多姿态电动轮椅控制器的设计和测试

单新颖，陈伟，闫和平

1.国家康复辅具研究中心，北京市100176；2.北京航空航天大学生物医学工程学院，北京市100191；3.北京市老年功能障碍康复辅助技术重点实验室，北京市100176

电动轮椅作为一种康复和移动辅具，已经广泛应用于残疾人群。美国匹兹堡大学进行轮椅的控制系统研究，包括各种控制驱动系统、速度比例-积分-微分(proportion integration differentiation,PID)控制算法、神经网络控制算法、人机融合的协同轮椅系统和轮椅车控制系统的国际标准研究[1-4]。瑞典Permobil公司联合科研机构开展前驱动控制方法、辅助站立电动轮椅车研究，实现具有转弯半径小、能实现后背平躺功能的轮椅[5-6]。

我国电动轮椅控制系统研究起步较晚。中国科学院自动化所研制识别障碍物的嵌入式电动轮椅车控制器[7-8]。上海交通大学开发基于数字信号处理器(digital signal processing,DSP)的自主控制系统，并通过车载控制器进行导航与避障，测试电动轮椅在手动模式、半自动模式、计算机模式和全自动模式下的工作，实现电动轮椅的建模与轨迹控制的仿真[9-10]。北京理工大学提出一种外骨骼轮椅，通过下肢外骨骼与轮椅的有机结合，可有效保持或恢复老年人、脑卒中患者下肢运动能力，为患者提供一种方便的代步工具；用脚蹬车运动制订康复训练策略，通过基于人体意图的主从式操作方法及多模态康复训练控制流程，提高使用者的参与感[11-12]。燕山大学以降低成本和操控灵活为目标，开展基于单片机的电动轮椅车控制器研发，分析控制及驱动电路的原理，并验证算法的可行性[13-14]。河北工业大学针对无刷轮毂电机电动轮椅车控制方法进行研究，设计低速低功率双电机协调控制方法，提出一种联合制动模式，构建基于DSP的控制系统，并进行方法测试[15-17]。上海理工大学和重庆大学开展智能声控和脑控轮椅的机械结构、语音控制模块的软硬件开发，实现部分声音控制轮椅[18-20]。

此类研究大部分针对轮椅平台上的附件[21]，缺乏轮椅本身驾驶的操控性、舒适性、适老化运动属性的控制算法研究。本文研究电动轮椅操控性的智能方法和技术，并进行Vicon运行模拟仿真测试。

1 运动感知系统

电动轮椅车需要提供用户方便操作、实用友好、高可靠性的人机交互运动感知模块，该模块要能采集方向和速度信号[22-23]。本文采用霍尔摇杆，此摇杆简单、操作方便，360°无死角，高低温稳定，低功耗。提供4路接口，2路输出，2路电源供电，供电2引脚是5 V和0 V，2路模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)-PX和ADC-PY对应摇杆信号X、Y轴，工作电压范围0～4.5 V。由于STM32的ADC采样值是0～3.3 V，通过电阻分压进行ADC采集。

人机接口STM32模块提供的液晶显示屏显示丰富数据，包括电量、温度、速度、时间，模式切换和报警，灯光提醒(图1)。

图1 STM32模块提供的液晶显示屏

2 控制系统

设计基于嵌入式Advanced RISC Machine(ARM)微处理器的控制模块，可以同时实现两台电机速度的精确控制，每台电机均可实现可逆运行。控制模块可以同时处理人机接口模块、摇杆的环境感知模块等信息的采集，并把这些信息通过ADC转化为数字控制信号，经过PID控制算法，将控制信息传递到驱动模块，驱动开关管通断，实现电机正反运转；产生反馈信号，再通过ADC采集到控制模块，形成PID闭环控制，实现对轮椅车准确、实时控制。该模块具有以下功能：电机差速运行、限速保护、电子离合器检测及保护、电池电压检测与显示、软起动、软停止、负载补偿、温度保护、斜坡抑制、主动安全等。总体控制原理图见图2。

