專利名稱：一種Zigbee接入的電動輪椅控制器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種 Zigbee接入的電動輪椅控制器及方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是當(dāng)今涉及多學(xué)科高度 交叉的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)，現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，嵌 入式計算技術(shù)及分布式計算和控制技術(shù)等。分布于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通過各種傳 感器對周圍環(huán)境進(jìn)行實時的感知和信息的采集，節(jié)點之間利用無線通信模塊 2進(jìn)行協(xié)作，信息共享，知識融合，使用分布式計算和控制技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的 下一步行為進(jìn)行決策。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把物理環(huán)境和信息世界有機(jī)地融合在 一起，大大地提高了認(rèn)知環(huán)境能力，拓展了計算智能在現(xiàn)實環(huán)境中的應(yīng)用。
Zigbee是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。它是一種短距離、低速率無線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和BlueTooth之間的技術(shù)提案。Zigbee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到 交換信息的目的。借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率 的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。
電動輪椅是一種使用電力驅(qū)動的運動裝置，廣泛用于醫(yī)院、療養(yǎng)中心和 老年社區(qū)等場所，為行動不便的人士提供了一種有效的代步工具。將電動輪 椅用Zigbee技術(shù)接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以利用網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大環(huán)境感知能力獲取充分的導(dǎo)航信息，實現(xiàn)電動輪椅在環(huán)境中的自主運動，從而為使用者帶來極大的方便。目前國內(nèi)有關(guān)電動輪椅控制器設(shè)計的相關(guān)研究已經(jīng)出現(xiàn)，部分
解決了電動輪椅運動控制、人機(jī)交互方面的問題。2008年授予郭永吉等人的發(fā)明專利CN101214182 "電動輪椅的方向速度控制裝置"提出了一種電動輪椅方向速度控制裝置的設(shè)計方案。該方案的重點在于給電動輪椅安裝一種測量裝置，用以測量電動輪椅運動過程中的擾動量并在控制器上加以校正，達(dá)到控制電動輪椅方向速度的目的。同年授予原魁等人的發(fā)明專利CN1830413"一種嵌入式智能電動輪椅控制系統(tǒng)及方法"提出了一種電動輪椅智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案使用超聲波傳感器檢測環(huán)境中的障礙物信息，實現(xiàn)電動輪椅的避障智能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種Zigbee接入的電動輪椅控制器及方法。該控制器設(shè)計方法針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一特定環(huán)境，通過給電動輪椅安裝無線通信模塊2、傳感器等裝置，以Zigbee協(xié)議接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并接收語義指令，在傳感器的協(xié)助下實現(xiàn)電動輪椅的運動控制及避障等功能。
一種Zigbee接入的電動輪椅控制器，所述控制器包括主控制板、數(shù)據(jù)采集板9、電機(jī)控制盒12和無線通信模塊2;無線通信模塊2與主控制板連接并通信，數(shù)據(jù)采集板9與主控制板連接，電機(jī)控制盒12與主控制板連接；在主控制板上還連接有左紅外接近開關(guān)1、右紅外接近開關(guān)3、第一超聲波傳感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器7、第四超聲波傳感器8和電子羅盤11;在電機(jī)控制盒12還連接有左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15;左輪直流電機(jī)14通過左碼盤13與數(shù)據(jù)采集板9連接，右輪直流電機(jī)15通過右碼盤16與數(shù)據(jù)采集板9連接；左紅外接近開關(guān)l、右紅外接近開關(guān)3、第一超聲波傳感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器7、第四超聲波傳感器8、電子羅盤11和數(shù)據(jù)采集板9采集到的電動輪椅運動參數(shù)輸入到主控制板，主控制板通過輸出指令調(diào)整左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15的轉(zhuǎn)速；在數(shù)據(jù)采集板9上連接有陀螺儀，陀螺儀測量電動輪椅轉(zhuǎn)動的角速率。所述主控制板由CPU和在CPU周圍設(shè)置的I2C接口 、第一 RS232接口 18、第二 RS232接口 22、第一 10 口 17、第二 10 口 19和SPI總線20構(gòu)成。
