專利名稱：一種嵌入式智能輪椅控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人技術領域，特別是一種嵌入式智能輪椅控制裝置。
背景技術：
隨著世界人口老齡化進程的加快，由于災難和疾病造成的殘障人士的增加，如何讓老年人和殘疾人重新獲得獨立活動的能力是一個科學技術亟待解決的問題，輪椅，作為老年人和殘疾人的主要交通工具之一，以手動輪椅和電動輪椅兩大類為主，電動輪椅相比手動輪椅，極大的提高了老年人和殘疾人獨立活動的能力和范圍，但同時也帶來了在一些環境中使用的不方便性和危險性，例如，在通過窄門，或者狹長的走廊時，電動輪椅將很難通過操縱的方式順利通過；此外，由于人的視野有限，電動輪椅在室外使用時往往會因為操縱不當造成意外的危險。
智能輪椅由于能夠通過傳感器對環境進行識別，可以有效避免危險的發生和幫助老年人和殘疾人完成一些難以完成的工作，因此在過去的十多年里，逐漸受到各國研究者的普遍重視，美國、德國、日本、法國、加拿大、西班牙及中國等國家均有智能輪椅研究項目的出現，但多數智能輪椅是做為針對某一項技術的驗證平臺。例如美國麻省理工學院的Wheelesley和加拿大AAI公司的TAO系列是為了驗證Brooks提出的包容體系結構；密歇根大學的NavChair則是對Borenstein等人提出的矢量場(VFH)避障算法的測試；德州大學的Vulcan則是用于對Kuipers提出的空間語義結構(SSH)的驗證，等等。目前智能輪椅多數采用PC機(或筆記本電腦)進行控制，控制系統體積大，價格昂貴，可擴展性差，離商業化生產還有一定的距離。
發明內容
本實用新型提出一種嵌入式智能輪椅控制裝置，該控制器可以通過操作桿接受操縱者的方向(向前，向后，橫向左，橫向右，斜前左，斜前右，斜后左，斜后右)指令，并將信息傳送回控制器；傳感器對環境進行檢測，并將信息傳送回控制器，控制器根據環境信息對當前的行駛方向和速度進行控制。
本實用新型提出的嵌入式智能輪椅控制裝置，包括用于控制輪椅運動和處理環境信息的控制器，將控制信號經過放大轉化為驅動信號的電機驅動模板，用于檢測輪椅運行環境的傳感器、用于接受使用者指令的操縱桿；其中，控制器經過A/D轉換器將操縱桿的位置信息采集過來，通過傳感器獲取環境信息，經過綜合處理之后，轉變成控制信號，通過I/O口將信號傳送給電機驅動模板，電機驅動模板驅動相應的電機，其中操縱桿連接于控制器，控制器連接于電機驅動模板，傳感器與控制器互聯，實時完成使用者的操縱指令，同時避免碰撞的發生。
多個用于檢測輪椅運行環境的傳感器。
控制器由其AD轉換通道與操縱桿相連，其4路脈寬調制(PWM)通道與電機驅動模板相連，控制器的CAP中斷，2路脈寬調制(PWM)通道，I/O口分別與傳感器的多路選擇開關相連，使控制器能夠實時獲取來自傳感器的環境信息，并據此經過電機驅動模板對輪椅電機進行控制。
控制器采用數字信號處理器。
電機驅動模板采用雙極式可逆PWM變換器。
傳感器采用多個超聲傳感器位于輪椅的本體上，用于檢測輪椅與環境間的距離。
對輪椅可以通過二維模擬操縱桿進行操作。
本實用新型控制器通過其脈寬調制(PWM)通道向外發送方波，驅動傳感器的超聲發射電路產生超聲波，利用接收到回波之前的這段延時，系統對前一次的傳感器信息進行處理，并根據處理之后得到的環境信息，限定當前輪椅行駛的最大速度，延時和信息處理之后，控制器等待超聲回波信號，在收到回波信號或者超過預定的時間也沒能收到響應以后，通過中斷服務程序跳出等待循環，不管是否接收到回波，跳出循環以后進行適當的延時，避免工作環境下超聲波的余波效應，利用這段時間，系統啟動AD轉換模塊，進行操縱桿位置信息的采集，并根據前面處理過后的環境信息，在安全的速度范圍內，控制驅動電機驅動模板的輸出。處理完畢之后，主循環將開始下一次的循環。
