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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 課題意義
聯(lián)合國發(fā)表報(bào)告指出：當(dāng)二十一世紀(jì)上半葉到來時(shí)，全球人口將增加0．6倍，
而老年人口將增加2．3倍，老年人【1】口占總?cè)丝诘谋壤龑⑸仙?0％。也就是說，
全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快，今后50年內(nèi)，60歲以上的人口比例預(yù)計(jì)將會(huì)
翻一番。而我國是人口最多的國家，老齡化和殘疾是我們不得不面對(duì)的重大問
題，據(jù)老齡委統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，目前我國60歲以上的老年人已達(dá)到1．43億，超過
總?cè)丝诘?0％。而我國有殘疾人6000多萬，平均每5個(gè)家庭就有一個(gè)殘疾人12J。
另一項(xiàng)調(diào)查顯示，2000年，我國60歲以上老年人中有腿腳不便情況的人已接近
2800萬。此外，根據(jù)中殘聯(lián)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前我國肢體殘疾人接近900萬，其下
肢殘疾人為200萬左右。
隨著老年人和殘疾人的日益增多，服務(wù)需求將會(huì)日益增加。助老／助殘服務(wù)
機(jī)器人系列產(chǎn)品的研發(fā)有助于形成未來老年人和殘疾人生活的新模式和新概
念，并解決人口老齡化帶來的重大社會(huì)服務(wù)問題，以及2015年實(shí)現(xiàn)我國“人人享
有康復(fù)服務(wù)”的國家戰(zhàn)略目標(biāo)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展提供技術(shù)支撐。智能輪椅是助老／
助殘服務(wù)機(jī)器人系列產(chǎn)品中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。輪椅作為廣大老弱病殘人員
使用的輔助運(yùn)動(dòng)工具，隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，智能輪椅【3J的研發(fā)也
必將成為一種趨勢。研究并開發(fā)實(shí)用的智能輪椅具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1．1多模態(tài)智能輪椅
江西省焊接與自動(dòng)化機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的多模態(tài)智能輪椅包括手柄控
制，語音控制中可避障控制，自主避障控制三種模態(tài)。各模態(tài)之間即可相互獨(dú)
立，又可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合進(jìn)行多模態(tài)融合。
(1)手動(dòng)控制
常規(guī)模態(tài)，智能輪椅相當(dāng)于普通的電動(dòng)輪椅。此模態(tài)有兩種控制方式，手
柄控制和鍵盤控制。使用者即可通過手柄，也可通過小鍵盤操作輸出四路模擬
電壓，輪椅本身配有電機(jī)控制器，四路模擬電壓通過電機(jī)控制器產(chǎn)生直流電機(jī)
信號(hào)來控制直流電機(jī)，通過對(duì)直流電機(jī)的開環(huán)控制控制輪椅的前進(jìn)、后退、加
第1章緒論
速、減速、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等運(yùn)動(dòng)控制。
(2)自主避障控制
本課題智能輪椅是基于超聲波傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上的避障控制。由分布在輪
椅各個(gè)方向上的七組超聲波傳感器獲得障礙物信息，由單片機(jī)根據(jù)獲得的障礙
物信息做出相應(yīng)的避障決策，使智能輪椅靈活避障。
(3)語音控制模態(tài)可避障系統(tǒng)
智能輪椅語音控制系統(tǒng)是屬于一個(gè)擁有數(shù)個(gè)或十余個(gè)詞的小詞匯量的語音
識(shí)別控制系統(tǒng)，使用者先進(jìn)行自身的語音訓(xùn)練，訓(xùn)練好的語音模型保存在存儲(chǔ)
器中，當(dāng)用戶選擇語音控制模態(tài)后，語音命令與存儲(chǔ)器中的語音模型進(jìn)行相似
度對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)語音控制。如果語音控制過程中出現(xiàn)障
礙物，播放“前方有障礙物，重新識(shí)別"。同時(shí)可以輸入其它語音控制命令。
二 國內(nèi)外智能輪椅研究現(xiàn)狀
2.1 國外智能輪椅研究現(xiàn)狀
自1986年英國開始研制第一輛智能輪椅來，許多國家投入大量資金研究智
