一种基于陀螺仪的轮椅车及其控制方法与流程

本发明涉及一种轮椅车，尤其涉及一种基于陀螺仪的轮椅车及其控制方法。

背景技术：

传统的电动轮椅车或老年休闲车等虽然靠两个电机和控制器能实现前进后退左右转弯，但控制方式简单，无法辨别复杂路况，安全性低；特别是在上斜时候，不能根据路况给予驾驶者提醒和车辆智能控制，同时也无法根据车辆负载和路况智能调整转弯参数，导致转弯灵敏度差异很大，这就导致传统的电动轮椅车和老年休闲车在负载多变、路况复杂的环境情况下，安全性和体验感都会大打折扣，不利于老年人的驾驶。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于陀螺仪的轮椅车及其控制方法，通过陀螺仪智能识别路况，根据不同的负载和路况智能调节转弯参数以及速度，大大提高行驶安全。

本发明提供一种基于陀螺仪的轮椅车控制方法，包括以下步骤：

采集速度预期值，采集摇杆模块的速度控制信号，转化为轮椅车的转弯速度预期值，所述的转弯速度预期值为转弯速度差的目标值；

陀螺仪采集姿态信息，采集轮椅车行驶过程中陀螺仪的姿态信息，并将姿态信息传入陀螺仪姿态解算模块；

解算速度实际值，陀螺仪姿态解算模块根据姿态信息解算得到轮椅车的转弯速度实际值；

反馈调节，通过转弯速度预期值与转弯速度实际值进行pid闭环反馈调节，直至转弯速度预期值与转弯速度实际值偏差值为零，得到电机驱动模块转弯输出速度。

进一步地，所述的步骤解算速度实际值包括以下流程：陀螺仪端口初始化、陀螺仪寄存器配置、读取姿态数据、数据滤波、数据校准、陀螺仪姿态数据解算、角度变换、输出电机驱动模块转弯速度控制信号。

进一步地，所述的步骤解算速度实际值还包括重新标定判定，所述的重新标定判定位于所述的数据滤波之后；所述的重新标定判定的判定结果为是，则对陀螺仪进行标定校准后进行陀螺仪姿态数据解算；所述的重新标定判定的判定结果为否，则直接进行陀螺仪姿态数据解算。

进一步地，所述的陀螺仪姿态数据解算采用四元素法对俯仰角、航偏角、横滚角以及角速度进行解算。

进一步地，还包括步骤坡度检测，所述的坡度检测包括设定坡度与轮椅车速度值映射关系、设定坡度范围、检测轮椅车俯仰角、判定轮椅车俯仰角是否超出坡度范围，若轮椅车俯仰角超出坡度范围，发出提醒。

进一步地，还包括步骤转弯检测，所述的转弯检测包括设定航偏角与轮椅车转弯速度值映射关系、设定最大转弯速度值、判定轮椅车转弯速度是否超出最大转弯速度，若超出则发出提醒。

一种基于陀螺仪的轮椅车，包括轮椅车本体；所述的轮椅车本体包括动力轮、驱动电机、导向轮、椅身、运动控制器、陀螺仪、运动控制模块；所述的驱动电机、导向轮与所述的椅身连接；所述的动力轮通过所述的驱动电机与所述的椅身连接；所述的运动控制模块包括主控模块、陀螺仪姿态解算模块、摇杆模块、电机驱动模块、电源模块；所述的陀螺仪姿态解算模块、摇杆模块、电机驱动模块、电源模块与所述的主控模块连接通信；所述的陀螺仪与所述的陀螺仪姿态解算模块连接通信；所述的摇杆模块与所述的运动控制器连接通信；所述的电机驱动模块与所述的驱动电机连接通信；所述的电源模块与所述的主控模块、驱动电机、运动控制器电连接。

进一步地，所述的运动控制模块还包括蓝牙模块；所述的主控模块与蓝牙设备通过所述的蓝牙模块连接通信；所述的蓝牙模块采用蓝牙芯片nrf51822。

进一步地，所述的电机驱动模块包括正弦波控制器，所述的正弦波控制器与所述的驱动电机电连接。

进一步地，所述的运动控制器安装于所述的椅身扶手处；所述的运动控制器包括360°霍尔摇杆、按键、警示扩音器。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明一种基于陀螺仪的轮椅车采用陀螺仪技术，自动判断车子的路面的状态，比如平地、上坡、下坡、转向等，和当前行驶状态，比如转弯，加速等，从而对电机输出的扭矩输出精细控制，进而达到在不平整的路面行走与走平地一样的效果；当上坡坡度太大,或电量低，或者当前负载超出电机输出最大扭矩，轮椅车自动发出警报，提示操作危险。在下坡时轮椅车能够实现自动降低速度，同时还可实现轮椅车斜坡驻车，大大提高轮椅车的安全性能。

