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智能轮椅的控制系统研究

作　者: 曲直
导　师: 张立勋
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 智能轮椅分布式控制避障模糊控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 54次
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内容摘要

人口老龄化已经是一个不可忽视的现状，智能轮椅的出现提高了老年人和残障人士的行动自由度，其研究具有良好的应用前景和社会价值。本论文在深入分析智能轮椅的发展现状和关键技术后，建立了智能轮椅的分布式控制平台，以达到轮椅行走、起坐、康复、助行四个功能模式的实现，同时基于传感器对智能轮椅进行避障控制和仿真。本论文分析了智能轮椅的本体机械结构。针对智能轮椅的设计要求，提出了智能轮椅的分布式控制方案，确定主控制模块+编码器信号采集模块+手操盒控制模块的控制体系，各模块的控制器均选用高性能的AT90CAN128处理器，主控制模块主要负责控制策略运算、超声波的发射与接收处理以及伺服电机的驱动等功能，编码器采集模块用于对增量式旋转编码器的信号采集与处理，手操盒模块可实现手操杆控制、按键模式选择、语音报警提示以及电量检测等功能。三个控制模块之间采用CAN协议进行通讯，有效地实现了智能轮椅在工作模式下的运动控制。通过对智能轮椅四个工作模式下的原理分析，完成其控制算法和软件的设计，轮椅模式和起坐模式采用开环控制，其中轮椅加减速运动过程采用斜坡给定，康复模式采用PI控制器，助行模式采用基于双曲柄助行机构的步态规划模型PI控制器。智能轮椅的避障模块由7个超声波传感器和2个光电传感器构成的。7个超声波传感器用于探测轮椅周边空间的环境信息，并利用模糊算法得到障碍物方向和位置的模糊关系，根据轮椅行走策略，制定出智能轮椅42条模糊控制规则，实现轮椅的安全避障。2个光电传感器分别探测轮椅后方和路面障碍物，当遇到障碍物时停止轮椅运动。利用C#进行智能轮椅行走路径的仿真分析。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 研究课题背景与意义  10-11
  1.2 智能轮椅国内外的概况  11-16
    1.2.1 国外智能轮椅研究现状  11-14
    1.2.2 国内轮椅现状分析  14-16
  1.3 智能轮椅关键技术分析  16-18
    1.3.1 环境感知和定位  17
    1.3.2 人机接口  17-18
    1.3.3 通信技术  18
  1.4 论文主要研究内容  18-19
第2章整体方案设计  19-28
  2.1 智能轮椅的设计要求  19-20
  2.2 机械结构  20-24
    2.2.1 行走机构  21-22
    2.2.2 升降机构  22-23
    2.2.3 助行机构  23-24
  2.3 控制系统方案设计  24-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章系统硬件设计  28-45
  3.1 电源管理模块电路设计  28-30
  3.2 主控制模块电路设计  30-36
    3.2.1 主控芯片 AT90CAN128  30-32
    3.2.2 PWM 电机驱动电路设计  32-34
    3.2.4 避障电路设计  34-36
  3.3 编码器采集模块设计  36-37
  3.4 手操盒模块设计  37-39
  3.5 CAN 通讯模块  39-44
    3.5.1 CAN 总线规范  40-42
    3.5.2 CAN 总线帧结构分析  42-43
    3.5.3 CAN 总线特性  43
    3.5.4 CAN 总线节点电路设计  43-44
  3.6 本章小结  44-45
第4章智能轮椅控制策略  45-58
  4.1 轮椅模式控制原理  45-48
    4.1.1 电机传动系统控制模型  45-46
    4.1.2 轮椅模式控制策略  46-48
  4.2 起坐模式控制原理  48-50
  4.3 康复模式控制原理  50-54
    4.3.1 电机控制策略  50-51
    4.3.3 康复模式控制策略  51-54
  4.4 助行模式控制原理  54-57
    4.4.1 人体步态规划  54-55
    4.4.2 助行模式控制策略  55-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章轮椅避障控制策略  58-82
  5.1 超声测距模块设计  58-63
    5.1.1 超声波测距原理  58-60
    5.1.2 传感器测距软件设计  60-62
    5.1.3 数据误差分析  62-63
  5.2 模糊控制理论  63-67
    5.2.1 模糊控制器的组成  63-64
    5.2.2 模糊控制的设计方法  64-67
  5.3 智能轮椅避障模糊控制策略  67-77
    5.3.1 障碍物距离隶属度函数  67-69
    5.3.2 超声波传感器的方向隶属度  69-70
    5.3.3 障碍物距离与方向的模糊关系  70-71
    5.3.4 目的地方向的模糊化  71-72
    5.3.5 控制策略：模糊可行性  72-74
    5.3.6 路径选择策略  74-76
    5.3.7 模糊规则  76-77
  5.4 其他情况下的避障策略  77-78
    5.4.1 倒车情况下的避障策略  77-78
    5.4.2 沟壑情况下的避障策略  78
  5.5 避障仿真分析  78-81
  5.6 本章小结  81-82
结论  82-83
参考文献  83-86
致谢  86

智能轮椅的控制系统研究

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