(l)采集參數(shù)左紅外接近開關(guān)1和右紅外接近開關(guān)3檢測電動輪椅周圍的障礙物；第一超聲波傳感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器7和第四超聲波傳感器8測量電動輪椅與周圍的障礙物的距離；電子羅盤11測量電動輪椅的絕對朝向；數(shù)據(jù)采集板9采集左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15的轉(zhuǎn)速；
(2) 建立控制模型先建立兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型，再建立直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，最后結(jié)合兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型與直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型獲得電動輪椅的控制模型；
(3) 建立無線通信無線通信模塊2與主控制板連接，主控制板通過無線通信模塊2接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線通信模塊2將無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令轉(zhuǎn)發(fā)給主控制板，主控制板解析語義指令并驅(qū)動左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15轉(zhuǎn)動，從而控制電動輪椅的運動；
(4) 執(zhí)行控制指令將步驟(l)中采集的參數(shù)輸入到步驟(2)中獲得的控制模型中獲得電動輪椅的運動參數(shù);步驟(3)將電動輪椅的運動參數(shù)傳遞給無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令控制電動輪椅的運動。
所述步驟(2)按照以下步驟(A)兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型
兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的兩個后輪為驅(qū)動輪，各用一個直流電機(jī)驅(qū)動；另外兩個前輪為從動輪，支撐電動輪椅并跟隨后輪運動；M為電動輪椅的總質(zhì)量，J為電動輪椅總的轉(zhuǎn)動慣量，r為驅(qū)動輪半徑，/為驅(qū)動輪間距的一半，;/2為左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力，vp^為左右驅(qū)動輪的線速度，F(xiàn)為電動輪椅的合成推力，r為電動輪椅的轉(zhuǎn)矩，v為電動輪椅的合成速度，w為電動輪椅的合成角速度。根據(jù)動力學(xué)公式，下列關(guān)系成立
(B)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型
電動輪椅的后輪由直流電機(jī)驅(qū)動；其中，減速箱減速g〈1， 一,.為第i個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，^為直流電機(jī)機(jī)電常數(shù)，^為直流電機(jī)電磁常數(shù)，E。,為第i個直流電機(jī)電動勢，i 。為直流電機(jī)電樞電阻，/,.為第i個直流電機(jī)電樞電流，",為第i個直流電機(jī)電樞電壓；由直流電機(jī)原理，驅(qū)動輪上的驅(qū)動力為
驅(qū)動輪的線速度可推導(dǎo)如下<formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 10</formula>由上述推導(dǎo)可知，可以通過g控制電動輪椅線速度v， ^控制電動輪椅角 速度必；
(D)控制方程參數(shù)的測定 — 由電機(jī)和電動輪椅的參數(shù)可知
<formula>formula see original document page 11</formula>本發(fā)明電動輪椅的控制器設(shè)計方法降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的運
:負(fù)擔(dān)，經(jīng)濟(jì)有效并滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電動輪椅的要求。


圖i本發(fā)明電動輪椅的控制系統(tǒng)電路框圖。
