[发明专利]一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统

权利要求书

1.一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统，其特征在于：包括三维霍尔操纵杆、操纵杆控制器、主控制电路板、副控制电路板、电源模块、液晶显示模块、轮椅座椅升降模块和电机伺服驱动模块以及4个全向轮；所述的操纵杆控制器采集三维霍尔操纵杆的三路输出电压信号，根据电压信号计算三维运动控制信息后，将信息发送给主控制电路板；所述主控制电路板对运动控制信息进行处理，根据4个全向轮的运动控制模型计算获得每个轮子所需转速和转向，再发送电机速度及转向对应的控制信号给电机伺服驱动模块，以驱动4个无刷直流电机，电机通过行星轮减速器减速后，带动全向轮转动，进而控制轮椅全向运动，该运动包括任意角度的平面移动和绕垂直地面中心轴的自转，同时把轮椅当前移动和转动速度值发送给副控制电路板；所述副控制电路板接收主控制电路板信号，检测电池剩余电量，并统计剩余里程数，然后驱动液晶显示模块显示当前轮椅速度、剩余里程数和剩余电量信息；所述电源模块给整个电路系统供电；所述轮椅座椅升降模块控制座椅的升高与下降。

2.根据权利要求1所述的基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统，其特征在于：所述的全向轮椅的4个全向轮在平面上的分布为：(1)4个轮子中心点的平面投影在同一个圆上，圆的半径为R；(2)轮椅前进方向右前侧轮子W1中心点平面投影与圆心O的连线L1，与垂直前进方向的右侧直线L2的夹角为A1度；(3)指向轮子外侧的轮子转轴L3与L2的夹角为A2度；(4)轮椅前进方向右后侧轮子W4与W1相对直线L2为镜像分布，轮椅前进方向左侧轮子W2、W3与右侧轮子W4、W1相对轮椅前进方向直线L为镜像分布。

3.根据权利要求1所述的基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统，其特征在于：所述的三维运动控制信息包括全向轮椅的前进轴向速度Va，垂直前进方向右侧轴向速度Vb，以及绕通过圆心O且垂直地面的轴线的转动速度Vc，3个速度与三维霍尔操纵杆的对应关系为：(1)操作杆三路输出电压信号的范围为0-U，输出U时对应最大前进速度Vam、最大右移速度Vbm和最大右转速度Vcm，输出0时对应最大后退速度-Vam、最大左移速度-Vbm和最大左转速度-Vcm，输出U/2时对应Va＝0、Vb＝0、Vc＝0；(2)当操作杆三路输出电压值为Ua、Ub和Uc时，如果0<Ua<U/2，则Va＝(1-2╳Ua÷U)╳Vam，如果U/2<Ua<U，则Va＝(2╳Ua÷U-1)╳Vam，如果0<Ub<U/2，则Va＝(1-2╳Ub÷U)╳Vbm，如果U/2<Ub<U，则Va＝(2╳Ub÷U-1)╳Vbm，如果0<Uc<U/2，则Vc＝(1-2╳Uc÷U)╳Vcm，如果U/2<Uc<U，则Vc＝(2╳Uc÷U-1)╳Vcm。

4.根据权利要求1所述的基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统，其特征在于：所述的运动控制模型为：

V1＝Va╳sin(A1+A2)-Vb╳cos(A1+A2)-Vc╳R╳cos(A2)；

V2＝Va╳sin(A1+A2)+Vb╳cos(A1+A2)-Vc╳R╳cos(A2)；

V3＝Va╳sin(A1+A2)-Vb╳cos(A1+A2)+Vc╳R╳cos(A2)；

V4＝Va╳sin(A1+A2)+Vb╳cos(A1+A2)+Vc╳R╳cos(A2)；

其中：V1、V2、V3、V4分别为全向轮W1、W2、W3、W4的转动线速度，单位为：米/秒：；V1、V2、V3、V4的为正时表示轮子正转，为负时表示轮子反转，轮子已驱动轮椅前进的转动方向为正转方向；与全向轮对应的电机的转动速度计算式为：

D1＝10800╳i╳V1÷r÷∏；

D2＝10800╳i╳V2÷r÷∏；

D3＝10800╳i╳V3÷r÷∏；

D4＝10800╳i╳V4÷r÷∏；

其中：D1、D2、D3、D4分别为4个全向轮对应电机的转动速度，单位为：转/分钟，r为全向轮的半径，单位为：m，i是行星轮减速器的减速比。