本发明通过蓝牙与相对应的手机app进行连接，通过手机端查看到车辆的各个参数，比如速度，温度，坡度，里程数等；根据个人喜好设置轮椅车的各项参数，实现通过手机端对轮椅车进行遥控控制，轻松实现遥控前进，后退转弯等各种操作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种基于陀螺仪的轮椅车结构示意图；

图2为本发明的一种基于陀螺仪的轮椅车局部结构示意图；

图3为本发明的运动控制模块内部组织结构示意图；

图4为本发明的陀螺仪传感器电路图；

图5为本发明的一种基于陀螺仪的轮椅车控制方法流程图；

图6为本发明的陀螺仪姿态数据解算流程图；

附图中，100、轮椅车本体；1、动力轮；2、驱动电机；3、导向轮；4、椅身；5、运动控制器。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种基于陀螺仪的轮椅车，如图1、图2所示，包括轮椅车本体100；轮椅车本体100包括动力轮1、驱动电机2、导向轮3、椅身4、运动控制器5、陀螺仪、运动控制模块；驱动电机2、导向轮3与椅身4连接；动力轮1通过驱动电机2与椅身4连接；如图3所示，运动控制模块包括主控模块、陀螺仪姿态解算模块、摇杆模块、电机驱动模块、电源模块；陀螺仪姿态解算模块、摇杆模块、电机驱动模块、电源模块与主控模块连接通信；陀螺仪与陀螺仪姿态解算模块连接通信；摇杆模块与运动控制器5连接通信；电机驱动模块与驱动电机2连接通信；电源模块与主控模块、驱动电机2、运动控制器5电连接；优选地，在一实施例中，运动控制模块还包括蓝牙模块；主控模块与蓝牙设备通过蓝牙模块连接通信；蓝牙模块采用蓝牙芯片nrf51822，通过蓝牙模块，实现与手机app等蓝牙设备的连接与通信，通过手机端查看到车辆的各个参数，比如速度，温度，坡度，里程数等；根据个人喜好设置轮椅车的各项参数，实现通过手机端对轮椅车进行遥控控制，轻松实现遥控前进，后退转弯等各种操作。

在一实施例中，电机驱动模块包括正弦波控制器，正弦波控制器与驱动电机2电连接，使用正弦波驱动电机，双电流环闭环控制，使电机运行更准确细腻。

如图2所示，运动控制器5安装于椅身4扶手处；运动控制器5包括360°霍尔摇杆、按键、警示扩音器；360°霍尔摇杆实时控制轮椅车前进后退或转弯，按键包括方向键与驻车键，实现轮椅车斜坡驻车。

如图4所示，采用lsm6ds3tr传感器实现陀螺仪的信号采集，信号采集更加快速精准。

如图5所示，一种基于陀螺仪的轮椅车控制方法，包括以下步骤：

采集速度预期值，采集摇杆模块的速度控制信号，转化为轮椅车的转弯速度预期值，所述的转弯速度预期值为转弯速度差的目标值；

陀螺仪采集姿态信息，采集轮椅车行驶过程中陀螺仪的姿态信息，并将姿态信息传入陀螺仪姿态解算模块；

解算速度实际值，陀螺仪姿态解算模块根据姿态信息解算得到轮椅车的转弯速度实际值；

反馈调节，通过转弯速度预期值与转弯速度实际值进行pid闭环反馈调节，直至转弯速度预期值与转弯速度实际值偏差值为零，得到电机驱动模块转弯输出速度。

在一实施例中，主控模块计算360°霍尔摇杆的左右方向信号采样值，得到动力轮1的左右轮速度差值，该速度差值为预期的转弯左右轮速度差，同时为pid闭环调节的预期目标值。如图4、图6所示，采用lsm6ds3tr传感器采集的陀螺仪姿态信息传入陀螺仪姿态解算模块，通过对陀螺仪姿态解算模块内的陀螺仪端口初始化，并对陀螺仪寄存器进行配置，随后读取姿态数据、数据滤波、数据校准、陀螺仪姿态数据解算、角度变换、输出电机驱动模块速度控制信号。优选地，步骤解算速度实际值还包括重新标定判定，重新标定判定位于数据滤波之后；重新标定判定的判定结果为是，则对陀螺仪进行标定校准后进行陀螺仪姿态数据解算；重新标定判定的判定结果为否，则直接进行陀螺仪姿态数据解算。