能輪椅，如美國麻省理工學(xué)院wheelesley項(xiàng)目，法國VAHM項(xiàng)目，德國烏爾姆
大學(xué)MAID項(xiàng)目，西班牙SIAMO項(xiàng)目，加拿大AAI公司TAO項(xiàng)目，歐盟TIDE項(xiàng)目等。1989年法國開始研究VAHM項(xiàng)目，第一階段的智能輪椅由輪椅、PC486、超聲波傳感器、人機(jī)界面和一個(gè)可匹配用戶身體能力轉(zhuǎn)換的圖形屏幕組成，設(shè)置為手動(dòng)、自動(dòng)、半自動(dòng)三種模式，手動(dòng)時(shí)輪椅執(zhí)行用戶具體指令和行動(dòng)任務(wù)：自動(dòng)狀態(tài)時(shí)用戶只需選定目標(biāo)，輪椅控制整個(gè)系統(tǒng)，此模式需要高度的可靠性：半自動(dòng)模式下用戶與輪椅分享控制。為了更好適應(yīng)用戶需求，研究者在康復(fù)中心進(jìn)行了一系列調(diào)查，得出結(jié)論：系統(tǒng)必須是多功能的，不僅應(yīng)適應(yīng)殘障人士的生理和認(rèn)知能力，也應(yīng)適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)改進(jìn)研制出第二代產(chǎn)品，相對(duì)于第一代產(chǎn)品，其功能更豐富，面向用戶范圍更廣，性價(jià)比更好，改良了大量控制。德國烏爾姆大學(xué)在一個(gè)商業(yè)輪椅基礎(chǔ)上研制了輪椅機(jī)器人MAID，在烏爾姆市中心車站的客流高峰期及1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場表演。該輪椅機(jī)器人在公共場所有大量乘客的擁擠環(huán)境中，通過了超過36小時(shí)的考驗(yàn)，能夠自動(dòng)口!別和判斷出行駛的前方是否有行人擋路，或是否可能出現(xiàn)行駛不通的情況，自動(dòng)采取繞行動(dòng)作，它甚至還能夠提醒擋路的行人讓開道路。根據(jù)航行的環(huán)境不同，機(jī)器運(yùn)行模式分為：NAN(狹窄區(qū)域航行)和WAN(寬區(qū)域航行)，大大增加了航行準(zhǔn)確率。此項(xiàng)目得到德國科學(xué)技術(shù)部的財(cái)政支持，據(jù)計(jì)劃，這種智能輪椅將于兩年后『F式面世，價(jià)格會(huì)比普通電動(dòng)輪椅高出約50％。同本北海道工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院的研究人員研制出一種不爿j人工操作的聲控輪
椅。研究人員將uT感應(yīng)語占聲響的晶片，裝置在輪椅的控制機(jī)關(guān)內(nèi)，在使用者
對(duì)著麥克風(fēng)講出要求后，感應(yīng)系統(tǒng)便會(huì)依照要求啟動(dòng)運(yùn)作，除了可向前后左右
和快慢行走外，椅背還可向后傾，方便使用者休息。
2.2 國內(nèi)智能輪椅研究現(xiàn)狀
我國智能輪椅研究起步較晚，在機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和靈活性上和國外相比有一定差距，但也根據(jù)自身特色研制出技術(shù)指標(biāo)接近國外先進(jìn)水平的智能輪椅。研究單位有中科院自動(dòng)化所、臺(tái)灣中正大學(xué)電機(jī)系、上海交通大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)等。中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所承擔(dān)了“863”智能機(jī)器人智能輪椅項(xiàng)目，研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的機(jī)器人輪椅NLPR， 中科院研制的智能輪椅曾在“863”。計(jì)劃十五周年成就展展館的人群中穿棱自如。此項(xiàng)研究成果于2000年11月通過“863”智能機(jī)器人主題專家組的鑒定，并研制出我囡第一臺(tái)多模態(tài)交瓦式智能輪椅樣機(jī)。此項(xiàng)研究高度重視了智能輪椅人機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)，在輪椅的設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用模式識(shí)別實(shí)驗(yàn)室有關(guān)圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺和語音識(shí)別等最新成果，使人能通過語音控制輪椅自出行走，輪椅可以實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)對(duì)話功能。上海交通大學(xué)開發(fā)成功一種聲控輪椅．主要是為四肢全部雀失功能的殘疾者設(shè)計(jì)，使用者只需發(fā)出“開”、“前”、“后”、“左”、“右”、“快”、“慢”、“停”等指令，輪椅可在1．