽配合 ，在螺柱上开-个键槽 ，键槽的长度与螺柱长度相等，螺母固定在椅架上 ，当电机带动蜗杆转动时，蜗轮带动螺柱转动，当蜗轮转动时，蜗轮不会因为螺柱的转动而上下移动～螺母固定在轮椅椅架上，螺柱转动时就会带动轮椅椅面上下移动，从而可以调整椅面倾斜。

3系统总体硬件设计电动轮椅平衡控制系统的硬件主要 由ATmegal6单片机、MMA7361传感器、THB6064H驱动电路、电源电路以及执行单元等拈组成。布置在椅面下方的加速度传感器作为系统的检测部分，将轮椅椅面倾斜角度传送至单片机，单片机向步进电机驱动电路发送控制信号8，由步进电机驱动轮椅椅面调整机构使椅面至平衡，并有传感器检测信号反馈给单片机，形成闭环控制系统，如图2所示。

PA椅面ATmega 调l6 整机构PB图 2控制系统示意图Fig.2 Control System Schematic Diagram系统以ATmega16单片机作为控制核心，加速度传感器检测到椅面倾斜的角度，以电压值形式输出，单片机通过三次数据采样腮值后得到更加精确的数据。传感器在水平状态时z轴向上， 轴和y轴输出的电压值为 300mv，Z轴输出的电压值为450my，可以将此数据作为单片机判断水平的依据，也可以通过手动设置传感器的位姿，使传感器有-个倾斜角度，以适合使用者的舒适性。系统的响应频率为8kHz，具有很高的实时处理能力和工作可靠性。

4硬件选择与设计4.1传感器选择根据系统检测精度要求及传感器性能比较，采用Freescale公司生产的高性价比、微型电容式三轴加速度传感器MMA7361芯片。

MMA7361采用信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术 ，提供±1.5g/6g两个量程，可在这 2个灵敏度中选择，系统选择±1.5g量程。该器件带有低通滤波并已做0g补偿，提供休眠模式，因而是电池供电的数据采集的理想之眩4.2单片机选择加速度传感器的输出是模拟量 ，若选择 STC89C52系列单片机作为主控芯片，虽然此芯片价格便宜，但传感器输出的电压值需经模数转换才能被STC89C52系列单片机所采集，外围电路繁琐。因此，采用 ATmegal6芯片作为主控芯片，内部带有 8路 l0位A/D转换，省略了外围A/D转换单元，使设计简单，降低成本 。

在图 3中， 是 8路模拟量输入端口，使用其中 3路连接加速度传感器的输出信号，PA0、PAl和PA2分别与 轴输出、y轴输出和z轴输出相连。PA3～PA6分别连接加速度传感器的控制端：模式选择sL、信号检测0g、自我测试与初始化sT和模式选择 GS。

ATmegal6有-个 10位的逐次逼近型 A/DC，A/DC与-个 8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。对于检测轮椅椅面的倾角角度，分辨率为256就已足够，因此在MD转换中只读取高8位即可。单端电压输入以0VGND为基准。A/DC包括-个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到A/DC的电压保持恒定。A/DC由AVCC引脚单独提供电源。AVCC与VCC之间的偏差不能超过i-O.3V。在图3中，VCC外接 lO0ft电阻和luf电容，AVCC和AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦，以提高噪声抑制性能 。

图3步进电机驱动电路与电源电路Fig.3 Stepping Motor Drive Circuit and Power Circuit4.3电路设计采用THB6064H作为步进电机的驱动芯片，此芯片具有高细分，大功率驱动。芯片工作电压为5V，电源电压为DC9V42V，输出电流为 4A。如图3所示， 。、 和 用于设置芯片的细分数。通过调节可变电阻 ：和岛阻值的大小，可以设置步进电机运转时的驱动电流to，其计算公式如下：厶100%Vrefx1/3×1 1其中，Vref-5-O.7xRl，/R7R1l；停止时的抱闸电流厶：100%Vrefx1/3×1/R 2212 机械 设 计 与制 造No.9Sept.2013其中，Vref-5-O.7xR，/R R 只1。

