一种无障碍电动轮椅的控制系统

1.本发明涉及轮椅领域，尤其涉及一种无障碍电动轮椅的控制系统。


背景技术：

2.人口老龄化已经成为当今世世界不可避免的问题，到2025年，60岁以上人口将达到共约３亿，我国将成为超级老龄化国家。预计到2040年，中国人口老龄化进程将达到顶峰。在人口老龄化的同时，由于先天发育不良、意外事故、自然灾害、疾病和战争等原因造成的残障人士的数量也在不断上升。现今世界有近10亿的残障人士，占世界总人口的 14%。而在我国残障人士的数量以及达到了近 9000 万，无法出行的残障人士约占总残疾人口的 30%。而且残疾人数量在逐年增加。
3.目前，轮椅仍然是上述人群出行的首选代步工具。全世界大约共１亿人需要轮椅辅助出行。但是普通的轮椅只能在平地上行走，在常见的有台阶及路面崎岖不平的场合通行能力太低。因此，普通轮椅和常见的特种轮椅有着活动范围小，在某些场合需要外人协助的缺点，智能化程度很低也在一定程度上限制了他们出行的可能性和多样性。无障碍轮椅的控制系统的研究不仅可以帮助满足用户的生活需求，更好的享受生活，也可以帮助减轻家庭和社会的负担，在一定程度上也体现了社会对老年人、肢体残疾人士生活上的重视与关爱，具有积极的社会意义。