2秒內(nèi)按指令執(zhí)行。上海交通大學(xué)研制的智能輪椅具有自辛避障，目標(biāo)跟蹤和防跌功能。同時(shí)還設(shè)計(jì)可抓取日常用品的機(jī)械手臂。臺(tái)灣中正大學(xué)電機(jī)系以一臺(tái)工業(yè)級(jí)Pc為控制中心，通過馬達(dá)控制卡驅(qū)動(dòng)放大器，利用操作桿執(zhí)行基本的電動(dòng)輪椅操作功能，采取平行化設(shè)計(jì)，配備了麥克風(fēng)、CCD，LCD、傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)通訊界面等，并搭配了自行開發(fā)的軟件以達(dá)到系統(tǒng)配置最佳效果。天津大學(xué)研制的智能輪椅可用腦電信號(hào)控制智能輪椅，采用的控制器是計(jì)算機(jī)。
2.3 智能輪椅關(guān)鍵技術(shù)研究
2.3.1移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃理論
路徑規(guī)劃[41技術(shù)是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，是機(jī)器人智能化的重要標(biāo)志?？偟目刂颇繕?biāo)是使移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，總的約束是在整個(gè)過程中，機(jī)器人不碰到任何一個(gè)障礙物。該問題根據(jù)對(duì)環(huán)境信息的掌握程度可以分為兩類：一類是環(huán)境信息已知的全局規(guī)劃，另一類是環(huán)境信息未知的局部規(guī)劃。全局規(guī)劃方法依照己獲取的環(huán)境信息，給機(jī)器人規(guī)劃出一條路徑【5J，規(guī)劃路徑的精確程度取決于獲取環(huán)境信息的準(zhǔn)確程度。全局方法通常可以尋找最優(yōu)解，但是需要預(yù)先知道環(huán)境的準(zhǔn)確信息，并且計(jì)算量很大。局部規(guī)劃方法側(cè)重于考慮機(jī)器人當(dāng)前的局部環(huán)境信息，讓機(jī)器人具有良好的避碰能力。很多機(jī)器人規(guī)劃方法通常是局部的方法，因?yàn)樗男畔@取僅僅依靠傳感器系統(tǒng)獲取的信息，并且隨著環(huán)境的變化實(shí)時(shí)地發(fā)生變化。和全局規(guī)劃方法相比較，局部規(guī)劃方法更具有實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。缺陷是僅僅依靠局部信息，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部極點(diǎn)，無法保證機(jī)器人能順利到達(dá)目的地。上述兩種方法各有利弊，故將兩種方法互相結(jié)合，取長補(bǔ)短的綜合研究方法漸漸成為研究的趨勢。
(1)環(huán)境信息的獲得，即研究機(jī)器人獲得周圍工作環(huán)境信息的途徑的問題，其中最普遍的方式就是通過自身的各類傳感器來獲取，除此之外還有示教等。這里面涉及到機(jī)器人的導(dǎo)航與定位的問題以及傳感器信息融合等問題。
(2)環(huán)境信息的理解問題，也可以稱之為將環(huán)境建?；蚪⒌貓D模型，即’運(yùn)一些算法將所獲得的環(huán)境信息變成機(jī)器人能夠識(shí)別和運(yùn)用的數(shù)據(jù)信息，以備下一進(jìn)行可行路徑的搜索，主要是一些算法理論的研究。
(3)可行路徑搜索問題，即研究如何將第二步所得的數(shù)據(jù)信息按照一定的標(biāo)準(zhǔn)或要求組織生成一條(段)可行的路徑，主要是一些優(yōu)化算法和理論的研究。按運(yùn)動(dòng)類型的不同，移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃可分為三種：最優(yōu)路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃和自適應(yīng)路徑規(guī)劃。本課題著重研究局部路徑規(guī)劃。
2.3.2 局部路徑規(guī)劃
局部路徑規(guī)劃[71是指在未知或者部分已知的環(huán)境中進(jìn)行的路徑規(guī)劃，它根據(jù)有無最終目標(biāo)位置可以分成兩種情況：探索和漫游。后者僅要求移動(dòng)機(jī)器人能避開障礙物，對(duì)運(yùn)動(dòng)的朝向沒有約束。而對(duì)前者，則還有個(gè)最終目標(biāo)位置作指引，機(jī)器人必須努力向這個(gè)位置靠近，在機(jī)器人前進(jìn)的過程中，由于缺乏先驗(yàn)的全局環(huán)境信息，有時(shí)一條明顯的路徑要花費(fèi)很大努力才能找到，而且由于信息的不完整性，不存在全局意義上的最優(yōu)指標(biāo)，但它可以達(dá)到某種次優(yōu)性。這種情況下，移動(dòng)機(jī)器人一般配有能感知周圍局部環(huán)境的距離傳感器，其路徑規(guī)劃則常按照“Hypothesize．a(chǎn)nd．