本實用新型是一種服務性機器人的控制裝置，具有避碰功能的智能型輪椅機器人的控制系統。
圖1是智能輪椅控制系統總結構圖。
圖2是智能輪椅控制系統硬件體系結構。
圖3是智能輪椅超聲傳感器分布圖。
圖4是超聲傳感器超聲波發射和接受原理圖。
圖5是雙極式可逆PWM驅動器原理圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本實用新型是一種智能輪椅的控制裝置，包括控制器1、傳感器2、操縱桿3、電機驅動模板4、電機5；用于處理環境信息和給出控制指令的控制器1、用于檢測輪椅運行環境的傳感器2、一個用于接受使用者指令的操縱桿3、一個將控制信號經過放大轉化為驅動信號的電機驅動模板4；其中，控制器1經過A/D轉換器將操縱桿3的位置信息采集過來，通過傳感器2獲取環境信息，經過綜合處理之后，轉變成控制信號，通過I/O口將信號傳送給電機驅動模板4，電機驅動器驅動相應的電機5，實時完成使用者的操縱指令，同時避免碰撞的發生。
下面對本實用新型控制系統的各部分進行說明控制器1主控制器采用數字信號處理器(DSP)作為核心控制芯片(MCU)，控制器1的基本功能有操縱桿3位置信息的采集；傳感器2信號的采集與處理；完成輪椅本體的所有運動控制功能；
傳感器2使用8個超聲傳感器作為環境探測器，其在輪椅本體上的分布如圖3前方裝有4個，后方2個，左右各1個，通過對超聲傳感器信息的采集，控制器1實時獲得周圍的環境信息，并根據當前信息的安全等級，來適時調整輪椅的運行速度，從而使輪椅時刻處于安全的行駛狀態；超聲傳感器為收發異體式，其發射和接受原理如圖5所示，發射和接收策略通過軟件編程實現。因此可以根據輪椅運行的環境進行適時的修改，增強了系統的靈活性和可擴展性。可以通過遙控方式對輪椅進行操作。
操縱桿3采用二維模擬操縱桿作為人機交互方式，通過數字信號處理器兩路AD轉換通道，分別采集操縱桿位置的二維坐標值，在經過線性變換和環境信息判斷之后，操縱桿信息被轉化為左右驅動輪的速度和方向信息。
電機驅動模板4屬于雙極式可逆PWM變換器，其基本原理如圖5，該驅動模板具有電流連續，停止時無靜摩擦死區，低速平穩性好，調速范圍大等特點。
電機5為普通電動輪椅電機系列。
操縱桿3連接于控制器1，控制器1連接于電機驅動模板4，傳感器2與控制器1互聯。
圖2是智能輪椅控制系統硬件體系結構圖。
其中控制器1采用TMS320系列LF2470A型號的數字信號處理器(DSP)，其所被使用的功能模塊包括CAP中斷、AD轉換模塊、6路脈寬調制(PWM)通道、I/O口。
傳感器2中包括多路選擇開關、多個發射端和多個接收端。
電機5包括左驅動電機和右驅動電機。
操縱桿3和電機驅動模板4在圖1的解釋中已有敘述。
根據本實用新型控制器1可以同時實現環境信息處理并根據操縱桿3指令對輪椅驅動電機5給出控制指令。即控制器1由其AD轉換通道與操縱桿3相連，用于獲取運動指令，其4路脈寬調制(PWM)通道與電機驅動模板4相連，用于驅動電機5。控制器1的CAP中斷，2路脈寬調制(PWM)通道，I/O口分別與傳感器2的多路選擇開關相連，使控制器1能夠實時獲取來自傳感器2的環境信息，并據此經過電機驅動模板4對輪椅左右驅動電機5進行控制。
還包括多個用于檢測輪椅運行環境的超聲傳感器2。