技术实现要素：

4.为解决现有无障碍轮椅智能化程度低，经常需人工辅助的问题，本发明提供了一种无障碍电动轮椅的控制系统。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无障碍电动轮椅的控制系统包括控制主板，手动控制系统，语音控制系统，传感器系统，电机驱动系统，电源管理系统，动作执行系统。
6.进一步的，所述控制主板包括单片机，用于处理传感器的检测信号，控制输入信号，电机控制信号的输出，进行无障碍电动轮椅所需的运算及数据处理。
7.进一步的，所述手动控制系统包括控制摇杆，4
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4键盘，控制摇杆通过x和y两个方向的电位器，可以检测使用者的动作并生成相应的电信号发送到单片机。摇杆可以向下按压相当于一个按键。4
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4键盘为矩阵键盘通过单片机的8个信号引脚交替产生周期性的检测信号来识别到具体哪个按键被使用者按压。按键的触发方式有两种，按压时间小于一秒的为短按，按压时间大于一秒为长按，所以4
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4键盘共可以产生38种不同的控制指令。按键功能支持自定义，可通过手机或者电脑进行设置。
8.进一步的，所述语音控制系统包括语音识别芯片，麦克风，功放芯片，喇叭。麦克风接收到语音信号，语音识别芯片处理声音信号转换成对应的电信号，电信号发送给单片机由单片机进一步处理。语音识别芯片支持自适应降噪、回声消除、语音增强，加强识别灵敏度支持本地命令词自学习、支持本地声纹识别、离线远场语音识别，增强语音识别准确度。
9.进一步的，所述传感器系统包括压力传感器1 ，压力传感器2，压力传感器3，压力传感器4，方向及平衡检测模块，气压传感器1，气压传感器2。压力传感器1 ，压力传感器2，压力传感器3，压力传感器4，分别在转向机构1，转向机构2，转向机构3，转向机构4上，检测轮椅对某一转向机构的压力变化并转化为电信号，单片机接收到信号后进行处理。方向及平衡检测模块包括磁力传感器和陀螺仪，陀螺仪负责检测轮椅底板的姿态变化，并将信号发送至单片机，磁力传感器负责检测轮椅的朝向变化，并将信号发送至单片机。气压传感器1，气压传感器2负责检测防压疮坐垫的气囊内气压，将气压数值发送到单片机进行处理。
10.进一步的，所述电机驱动系统包括四路无刷电机驱动，两路l298n，四路无刷电机驱动在接收到单片机的控制信号后，将控制信号转换为无刷电机线圈的电压变换信号，可以控制四个轮胎的无刷电机以相应速率进行正转反转以及停止。两路l298n将控制信号转换为直流电机的pwm电压信号，可以控制四个平衡机构的线盘电机以相应速率进行正转反转以及停止。
11.进一步的，所述电源管理系统包括四组电池组，其中三组为常用电源，一组为备用电源。电池组充电管理，包括电池组内电池充电平衡。电池放电检测与管理，电池组温度电压监测以及备用电池切换。
12.进一步的，所述动作执行系统包括气泵1，气泵2，电磁阀1，电磁阀2，转向舵机1，转向舵机2，转向舵机3，转向舵机4，动力电机1，动力电机2，动力电机3，动力电机4，平衡电机1，平衡电机2，平衡电机3，平衡电机4。气泵负责为防压疮坐垫充气，电磁阀负责控制气囊和外界的气体连通，转向舵机负责根据收到的控制信号控制车轮以不同角度转动。动力电机为车轮提供动力，根据电机驱动电路的信号实现不同速率的正转反转刹车等。平衡电机控制平衡机构的线盘电机转动。
附图说明
13.图1为本发明的控制示意图。
具体实施方式
14.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
15.实施例1当使用者坐到轮椅上时气压传感器1和气压传感器2分别检测两组气囊的气压，当气压高于设定范围电磁阀通电，气泵不工作，气囊放气；当气压低于设定范围时，气泵工作，电磁阀通电，气囊充气。 当气囊气压在设定范围内时，电磁阀和气泵不工作。两个传感器的压力范围可以单独设置，可以设置两个压力为两组传感器交替使用，达到久坐防压疮的效果。
16.实施例2当使用者正在乘坐时，可以通过控制摇杆控制轮椅的移动，当摇杆被触动时摇杆的两个电位器的数值改变，单片机检测到电位器数值的改变并根据程序和目前的模式生成驱动信号发送给无刷电机驱动板，无刷电机驱动板根据信号驱动动力电机1，动力电机2动
力电机3，动力电机4，让其以对应的转速和转动方向转动，同时单片机还会输出舵机驱动信号，舵机驱动信号直接发送到转向舵机1，转向舵机2，转向舵机3，转向舵机4，舵机接收到信号后，会按照信号规定的时间方向和角度进行转动改变四个轮胎的方向。
17.摇杆控制共有两种模式，一种为固定朝向模式，轮椅的摇杆正面朝向不变，通过转动摇杆控制轮椅的移动方向，摇杆的朝向就是轮椅的移动方向，摇杆的拨动幅度越大轮椅的移动速度越快。当摇杆处于竖直状态时，可通过向下按压摇杆的方式切换为第二种控制模式为前后左右的遥控方式，摇杆向前轮椅前进，摇杆向前的幅度越大轮椅前进的速度越快，摇杆向后轮椅后退，摇杆向后的幅度越大轮椅后退的速度越快，摇杆向左轮椅左转，摇杆向左的幅度越大轮椅左转的速度越快，摇杆向右轮椅前进，摇杆右转的幅度越大轮椅右转的速度越快，当摇杆的位置不是完全的前后左右时轮椅按照此时摇杆在前后左右的分量来识别，并控制轮椅在前后运动的同时进行转弯。