test假設(shè)一測試，HT"的思想來實(shí)現(xiàn)，顧名思義，它先假設(shè)一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的直線路徑，行進(jìn)過程中，發(fā)現(xiàn)正前方有障礙物時(shí)，一般采用沿著障礙物邊緣行走的方法避障，直到它發(fā)現(xiàn)前方目標(biāo)方向上不再有障礙物時(shí)，又轉(zhuǎn)回到這條直線路徑上來：為了讓工作在漫游狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人能避開動(dòng)態(tài)障礙物，一類基于行為的路徑規(guī)劃方法被大量采用。它把路徑規(guī)劃問題分解成許多相對(duì)獨(dú)立的小系統(tǒng)，在運(yùn)行狀態(tài)下通過競爭機(jī)制取得控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)權(quán)，并在環(huán)境交互作用中最終達(dá)到目標(biāo)。對(duì)室外移動(dòng)機(jī)器人，它的移動(dòng)范圍大，由于環(huán)境是不可預(yù)知的，在它的行駛過程中，必須以局部環(huán)境信息和機(jī)器人自身狀態(tài)信息為基礎(chǔ)，規(guī)劃出一段短行程內(nèi)與障礙物無碰撞的理想路徑。局部路徑規(guī)劃【8】[91[101算法包括：C空間法、人工勢場法、模糊邏輯算法遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等、基于滾動(dòng)窗口的路徑規(guī)劃算法。
(1)C空間法
C空間又稱位姿空間，是由Lozano—Perez和Wesley于1978年提出的。目前的很多規(guī)劃方法都是基于位姿空間的規(guī)劃方法。其實(shí)質(zhì)是根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體的大小和姿態(tài)，把周圍的障礙物向外擴(kuò)展一定的距離，即相應(yīng)的“膨脹"，變成擴(kuò)展障礙。與此同時(shí)，運(yùn)動(dòng)物體縮為一個(gè)點(diǎn)(運(yùn)動(dòng)物體位姿的描述簡化為位姿空問中的一個(gè)點(diǎn))，于是得到一個(gè)新的空間，稱為位姿空間。這實(shí)際上構(gòu)造了一個(gè)虛擬的空間：把運(yùn)動(dòng)物體、障礙物及其幾何約束關(guān)系做了等效變換，將物體的規(guī)劃問題轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)的規(guī)劃問題，將復(fù)雜問題簡單化，同時(shí)又具有實(shí)際意義，因此得到了廣泛的運(yùn)用。這種方法本質(zhì)上屬于環(huán)境建模的方法。
(2)人工勢場法
人工勢場法最初是由Khatib提出的一種虛擬辦法。勢場法的基本思想是在移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境中構(gòu)造一個(gè)人工勢場，使得在該勢場中移動(dòng)的機(jī)器人受到其目標(biāo)位置引力場和障礙物周圍斥力場的共同作用。勢場法的吸引力在于數(shù)學(xué)描述上簡潔、美觀。但它也有其內(nèi)在的局限性，即當(dāng)目標(biāo)附近有障礙物時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人受到的斥力大于或者等于目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的引力，將永遠(yuǎn)也到達(dá)不了目的地。如果目標(biāo)和障礙物都離的很遠(yuǎn)，障礙物的斥力會(huì)隨著機(jī)器人向目標(biāo)的接近而變的越來越小，甚至可以忽略，機(jī)器人將只受到吸引力的作用而直達(dá)目標(biāo)。但在當(dāng)在實(shí)際環(huán)境中至少有一個(gè)障礙物與目標(biāo)點(diǎn)離的很近的情況下，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人逼近目標(biāo)的同時(shí)，它也將向障礙物靠近，如果利用以前對(duì)引力場函數(shù)和斥力場函數(shù)的定義，斥力將比引力大的多，這樣目標(biāo)點(diǎn)將不是整個(gè)勢場的全局最小點(diǎn)，因此移動(dòng)機(jī)器人將不可能到達(dá)目標(biāo)?？偟膩碚f這個(gè)方法存在著三個(gè)方面的問題：在相近的障礙物之間不能發(fā)現(xiàn)路徑；在障礙物前可能會(huì)出現(xiàn)震蕩；在狹窄通道中出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象。
(3)模糊邏輯算法