在上述公式中， re厂取值是由电路图中的R：和R 阻值的大婿定的，范围：O.5～3.0v，R 为 0.2DJ2W。实验表明，R：为10K欧，尺 为1K欧即可驱动体重为100kg的使用者。

轮椅电源是蓄电池供电，-般单块电池是 12V，需串联 2块电池，组成 24V电源。单片机、传感器和THB6064H芯片工作电压是 5V，且需稳压供电，而步进电机的驱动电源是 24V。设计电源电路使24V转换为5V电源。转换电路，如图3所示。

5软件设计5.1数字滤波滤波方法有硬件滤波和软件滤波。硬件滤波主要是通过电容电阻组合电路滤波，不适合用于信号快速变化的诚，对采集的信号有-定的抑制作用，且很容易滤掉有用的信号，因此采用软件滤波方法。常用的数字滤波方法有中位值法、惯性滤波法和平均值法。中位值滤波法对变化缓慢的信号进行滤波有较好的效果，如温度，液位的变化，不宜对流量，速度等变化快速的量进行滤波。惯性滤波运算量大，占用内存大，不适合快速采样与响应的系统。平均值法算法简单，运算速度快，能够对具有随机干扰的信号滤波，能够在保证采样精度的同时还节省系统调节时间。因此，信号采样采用平均值法滤波，选择采样次数为N3。

5.2控制流程图4控制流程图Fig.4 Control Flow Chart软件设计流程，如图 4所示∝制电路上电后，对检测电路和驱动电路进行初始化，然后读扔速度传感器三轴输出的角度值，进行三次采样后，用平均值法得到三个轴的值与水平时的角度值分别比较，如果相等，则说明此时的位置处于水平状态；如果不相等，则计算出差值，并驱动步进电机，由调整机构将轮椅椅面调整至水平。

6实验结果与分析步进电机的步距角为 1.8。，驱动电路的细分数为m，则电机轴转角度 所需要的脉冲数为n，则脉冲数计算公式为：/，oL。xm/1.8。 3细分数有 8类：2、8、10、16、20、32、40、64，在调整机构中已有涡轮涡杆减速系统，无需再对电机增加细分 ，同时为了提高系统的响应速度，系统选择m2细分数，则电机轴转-圈a360o，所需的脉冲个数为n-400。

传感器精准度测试时，将传感器拈绕 l，轴旋转，对 轴采样，测得X轴随部分角度变化的关系，如表 1所示。

表 1采样电压与多角度关系表Tab.1 Sampling and Angles Relation Table利用Matlab对采集的角度与电压值数据进行二次拟合，拟合曲线，如图5所示。

图 5采样电压与理论值啮合曲线Fig.5 Sampling the Voltage and the Theoretical Value Pitch Curve由图5可看出，实际值偏离理论值的误差在2%之内，且重复性好，满足轮椅使用精度。

系统响应时间测试时，倾斜椅面，传感器将检测到的模拟量给单片机，单片机计算出恢复平衡所需的脉冲个数，并发送给驱动拈，驱动电机。从椅面倾斜到电机将椅面调平为止，记录所用的时间，反复调整，使整个过程响应在 1s之内。在单片机处理数据中，只读取 A/D转换的高 8位数据，转换时间为 651xs，三轴转换时间为 200txs，相对于 1s的运行周期可以忽略不计，影响响应时间的是单片机向驱动芯片发送脉冲的频率与机械调整机构所需要的传动时间。实验结果表明，发送脉冲频率大于8KHz、步进电机驱动电路选择细分数为2和减速比为2O时，电动轮椅椅面平衡控制系统响应周期时间 t

7结论以ATmega16单片机为主控芯片，内置A/D转换器能够对MMA7361传感器进行直接、实时采样，并进行多次采样腮值，能够有效地提高控制精度。步进电机驱动拈是采用 24V低电压，输出电流峰值高达4A的高电流供电，能够为调整椅面提供足够的力矩。驱动芯片响应速度快，能够快速的驱动电机调整椅面，其控制角度误差8<1。，响应时间t