一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法，本发明专利技术专利涉及控制系统领域，所述控制系统包括：驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块和中央处理模块；所述驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块均与中央处理模块电连接。本发明专利技术可以提醒乘坐人提前规避电动轮椅不能爬坡的路段，通过测得加速度和实时速度，估算2s后的速度，在达到轮椅爬坡速度上限前提前降速，通过超声波传感器和红外线传感器测得障碍物的距离，通过模糊控制算法实现自动避障，通过自平衡控制模块，实现轮椅的坡度维稳。实现轮椅的坡度维稳。实现轮椅的坡度维稳。

【技术实现步骤摘要】
一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法


[0001]本专利技术专利涉及控制系统领域，具体是一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法。

技术介绍

[0002]市场上能够购买的轮椅，基本上分为了低中高三档，低档就是普通的手推式轮椅，中档是电动式轮椅，高档轮椅又分了各种特有的功能，有专用于上楼的，有可以变形平躺的。总体而言，目前电动轮椅的成品并不够完善，价格还是过于昂贵，更多智能化的功能没有体现。大多数的电动轮椅的自动避障功能基本都是基于坡度为0的情况下所设计的功能，未考虑电动轮椅在不同坡度情况下，出现的速度和坡度差别带来的危险，导致在坡度上实现自动避障时会出现侧翻的危险。由于不同电动轮椅的爬坡能力不一样，可能会出现坡度太高，导致电动轮椅倒滑，出现危险。
[0003]由于国家对于电动轮椅坡度上的速度和坡度有限制，因此需要在坡度上控制电动轮椅的速度，在控制速度的同时完成电动轮椅的自动避障功能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：提供一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法，可以实现在坡度上进行速度控制和自动避障功能。
[0005]
技术实现思路
：一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统，所述控制系统包括驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块和中央处理模块；所述驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块均与中央处理模块电连接。
[0006]进一步的，所述驱动模块，包括步进电机，用于驱动轮椅的前进后退；所述报警模块，包括蜂鸣器，用于危险警示；所述自动避障模块，用于实现电动轮椅在坡度上自动避障功能；所述自动避障模块包括超声波传感器和红外线传感器，通过超声波传感器和红外线传感器获得电动轮椅与障碍物之间的距离，并将信息传送到中央处理模块，实现电动轮椅自动避障；所述自平衡控制器模块，包括非线性PD控制器、跟踪微分器以及线性扩张观测器，采用扩张状态观测器对总扰动进行实时计并补偿，实现电动轮椅的自平衡；所述速度传感器模块，包括多个三轴加速度传感器和一个霍尔传感器，用于获得电动轮椅的加速度信息和速度，并将信息传输给中央处理模块；所述心率检测模块，包括脉搏心率传感器，用于检测乘坐人心率，并将信息传送给中央处理模块；所述减速模块，包括脉冲定时器，用于发出脉冲频率，控制步进电机转速；所述中央处理器模块，根据所述自动避障模块、自平衡控制器模块、所述速度传感器模块、心率检测模块的信息控制所述驱动模块、减速模块、报警模块运行。
[0007]一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制方法，包括如下步骤：
[0008]步骤一、在电动轮椅运行过程中，速度传感器模块中的三轴加速度传感器实时检