圖2本發(fā)明電動輪椅動力學(xué)模型。
圖3本發(fā)明電動輪椅的直流電機(jī)電樞電路。
圖4本發(fā)明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下的電動輪椅。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
一種Zigbee接入的電動輪椅控制器，所述控制器包括主控制板、數(shù)據(jù) 采集板9、電機(jī)控制盒12和無線通信模塊2;無線通信模塊2與主控制板連接并通信，數(shù)據(jù)采集板9與主控制板連接，電機(jī)控制盒12與主控制板連接;
在主控制板上還連接有左紅外接近開關(guān)1、右紅外接近開關(guān)3、第一超聲波傳 感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器7、第四超聲波傳感器8和 電子羅盤11;在電機(jī)控制盒12還連接有左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15; 左輪直流電機(jī)14通過左碼盤13與數(shù)據(jù)采集板9連接，右輪直流電機(jī)15通過 右碼盤16與數(shù)據(jù)采集板9連接；左紅外接近開關(guān)l、右紅外接近開關(guān)3、第 一超聲波傳感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器7、第四超聲波 傳感器8、電子羅盤11和數(shù)據(jù)采集板9采集到的電動輪椅運動參數(shù)輸入到主 控制板，主控制板通過輸出指令調(diào)整左輪直流電機(jī)14和右輪直流電機(jī)15的 轉(zhuǎn)速；在數(shù)據(jù)采集板9上連接有陀螺儀，陀螺儀測量電動輪椅轉(zhuǎn)動的角速率。 所述主控制板由CPU和在CPU周圍設(shè)置的I2C接口、第一RS232接口 18、第 二 RS232接口 22、第一 10 口 17、第二 10 口 19和SPI總線20構(gòu)成。
(l)采集參數(shù)左紅外接近開關(guān)1和右紅外接近開關(guān)3檢測電動輪椅周 圍的障礙物；第一超聲波傳感器4、第二超聲波傳感器5、第三超聲波傳感器 7和第四超聲波傳感器8測量電動輪椅與周圍的障礙物的距離；電子羅盤11 測量電動輪椅的絕對朝向；數(shù)據(jù)采集板9采集左輪直流電機(jī)14和右輪直流電 機(jī)15的轉(zhuǎn)速；
(2) 建立控制模型先建立兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型，再建
立直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，最后結(jié)合兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型與直流
電機(jī)數(shù)學(xué)模型獲得電動輪椅的控制模型；
(3) 建立無線通信無線通信模塊2與主控制板連接，主控制板通過無 線通信模塊2接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線通信模塊2將無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令轉(zhuǎn)發(fā)給主控制板，主控制板解析語義指令并驅(qū)動左輪直流電機(jī)14和右 輪直流電機(jī)15轉(zhuǎn)動，從而控制電動輪椅的運動；
(4)執(zhí)行控制指令將步驟(l)中采集的參數(shù)輸入到步驟(2)中獲得的控 制模型中獲得電動輪椅的運動參數(shù);步驟(3)將電動輪椅的運動參數(shù)傳遞給無 線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令控制電動輪椅的運動。
步驟一的具體處理方式
(A) 傳感器的加入
兩輪差動驅(qū)動的電動輪椅執(zhí)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令和避障 需要獲取自身運動狀態(tài)和環(huán)境中障礙物的距離及形狀等信息。使用如下傳感
器擴(kuò)充電動輪椅的感知能力采用碼盤測量電動輪椅驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而可 以計算出電動輪椅的線速度和角速度；采用超聲波傳感器測量電動輪椅與周 圍障礙物的距離；采用紅外接近開關(guān)快速檢測電動輪椅周圍突然出現(xiàn)的障礙 物；采用陀螺儀測量電動輪椅轉(zhuǎn)動的角速率；采用電子羅盤11測量電動輪椅 的絕對朝向。
碼盤與電動輪椅驅(qū)動輪的直流電機(jī)同軸安裝，此時測得的碼盤計數(shù)需要 經(jīng)過變速箱的變速比換算成驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速。超聲波傳感器安裝在電動輪椅的 側(cè)面，可以獲取電動輪椅側(cè)面離墻面的距離并可據(jù)此推算出墻面的突變，這 些數(shù)據(jù)可以用于電動輪椅自主沿墻行走。紅外接近開關(guān)安裝在電動輪椅的前 后，檢測電動輪椅運動過程中突然出現(xiàn)的障礙物。作為電動輪椅角速率測量 備份器件，陀螺儀可以在電動輪椅打滑導(dǎo)致碼盤失效的情況下發(fā)揮作用。電 子羅盤11可以測量電動輪椅的絕對朝向，防止角度誤差積累。