在本实施例中，陀螺仪姿态数据解算采用四元素法对俯仰角、航偏角、横滚角以及角速度进行解算，具体的椅车本体100内还包括加速度传感器，对加速度传感器中的加速度数据进行四元素法得到加速度实际值，再对陀螺仪的位姿信息进行四元素法得到角速度实际值；对加速度实际值与角速度实际值进行数据融合，通过坐标变换与角度换算，得到位姿信息的欧拉角，即俯仰角、航偏角、横滚角，对连续时段的欧拉角信息求导，即得到俯仰角、航偏角、横滚角的对应的角速度。

下面详细介绍反馈调节过程，通过上述解算得到航偏角速度，该角速度为实际的车辆转弯的的旋转角速度，并作为pid闭环的实际反馈值；下面对预期目标值和实际反馈值计算误差，首先对误差进行比例控制得到比例控制量p，误差一旦产生，反馈调节立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化。然后对误差进行积分控制得到积分控制量i，实质上就是对误差累积进行控制，直至偏差为零；然后作微分控制得到微分控制量d，在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高输出响应的快速性，减小被控量的超调和增加系统的稳定性；后将比例控制量p，积分控制量i，微分控制量d相加，形成pid控制的输出量作为左右两个轮子的转弯控制量t；主控模块同时将360°霍尔摇杆的前后方向的信号采样值作为行驶的速度，并计算出行走控制量r；最后左轮驱动电机2输出量为行走控制量r+转弯控制量t，右轮驱动电机2的输出量为行走控制量r-转弯控制量t。优选地，本pid闭环反馈调节的灵敏度还可通过手机app来根据个人情况自行调节。通过闭环调节，使车辆左右轮气压不一致、路面不平整、负载多变等复杂情况下仍可以保持灵敏的车辆控制。

在一实施例中，基于陀螺仪的轮椅车控制方法还包括步骤坡度检测，坡度检测包括设定坡度与轮椅车速度值映射关系、设定坡度范围、检测轮椅车俯仰角、判定轮椅车俯仰角是否超出坡度范围，若轮椅车俯仰角超出坡度范围，发出提醒。行驶中，主控制模块不停的检测当前的陀螺仪的俯仰角变化来判断当前的路面坡度；当坡度超过预定的坡度，不管上坡下坡行驶，主控模块都会通过警示扩音器报警提示，如果是下坡路面，主控模块会根据坡度来自动降低行驶速度，限速值会下降，坡度越大，速度越低，确保行驶安全。同理的，基于陀螺仪的轮椅车控制方法还包括步骤转弯检测，转弯检测包括设定航偏角与轮椅车转弯速度值映射关系、设定最大转弯速度值、判定轮椅车转弯速度是否超出最大转弯速度，若超出则发出提醒。行驶中，主控模块不停的检测当前陀螺仪的航偏角速度、横滚角速度，如果航偏角速度、横滚角速度超过预定值，说明车辆翻转或转弯过大，主控模块都会通过警示扩音器报警提示，同时自动降低速度，确保行驶安全。

本发明一种基于陀螺仪的轮椅车采用陀螺仪技术，自动判断车子的路面的状态，比如平地、上坡、下坡、转向等，和当前行驶状态，比如转弯，加速等，从而对电机输出的扭矩输出精细控制，进而达到在不平整的路面行走与走平地一样的效果；当上坡坡度太大,或电量低，或者当前负载超出电机输出最大扭矩，轮椅车自动发出警报，提示操作危险。在下坡时轮椅车能够实现自动降低速度，同时还可实现轮椅车斜坡驻车，大大提高轮椅车的安全性能。本发明通过蓝牙与相对应的手机app进行连接，通过手机端查看到车辆的各个参数，比如速度，温度，坡度，里程数等；根据个人喜好设置轮椅车的各项参数，实现通过手机端对轮椅车进行遥控控制，轻松实现遥控前进，后退转弯等各种操作。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。