[发明专利]一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及控制方法

权利要求书

1.一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，其特征在于：所述控制器包括主控制板、数据采集板(9)、电机控制盒(12)和无线通信模块(2)；无线通信模块(2)与主控制板连接并通信，数据采集板(9)与主控制板连接，电机控制盒(12)与主控制板连接；在主控制板上还连接有左红外接近开关(1)、右红外接近开关(3)、第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)、第四超声波传感器(8)和电子罗盘(11)；在电机控制盒(12)还连接有左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)；左轮直流电机(14)通过左码盘（13）与数据采集板(9)连接，右轮直流电机(15)通过右码盘(16)与数据采集板(9)连接；左红外接近开关(1)、右红外接近开关(3)、第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)、第四超声波传感器(8)、电子罗盘(11)和数据采集板(9)采集到的电动轮椅运动参数输入到主控制板，主控制板通过输出指令调整左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)的转速；在数据采集板(9)上连接有陀螺仪，陀螺仪测量电动轮椅转动的角速率；所述Zigbee接入是指将电动轮椅用Zigbee通信协议接入到无线传感器网络中。

2.根据权利要求1所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，其特征在于：所述主控制板由CPU和在CPU周围设置的I2C接口、第一RS232接口(18)、第二RS232接口(22)、第一IO口(17)、第二IO口(19)和SPI总线(20)构成。

3.根据权利要求1所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器的控制方法，其特征在于：

(1)采集参数：左红外接近开关(1)和右红外接近开关(3)检测电动轮椅周围的障碍物；第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)和第四超声波传感器(8)测量电动轮椅与周围 的障碍物的距离；电子罗盘(11)测量电动轮椅的绝对朝向；数据采集板(9)采集左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)的转速；

(2)建立控制模型：先建立两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型，再建立直流电机数学模型，最后结合两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型与直流电机数学模型获得电动轮椅的控制模型；

(3)建立无线通信：无线通信模块(2)与主控制板连接，主控制板通过无线通信模块(2)接入无线传感网络，无线通信模块(2)将无线传感网络发出的语义指令转发给主控制板，主控制板解析语义指令并驱动左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)转动，从而控制电动轮椅的运动；

(4)执行控制指令：将步骤(1)中采集的参数输入到步骤(2)中获得的控制模型中获得电动轮椅的运动参数；步骤(3)将电动轮椅的运动参数传递给无线传感网络，无线传感网络发出的语义指令控制电动轮椅的运动。

4.根据权利要求3所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)按照以下步骤：

(1)两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型

两轮差动驱动电动轮椅的两个后轮为驱动轮，各用一个直流电机驱动；另外两个前轮为从动轮，支撑电动轮椅并跟随后轮运动；M为电动轮椅的总质量，J为电动轮椅总的转动惯量，r为驱动轮半径，l为驱动轮间距的一半，f₁，f₂为左右驱动轮的驱动力，v₁，v₂为左右驱动轮的线速度，F为电动轮椅的合成推力，τ为电动轮椅的转矩，v为电动轮椅的合成速度，ω为电动轮椅的合成角速度。根据动力学公式，下列关系成立：

(2)直流电机数学模型

电动轮椅的后轮由直流电机驱动；其中，减速箱减速g＜1， 为第i个直流电机转速，k_m为直流电机机电常数，k_e为直流电机电磁常数，E_ai为第i个直流电机电动势，R_a为直流电机电枢电阻，I_i为第i个直流电机电枢电流，u_i为第i个直流电机电枢电压， 表示对v进行求导；由直流电机原理，驱动轮上的驱动力为：

驱动轮的线速度可推导如下：

(3)电动轮椅的控制方程

由步骤一(A)和(B)可得，

即， 

其中，

由上述推导可知，可以通过 控制电动轮椅线速度v， 控制电动轮椅角速度ω；

(4)控制方程参数的测定

由电机和电动轮椅的参数可知：

其中， 为左右电机电枢电压之和， 为左右电机电枢电压之差，T为控制方程输出向量系数，T₁、T₂为T的分量，K为控制方程输入向量系数，K₁、K₂为K的分量。