(B) 無線通信模塊2的加入電動輪椅使用無線通信模塊2接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線通信模塊2采 用CC2420作為射頻收發(fā)器件，以實現(xiàn)對Zigbee協(xié)議的支持。無線通信模塊 2接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給電動輪椅的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng) 將語義指令解析，在傳感器的協(xié)助下執(zhí)行。
下面將詳細(xì)敘述步驟二的具體處理方式
(A) 主控電路實現(xiàn)
主控電路板通過第一RS232接口 18和無線通信模塊2相連，此模塊與 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信并將收到的語義指令轉(zhuǎn)發(fā)給主控電路板。主控電路板接 收傳來的語義指令信息，并集中處理超聲波傳感器、電子羅盤ll、紅外接近 開關(guān)以及傳感器數(shù)據(jù)采集板9獲取的數(shù)據(jù)，控制電動輪椅運動。主控制電路 板包括如下幾個部分:主控制芯片電路的CPU采用Atmegal28即可滿足要求； 超聲波傳感器接口電路，使用I2C接口；電子羅盤ll接口電路，使用第二 RS232接口22;無線通信模塊2接口電路，使用第一 RS232接口 18;紅外接 近開關(guān)接口電路，根據(jù)紅外接近開關(guān)的個數(shù)，占用主控制芯片不同的10口； 數(shù)據(jù)采集接口電路，使用SPI總線20。
(B) 數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn) 數(shù)據(jù)采集電路可以緩解主控制電路的負(fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)采集板9對碼盤的脈沖
信號進(jìn)行計數(shù)同時將陀螺儀的模擬輸出信號數(shù)值化，最后將采集到的數(shù)據(jù)通 過SPI總線發(fā)送給總控制電路。 參見圖1。
下面將詳細(xì)敘述步驟三的具體處理方式 (A)兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型兩輪差動驅(qū)動是目前電動輪椅使用得最為普遍的一種驅(qū)動方式。兩輪差 動驅(qū)動電動輪椅的兩個后輪為驅(qū)動輪，各用一個直流電機(jī)驅(qū)動。另外兩個前
輪為從動輪，支撐電動輪椅并跟隨后輪運動。參見圖2，其為兩輪差動驅(qū)動 電動輪椅的動力學(xué)示意圖，M為電動輪椅的總質(zhì)量，J為電動輪椅總的轉(zhuǎn)動 慣量，r為驅(qū)動輪半徑，/為驅(qū)動輪間距的一半，乂,/2為左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力， v^2為左右驅(qū)動輪的線速度，F(xiàn)為電動輪椅的合成推力，r為電動輪椅的轉(zhuǎn) 矩，v為電動輪椅的合成速度，^為電動輪椅的合成角速度。根據(jù)動力學(xué)公式， 下列關(guān)系成立-
(B)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型
電動輪椅的后輪由直流電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)的電路參見圖3所示。其中， 減速箱減速g〈1， A為第i個直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，^為直流電機(jī)機(jī)電常數(shù)，^為 直流電機(jī)電磁常數(shù)，^為第i個直流電機(jī)電動勢，i 。為直流電機(jī)電樞電阻， /,.為第i個直流電機(jī)電樞電流，^為第i個直流電機(jī)電樞電壓，^表示對v進(jìn) 行求導(dǎo)。由直流電機(jī)原理，驅(qū)動輪上的驅(qū)動力為
驅(qū)動輪的線速度可推導(dǎo)如下<formula>formula see original document page 15</formula>rgW。
rg及a r g及。
(c)電動輪椅的控制方程 由步驟一 (A)和(B)可得，
/;+/2=斗("1+"2) —
1力賦、1 " 一g乂
一g2凡 賦、1 "
24^ = - w2)
,g乂 賦、1 2;
w=+ w2
^ = "1 — W2
-7; o-_ 一？凡陽M0 —
0 r2_2A: &0
、0 —陽l0 —
001〃_
由上述推導(dǎo)可知，可以通過&控制電動輪椅線速度v， ^控制電動輪椅角
速度必o
即，
2*人
v + v =
o +必=
尸g 欲
("l+"2) ("1-"2)
其中，
尺
II
V S
+
.v .s(D)控制方程參數(shù)的測定
由電機(jī)和電動輪椅的參數(shù)可知:
一g、 2A大
下面將詳細(xì)敘述步驟四的具體處理方式-
(A) Zigbee接入