18.使用者也可以通过4
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4键盘对轮椅进行控制，键盘可以4
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4键盘为矩阵键盘通过单片机的8个信号引脚交替产生周期性的检测信号，每四个引脚为一组，一组为高电平，一组为低电平，两组互相交替，当一个按键被按下时，在第一个周期可以检测到哪一行有按键被按下，在第二个周期可以检测到哪一列有按键被按下，当识别到具体哪个按键被使用者按压后，单片机开始计时，当按键被抬起的瞬间对应的功能被触发，按键的触发方式有两种，按压时间小于一秒的为短按，按压时间大于一秒为长按，所以4
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4键盘共可以产生38种不同的控制指令。使用者可以通过按键操作轮椅调整不同的姿态，如调整腿部踏板的角度，轮椅倾斜度，轮椅高度等，按键功能也支持自定义，可通过手机或者电脑进行设置自己想要的功能，可以结合蓝牙和wifi模块与其他智能设备互动，如控制智能家居等。
19.使用者也可以语音控制系统控制轮椅，轮椅的麦克风接收到语音信号，语音识别芯片处理声音信号识别出使用者的语音指令，对指令进行处理并在指令库中找出对应的执行指令，转换成对应的电信号，电信号发送给单片机由单片机进一步处理，转换为电机驱动控制信号发送到电机驱动板，来驱动轮椅的电机，另一方面语音识别芯片可以在处理指令的同时可以发出声音信号发送到功放芯片，功放芯片将信号放大后通过喇叭放出声音，反馈给使用者。支持自适应降噪、回声消除、语音增强，加强识别灵敏度支持本地命令词自学习、支持本地声纹识别、离线远场语音识别，增强语音识别准确度。使用者可以通过语音操作轮椅调整不同的姿态，如调整腿部踏板的角度，轮椅倾斜度，轮椅高度等，语音指令也支持自定义，可通过手机或者电脑进行设置自己想要的功能，可以结合蓝牙和wifi模块与其他智能设备互动，如控制智能家居等。
20.实施例3在轮椅的行进过程中方向及平衡检测模块工作，检测轮椅轮椅的方向和坐垫位置是否水平，当坐垫位置水平时保持现在状态，轮椅按照相应的模式按照使用者的操作移动，当检测到坐垫位置不是水平状态时，将信号发送到单片机，单片机读取压力传感器1 ，压力传感器2，压力传感器3，压力传感器4的数值，对比传感器的数值，找到最小的传感器数值和最大的传感器数值，然后生成电机驱动信号发送到l298n电机驱动，来驱动两个传感器对应的线盘电机，数值最小的传感器对应的电机正转，带动线盘收紧丝线，带动可伸缩机构伸长，数值最大的传感器对应的电机反转，带动线盘放出丝线，带动可伸缩机构缩短，单片机会事实检测方向及平衡检测模块和四个压力传感器的数值进行检测，直至轮椅机构平衡，
当再次遇到坑洼路面时平衡机构再次运转。
21.当轮椅遇到台阶时可以通过使用者在键盘上的输入进入爬升模式，或者在无操作的情况下，前轮会相继撞上台阶导致在方向及平衡检测模块信号正常时压力传感器1和压力传感器2的数值相继变化，当单片机收到变化的时候，自动进入爬升模式，在爬升模式下，单片机控制平衡电机会收缩线盘，使平衡机构伸长，使轮椅升高，并且控制转向舵机，在转向舵机和动力电机的工作下，轮椅会先转换角度向左或向右转动30到37度保证四个轮胎与台阶的距离大致为等间距排列，单片机发送信号到l298n驱动器控制线盘电机转动带动线盘控制平衡机构，第一个轮胎的平衡机构伸长，最后一个轮胎的平衡机构缩短，使轮椅的重心转移到后三个轮胎的支撑区域内，当最前面的轮胎的压力传感器1完全不受力并且后三个的压力传感器的数值大致相等的情况下，单片机控制驱动板控制后三个轮胎电机转动向前移动，当第压力传感器2的数值改变时，代表一号轮胎已经爬升完毕，单片机控制一号平衡机构伸长，控制二号平衡机构缩短，当压力传感器2完全不受力另外三个压力传感器的数值大致相等的情况下，单片机控制驱动板控制后三个轮胎电机转动向前移动，当压力传感器3的数值改变时，代表二号轮胎已经爬升完毕，单片机控制二号平衡机构伸长，控制三号平衡机构缩短，当压力传感器3完全不受力另外三个压力传感器的数值大致相等的情况下，单片机控制驱动板控制后三个轮胎电机转动向前移动，当压力传感器4的数值改变时，代表三号轮胎已经爬升完毕，单片机控制三号平衡机构伸长，控制四号平衡机构缩短，当压力传感器4完全不受力另外三个压力传感器的数值大致相等的情况下，单片机控制驱动板控制后三个轮胎电机转动向前移动，当轮椅向前移动之后，轮椅会计量移动时间，移动的时间为前三次移动时间的最长值的基础上增加2秒。单片机控制四号平衡机构伸长，控制四号轮胎落到地面上，完成爬升，进入正常的平衡检测模式。
22.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。