控制芯片是控制系统的核心。本控制芯片需要具备多路ADC、丰富I/O口、定时器输出脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)、串行总线(inter-integrated circuit，IIC)、控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线等接口功能；根据主控制和从控制分离布局，需要选择双CPU主控芯片。本研究选用STM32，它是ARM Cortex-M3内核芯片，具有18个ADC采样通道、CAN总线接口、4个通用定时器，可以产生精准PWM信号，方便用于电机控制，满足控制器的设计要求。

3 驱动系统

驱动电路采用STM32定时器产生PWM波，驱动功率放大芯片产生高低电平转换，驱动场效应管导通和截止，使电动实现正反转。

电机驱动原理见图3。二路PWM分别是PWM1、PWM2，它们分别驱动2个半桥功率放大芯片(U1、U2，IR公司桥式驱动集成电路芯片)。SD1A、SD1B为使能选择端口，输出端口为HO、LO；HO输出PWM同向电压，LO输出PWM反向电压，输出栅极驱动电压范围10～20 V，具有独立的高低2个输出通道，两路通道均有滞后欠压锁定功能，死区时间可调。另一路驱动也采用此类方法。

场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥，用于驱动右侧直流有刷电机，端子M1a、M1b分别接直流有刷电机的正负极。控制器模块通过改变PWM信号的脉宽，从而改变输出电压的大小，调节电机转速；通过改变H桥输出方向，改变输出极性，从而控制电机正反转方向。实现差速电机速度和方向控制。

为满足老年人站立、躺下姿态调整，需要驱动轮椅的座椅和靠背系统的姿态调整。采用上述方法驱动直流电机实现姿态调整，此PWM脉宽无需调整，输出恒定速度实现直流直线电机运动。

4 软件算法

电动轮椅使用两个直流电动机驱动轮椅运行，通过两个电机的配合完成启动、制动、无极调速、前进、后退、转弯等功能；根据电动轮椅的运动学和动力学模型[24-25]，建立数学模型。

图2 控制系统原理框图

图3 电机驱动原理图

图4 轮椅运行模型图

控制器模块按以下公式实现轮椅车的运行速度和方向的计算。

差速平台方向速度V与左右轮线速度VL、VR的关系：

差速平台运动方向偏航角度Ω与左右轮线速度VL、VR的关系：

M为轮椅车后轮中心点到轮椅车中心点的距离。

旋转坐标下变换，得到轮椅运行坐标和左右驱动轮椅速度之间的关系：

d为操纵杆到轮椅车后轮中心线的距离。

轮椅的方向通过两驱动轮转角差求得，轮椅的转速通过H桥PWM调节控制，因此，只要控制两个电机PWM脉宽就能实现轮椅的运动和方向控制。另加两个直线电机驱动轮椅姿态调整。整个控制流程图见图5。

5 测试

采用Vicon三维动作捕捉系统，对电动轮椅控制驱动进行模拟仿真测试。测试场景见图6。主要测试轮椅左右电机实际运行时相对移位、速度、加速度。

当测试轮椅车直线前进时，左右驱动轮单位时间内位移基本一致(图7)；左右轮速度变化一致，且低速和高速之间有缓冲曲线，方便老年人操控(图7)；左右驱动轮加速度变化一致，且变化范围很小(图7)，运行相对平稳，乘坐舒适。

当轮椅车直线后退时，位移、速度和加速度同步性一致，变化更小，因为倒车速度小于前进速度。

同类轮椅左右转弯时，多姿态电动轮椅车位移随着转向而协同性增大，转向完毕后逐步缩小，导致速度交替变化；由于路面不同，瞬间速度和加速度有变化，但数值较小，对运行影响不大。

姿态调整测试，实现了坐、躺和站功能，达到预期效果。

图5 系统流程图

6 结论

本研究采用STM32为核心控制驱动系统，建立轮椅的运动学数学模式，感知轮椅速度和方向信号的采集，H桥驱动模块的实现，设计软件算法的流程图，并通过Vicon的模拟仿真测试，得到位移、速度和加速度的输出曲线效果图，较好完成开发和验证。但存在不同路况下加速度稳定性差的缺点。未来需要在无刷电机驱动、反馈控制模型中继续研究。

图6 测试场景

图7 多姿态电动轮椅车左右电机测试

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