參見圖4，電動輪椅使用無線通信模塊2的CC2420射頻收發(fā)器以Zigbee 接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用Zigbee協(xié)議通信，網(wǎng)絡(luò)中的每一 個節(jié)點都被分配一個16位的MAC地址。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點， 電動輪椅在網(wǎng)絡(luò)中擁有一個獨一無二的物理地址。物理地址的位數(shù)限制了網(wǎng) 絡(luò)中運行的電動輪椅的個數(shù)小于65536。
(B) 語義指令的執(zhí)行 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令主要有走直線、走弧線、沿墻走和停止
4種。電動輪椅的控制系統(tǒng)將語義指令解析，驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，控制電動 輪椅運動。語義指令的解析執(zhí)行基于電動輪椅的控制模型。
走直線是電動輪椅運動控制的一種基本行為，同時它也是控制電動輪椅 走弧線、沿墻走等的基礎(chǔ)。走直線的實現(xiàn)主要依靠對電動輪椅轉(zhuǎn)角的控制。 可以用碼盤測得直流電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速，用反饋控制的方式實現(xiàn)對轉(zhuǎn)角的控制。 兩輪差動驅(qū)動電動輪椅走直線時兩個輪子轉(zhuǎn)過距離相等，控制電動輪椅使其對角度采用PD控制使其轉(zhuǎn)角&=0。
走弧線可以在走直線的基礎(chǔ)上發(fā)展出來。給電動輪椅一邊的電機(jī)加上校 正系數(shù)，控制電動輪椅走直線即可使電動輪椅沿弧線行走。弧線角度可以通 過控制輪子走過的距離實現(xiàn)。
在較遠(yuǎn)的距離上，使電動輪椅行走軌跡為一段精確的直線是很困難的。 如果能夠利用電動輪椅周圍的環(huán)境信息(如電動輪椅兩側(cè)的墻壁、障礙物等)， 既可對障礙物進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩惚?，又能對電動輪椅的運動進(jìn)行校正。在結(jié)構(gòu)化 的環(huán)境(如大樓等)中，當(dāng)電動輪椅兩側(cè)為墻壁、木板等時，讓電動輪椅沿 著墻壁、木板等保持一定的間距行走，可以有效地校正其運動。電動輪椅在 沿墻運動時，同墻面間既有角度誤差也有位置誤差，可以將這兩個誤差加權(quán)， 統(tǒng)一折算成角度，然后控制電動輪椅走直線，即可實現(xiàn)電動輪椅沿墻走。將 電動輪椅的線速度和角速度同時設(shè)為零時，電動輪椅停止。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明， 不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演 或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種Zigbee接入的電動輪椅控制器，其特征在于所述控制器包括主控制板、數(shù)據(jù)采集板(9)、電機(jī)控制盒(12)和無線通信模塊(2)；無線通信模塊(2)與主控制板連接并通信，數(shù)據(jù)采集板(9)與主控制板連接，電機(jī)控制盒(12)與主控制板連接；在主控制板上還連接有左紅外接近開關(guān)(1)、右紅外接近開關(guān)(3)、第一超聲波傳感器(4)、第二超聲波傳感器(5)、第三超聲波傳感器(7)、第四超聲波傳感器(8)和電子羅盤(11)；在電機(jī)控制盒(12)還連接有左輪直流電機(jī)(14)和右輪直流電機(jī)(15)；左輪直流電機(jī)(14)通過左碼盤13與數(shù)據(jù)采集板(9)連接，右輪直流電機(jī)(15)通過右碼盤(16)與數(shù)據(jù)采集板(9)連接；左紅外接近開關(guān)(1)、右紅外接近開關(guān)(3)、第一超聲波傳感器(4)、第二超聲波傳感器(5)、第三超聲波傳感器(7)、第四超聲波傳感器(8)、電子羅盤(11)和數(shù)據(jù)采集板(9)采集到的電動輪椅運動參數(shù)輸入到主控制板，主控制板通過輸出指令調(diào)整左輪直流電機(jī)(14)和右輪直流電機(jī)(15)的轉(zhuǎn)速；在數(shù)據(jù)采集板(9)上連接有陀螺儀，陀螺儀測量電動輪椅轉(zhuǎn)動的角速率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述一種Zigbee接入的電動輪椅控制器，其特征在 于所述主控制板由CPU和在CPU周圍設(shè)置的I2C接口 、第一 RS232接口 (18)、 第二RS232接口(22)、第一I0口(17)、第二 10 口 (19)和SPI總線(20)構(gòu)成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種Zigbee接入的電動輪椅控制器的控制方法， 其特征在于(1) 采集參數(shù)左紅外接近開關(guān)(1)和右紅外接近開關(guān)(3)檢測電動輪椅周 圍的障礙物；第一超聲波傳感器(4)、第二超聲波傳感器(5)、第三超聲波傳 感器(7)和第四超聲波傳感器(8)測量電動輪椅與周圍的障礙物的距離；電子 羅盤(11)測量電動輪椅的絕對朝向；數(shù)據(jù)采集板(9)采集左輪直流電機(jī)(14)和 右輪直流電機(jī)(15)的轉(zhuǎn)速；(2) 建立控制模型先建立兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型，再建立 