测电动轮椅的加速度，霍尔传感器检测电动轮椅的实时速度，并将加速度和实时速度信息转化成数字信号给中央处理模块；心率检测模块的脉搏心率传感器检测乘坐人心率，并将信息传给中央处理模块；
[0009]步骤二、中央处理模块通过检测获得的加速度信息，估算出电动轮椅所处的坡度最优估值；
[0010]步骤三、设置电动轮椅的坡度上限，将设置的坡度上限和步骤二中所测算出的坡度最优估值一起传送到中央处理模块，若步骤二计算的坡度最优估值高于电动轮椅的坡度上限，则蜂鸣器发出声音，警示乘坐人更改路线；
[0011]步骤四、中央处理模块根据获得的加速度、坡度和速度信号，在坡度不为0的情况下的制动方式，分别有以下处理情况：
[0012]1)速度检测为0，加速度为0，则表示电动轮椅已成功制动，无需操作；
[0013]2)速度为0，加速度不为0，乘坐人心率异常时，则对电动轮椅采取紧急制动操作，避免乘坐人出现无意识滑坡；
[0014]3)速度为0，加速度不为0，乘坐人心率正常，则通过基于脉冲定时器的电机加减速脉冲产生算法对电动轮椅进行缓慢加速；
[0015]4)速度不为0，加速度也不为0，乘坐人心率正常，在加速的过程中，中央处理模块估算两秒后的速度，判断两秒后的速度是否超过规定速度，若超过规定速度，则通过基于脉冲定时器的电机加减速脉冲产生算法对电动轮椅进行缓慢降速；
[0016]步骤五、通过超声波传感器及红外线传感器，得到障碍物的距离，将信息传输至中央处理模块，中央处理模块采用模糊控制算法使电动轮椅实现自动避障；
[0017]步骤六、在电动轮椅运行的整个运行过程中，通过线性自抗扰控制技术控制电动轮椅的稳定。
[0018]进一步的，坡度最优估值的具体估算方法，包括如下步骤：
[0019]步骤1、计算三轴加速度传感器测到的坡度：
[0020]步骤1.1、三轴加速度传感器的3个轴的加速度矢量和等于重力加速度，即：
[0021][0022][0023]式中：A
x
、A
y
、A
z
分别为三轴加速度；g为重力加速度；表示倾斜度，单位为弧度；
[0024]步骤1.2、将上式整理，并进行反余弦运算可得：
[0025][0026]步骤1.3、将单位为弧度的倾斜度乘以系数57.29，转换为角度，即为三轴加速度传感器测到的坡度；
[0027]步骤2、中央处理模块处理获得所有加速度传感器所获得的坡度信息，通过加权数据融合算法，得到坡度和加速度的最优估值。
[0028]进一步的，所述步骤2中加权数据融合算法的具体操作如下：
[0029]步骤2.1、对于任意2个传感器p和q，测量结果信号分别记为Xp和Xq；Xp＝X+Vp；Xq＝X+Vq，其中，X为真实信号，Vp和Vq为传感器p和q的观测误差；
[0030]步骤2.2、计算任一传感器的方差，任一传感器的方差为其自相关函数及其互相关函数作差；观测误差Vp和Vq可视作零均值平稳噪声，基于此，对于任一传感器p，其方差为其中，E(*)为求均值；
[0031]步骤2.2.1、任意传感器p和q之间的互相关函数R
pq
，以及任一传感器p的自相关函数R
pp
的公式如下：
[0032]R
pq
＝E(X2)
[0033][0034]步骤2.2.2、先将各个采样点测量数据取平均值来求取传感器的自相关函数和互相关函数，将各个传感器测量数据取平均值来求取传感器的自相关函数和互相关函数的平均值；计算公式如下：
[0035][0036][0037]其中，n为传感器个数；k为采样点个数；Rpp(k)为k时刻p传感器的自相关函数；Rpq(k)为k时刻pq传感器的互相关函数，为k时刻p传感器的自相关函数的平均值；为k时刻pq传感器的互相关函数的平均值；
[0038]步骤2.2.3、与的差，即为k时刻传感器p的观测方差的无偏估计计算公式如下：
[0039][0040]其中，为第i个采样点求得的观测方差；k越大，方差估计越准确；