圖3是超聲傳感器3的分布示意圖，前方裝有四個超聲傳感器2，左右各一個，后方兩個，超聲傳感器2的最大探測距離為2米。
圖4給出了控制器1發射和接受超聲波的過程，控制器1采用的數字信號處理器S4.1通過其中的2路脈寬調制(PWM)通道產生調制脈沖波，經傳感器2中的升壓放大電路S4.2產生瞬間高能激勵信號，激發超聲波發射換能器S4.3產生超聲波，接受換能器S4.4負責接收從環境中反射回來的超聲波，經過放大濾波S4.5和整形處理S4.6之后，超聲回波信號被數字信號處理器S4.1的捕獲單元(CAP)獲取，從而完成對環境障礙物距離信息的探測。
圖5給出了電機驅動模板4采用雙極式可逆PWM變換器的電路原理，其中，M為電機5，電機驅動模板4中的調制脈沖波PWM1，PWM2分別為同一脈寬調制波的正脈沖和負脈沖，當正脈沖較寬時，電機5兩端的平均電壓為正，電機5正轉，當正脈沖較窄，負脈沖較寬時，電機5兩端的平均電壓為負，電機5反轉。
權利要求1.一種嵌入式智能輪椅控制裝置，其特征在于，裝置包括用于處理環境信息和給出控制指令的控制器(1)、用于檢測輪椅運行環境的傳感器(2)、一個用于接受使用者指令的操縱桿(3)、一個將控制信號經過放大轉化為驅動信號的電機驅動模板(4)；其中，控制器(1)經過A/D轉換器將操縱桿(3)的位置信息采集過來，通過傳感器(2)獲取環境信息，經過綜合處理之后，轉變成控制信號，通過I/O口將信號傳送給電機驅動模板(4)，電機驅動模板(4)驅動相應的電機(5)，操縱桿(3)連接于控制器(1)，控制器(1)連接于電機驅動模板(4)，傳感器(2)與控制器(1)互聯。
2.根據權利要求1的嵌入式智能輪椅控制裝置，其特征在于，還包括多個用于檢測輪椅運行環境的傳感器(2)。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，控制器(1)由其AD轉換通道與操縱桿(3)相連，其4路脈寬調制(PWM)通道與電機驅動模板(4)相連，控制器(1)的CAP中斷，2路脈寬調制(PWM)通道，I/O口分別與傳感器(2)的多路選擇開關相連，使控制器(1)能夠實時獲取來自傳感器(2)的環境信息，并據此經過電機驅動模板(4)對輪椅電機(5)進行控制。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，控制器(1)采用數字信號處理器。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，電機驅動模板(4)采用雙極式可逆PWM變換器。
6.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于，傳感器(2)采用多個超聲傳感器位于輪椅的本體上，用于檢測輪椅與環境間的距離。
專利摘要一種嵌入式智能輪椅控制裝置，包括用于處理環境信息和給出控制指令的控制器、用于檢測輪椅運行環境的超聲傳感器、用于接受使用者指令的操縱桿、用于改變輪椅運行模式的控制開關、輪椅電機驅動電路；其中，控制器通過A/D轉換電路采集操縱桿給出的指令信息，根據傳感器獲取的環境信息對輪椅電機給出控制信號，可以有效地執行使用者給出的操作指令，并避免智能輪椅與所處環境發生碰撞。
文檔編號A61G3/00GK2807312SQ20052000277
公開日2006年8月16日 申請日期2005年3月8日 優先權日2005年3月8日
發明者原魁, 魯濤, 朱海兵, 李劍鋒 申請人:中國科學院自動化研究所