直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，最后結(jié)合兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型與直流電 機(jī)數(shù)學(xué)模型獲得電動輪椅的控制模型；(3) 建立無線通信無線通信模塊(2)與主控制板連接，主控制板通過無線通信模塊(2)接入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線通信模塊(2)將無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的 語義指令轉(zhuǎn)發(fā)給主控制板，主控制板解析語義指令并驅(qū)動左輪直流電機(jī)(14) 和右輪直流電機(jī)(15)轉(zhuǎn)動，從而控制電動輪椅的運動；(4) 執(zhí)行控制指令將步驟(l)中采集的參數(shù)輸入到步驟(2)中獲得的控制 模型中獲得電動輪椅的運動參數(shù)；步驟(3)將電動輪椅的運動參數(shù)傳遞給無線 傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令控制電動輪椅的運動。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述一種Zigbee接入的電動輪椅控制器的控制方法， 其特征在于所述步驟(2)按照以下步驟(l)兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的動力學(xué)模型兩輪差動驅(qū)動電動輪椅的兩個后輪為驅(qū)動輪，各用一個直流電機(jī)驅(qū)動； 另外兩個前輪為從動輪，支撐電動輪椅并跟隨后輪運動；M為電動輪椅的總 質(zhì)量，J為電動輪椅總的轉(zhuǎn)動慣量，r為驅(qū)動輪半徑，/為驅(qū)動輪間距的一半， 乂，/2為左右驅(qū)動輪的驅(qū)動力，v,，i^為左右驅(qū)動輪的線速度，F(xiàn)為電動輪椅的合 成推力，r為電動輪椅的轉(zhuǎn)矩，v為電動輪椅的合成速度，cy為電動輪椅的合 成角速度。根據(jù)動力學(xué)公式，下列關(guān)系成立(2)直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型電動輪椅的后輪由直流電機(jī)驅(qū)動；其中，減速箱減速5<1， ^為第i個直 流電機(jī)轉(zhuǎn)速，^為直流電機(jī)機(jī)電常數(shù)，^為直流電機(jī)電磁常數(shù)，A,.為第J'個 直流電機(jī)電動勢，^為直流電機(jī)電樞電阻，/,.為第i個直流電機(jī)電樞電流，",.V2 = V —/浴為第J'個直流電機(jī)電樞電壓，》表示對V進(jìn)行求導(dǎo)；由直流電機(jī)原理，驅(qū)動輪 上的驅(qū)動力為<formula>formula see original document page 4</formula>驅(qū)動輪的線速度可推導(dǎo)如下<formula>formula see original document page 4</formula>(3)電動輪椅的控制方程 由步驟一 (A)和(B)可得，<formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 5</formula>由上述推導(dǎo)可知，可以通過^控制電動輪椅線速度v， i^控制電動輪椅角速度必；(4)控制方程參數(shù)的測定由電機(jī)和電動輪椅的參數(shù)可知<formula>formula see original document page 5</formula>其中，^為左右電機(jī)電樞電壓之和，^為左右電機(jī)電樞電壓之差，r為控制方程輸出向量系數(shù)，^、 ^為r的分量，K為控制方程輸入向量系數(shù)，&、 ^為 尺的分量?！ ￡
全文摘要
本發(fā)明公開了一種Zigbee接入的電動輪椅控制器及控制方法，控制器包括主控制板、數(shù)據(jù)采集板、電機(jī)控制盒和無線通信模塊；無線通信模塊與主控制板連接并通信，數(shù)據(jù)采集板與主控制板連接，電機(jī)控制盒與主控制板連接?？刂品椒ㄈ缦?1)采集參數(shù)；(2)建立控制模型；(3)建立無線通信；(4)執(zhí)行控制指令將步驟(1)中采集的參數(shù)輸入到步驟(2)中獲得的控制模型中獲得電動輪椅的運動參數(shù)；步驟(3)將電動輪椅的運動參數(shù)傳遞給無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的語義指令控制電動輪椅的運動。該控制器設(shè)計方法降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的運算負(fù)擔(dān)，經(jīng)濟(jì)有效并滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對電動輪椅的要求。
文檔編號G01S15/00GK101592947SQ200910023190
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月3日
發(fā)明者馮祖仁, 暢 劉, 亮 宋, 徐明釗, 曉 田, 鋒 田, 黃凱兵 申請人:西安交通大學(xué)