[0041]步骤2.3、计算得到传感器的观测方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统，其特征在于，所述控制系统包括驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块和中央处理模块；所述驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块均与中央处理模块电连接。2.根据权利要求1所述的一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统，其特征在于，所述驱动模块，包括步进电机，用于驱动轮椅的前进后退；所述报警模块，包括蜂鸣器，用于危险警示；所述自动避障模块，用于实现电动轮椅在坡度上自动避障功能；所述自动避障模块包括超声波传感器和红外线传感器，通过超声波传感器和红外线传感器获得电动轮椅与障碍物之间的距离，并将信息传送到中央处理模块，实现电动轮椅自动避障；所述自平衡控制器模块，包括非线性PD控制器、跟踪微分器以及线性扩张观测器，采用扩张状态观测器对总扰动进行实时计并补偿，实现电动轮椅的自平衡；所述速度传感器模块，包括多个三轴加速度传感器和一个霍尔传感器，用于获得电动轮椅的加速度信息和速度，并将信息传输给中央处理模块；所述心率检测模块，包括脉搏心率传感器，用于检测乘坐人心率，并将信息传送给中央处理模块；所述减速模块，包括脉冲定时器，用于发出脉冲频率，控制步进电机转速；所述中央处理器模块，根据所述自动避障模块、自平衡控制器模块、所述速度传感器模块、心率检测模块的信息控制所述驱动模块、减速模块、报警模块运行。3.一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、在电动轮椅运行过程中，速度传感器模块中的三轴加速度传感器实时检测电动轮椅的加速度，霍尔传感器检测电动轮椅的实时速度，并将加速度和实时速度信息转化成数字信号给中央处理模块；心率检测模块的脉搏心率传感器检测乘坐人心率，并将信息传给中央处理模块；步骤二、中央处理模块通过检测获得的加速度信息，估算出电动轮椅所处的坡度最优估值；步骤三、设置电动轮椅的坡度上限，将设置的坡度上限和步骤二中所测算出的坡度最优估值一起传送到中央处理模块，若步骤二计算的坡度最优估值高于电动轮椅的坡度上限，则蜂鸣器发出声音，警示乘坐人更改路线；步骤四、中央处理模块根据获得的加速度、坡度和速度信号，在坡度不为0的情况下的制动方式，分别有以下处理情况：1)速度检测为0，加速度为0，则表示电动轮椅已成功制动，无需操作；2)速度为0，加速度不为0，乘坐人心率异常时，则对电动轮椅采取紧急制动操作，避免乘坐人出现无意识滑坡；3)速度为0，加速度不为0，乘坐人心率正常，则通过基于脉冲定时器的电机加减速脉冲产生算法对电动轮椅进行缓慢加速；4)速度不为0，加速度也不为0，乘坐人心率正常，在加速的过程中，中央处理模块估算两秒后的速度，判断两秒后的速度是否超过规定速度，若超过规定速度，则通过基于脉冲定时器的电机加减速脉冲产生算法对电动轮椅进行缓慢降速；步骤五、通过超声波传感器及红外线传感器，得到障碍物的距离，将信息传输至中央处理模块，中央处理模块采用模糊控制算法使电动轮椅实现自动避障；步骤六、在电动轮椅运行的整个运行过程中，通过线性自抗扰控制技术控制电动轮椅
的稳定。4.根据权利要求3所述的一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制方法，其特征在于，坡度最优估值的具体估算方法，包括如下步骤：步骤1、计算三轴加速度传感器测到的坡度：步骤1.1、三轴加速度传感器的3个轴的加速度矢量和等于重力加速度，即：步骤1.1、三轴加速度传感器的3个轴的加速度矢量和等于重力加速度，即：式中：A
x
、A
y
、A
z
分别为三轴加速度；g为重力加速度；表示倾斜度，单位为弧度；步骤1.2、将上式整理，并进行反余弦运算可得：步骤1.3、将单位为弧度的倾斜度乘以系数57.29，转换为角度，即为三轴加速度传感器测到的坡度；步骤2、中央处理模块处理获得所有加速度传感器所获得的坡度信息，通过加权数据融合算法，得到坡度和加速度的最优估值。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈兆军，崔振霞，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：