采用模糊邏輯算法進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，是基于機(jī)器人本身裝備的傳感器的實(shí)時(shí)測量到的環(huán)境信息，通過查表得到規(guī)劃的控制策略，此算法計(jì)算量不大，能滿足實(shí)時(shí)性要求。模糊邏輯算法最大的特點(diǎn)是其控制規(guī)則是由人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的，能夠克服勢場法容易產(chǎn)生的局部極小問題，對(duì)處理環(huán)境未知下的規(guī)劃問題具有了很大的優(yōu)越性。對(duì)于解決當(dāng)遇到用通常的定量的方法來說是很復(fù)雜的問題或當(dāng)外界僅能夠提供定性的、近似的、不確定的信息數(shù)據(jù)時(shí)模糊邏輯算法是非常有效的。
(4)遺傳算法
遺傳算法運(yùn)用于輪椅機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究進(jìn)來取得了許多成果，其基本思想是：首先初始化種群內(nèi)的所有個(gè)體，即將個(gè)體編碼為路徑中一系列中途點(diǎn)，然后進(jìn)行遺傳操作，如選擇、交叉、復(fù)制、變異。經(jīng)過若干代進(jìn)化以后，停止進(jìn)化，輸出當(dāng)前最優(yōu)個(gè)體。遺傳算法主要依靠適應(yīng)度函數(shù)來控制進(jìn)化方向，因此，適應(yīng)度的構(gòu)造至關(guān)重要。遺傳算法作為并行算法，不容易陷入局部最優(yōu)，故更有可能搜索到全局最優(yōu)解。但和人工勢場法、模糊邏輯算法相比，遺傳算法實(shí)時(shí)性交叉，且需要較大的存儲(chǔ)空間和較多的運(yùn)算時(shí)間。
(5)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
近年來，隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的深入，人們已將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到智能機(jī)器人避障研究中，通過實(shí)例教學(xué)使網(wǎng)絡(luò)收斂，學(xué)習(xí)完成后的網(wǎng)絡(luò)，除了其固有的并行特性外，還具有一定的容錯(cuò)能力，并且對(duì)學(xué)習(xí)中未遇到的情況，也能進(jìn)行一定的處理。機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)性要求很高的非線性系統(tǒng)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了解決這方面問題的可能性。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高度并行的分布式系統(tǒng)，所以可用來完成對(duì)視覺系統(tǒng)探測到的圖像進(jìn)行處理，它不僅處理速度高，還可以充分利用其非線性處理能力達(dá)到環(huán)境及目標(biāo)辨識(shí)的目的，還可以完成機(jī)器人內(nèi)部坐標(biāo)和全局坐標(biāo)的快速轉(zhuǎn)換。另外，基于環(huán)境拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組織的網(wǎng)絡(luò)，在給出目標(biāo)后，還可以通過網(wǎng)絡(luò)能量函數(shù)的收斂得到一條最優(yōu)途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在導(dǎo)航中的應(yīng)用還在于對(duì)避障和路徑規(guī)劃方面。由于避障和路徑規(guī)劃工作沒有明顯的規(guī)則和難以進(jìn)行時(shí)間分類，可以讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過大量的實(shí)例學(xué)習(xí)來掌握。由于不需要迭代，采用前向網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法來學(xué)習(xí)避障行為時(shí)，速度很快；Kohonen網(wǎng)絡(luò)的自組織特性也可以用來融合傳感器信息，學(xué)習(xí)從地圖上不同位置到目標(biāo)的行走路線，一旦學(xué)習(xí)完成后，機(jī)器人就能夠?qū)崿F(xiàn)自主避障。
(6)基于滾動(dòng)窗口的路徑規(guī)劃算法
基于滾動(dòng)窗口的機(jī)器人路徑規(guī)劃是一類典型的在不確定環(huán)境下進(jìn)行路徑規(guī)劃的算法，它借鑒了預(yù)測控制滾動(dòng)優(yōu)化原理，把控制論中優(yōu)化和反饋兩種基本機(jī)制合理地融為一體，使得整個(gè)控制既基于模型與優(yōu)化的，又是基于反饋的。基于滾動(dòng)窗口的路徑規(guī)劃算法的基本思路：首先進(jìn)行場景預(yù)測，在滾動(dòng)的每一步，機(jī)器人根據(jù)其探測到的局部窗口范圍內(nèi)的環(huán)境信息，用啟發(fā)式方法生成局部子目標(biāo)，并對(duì)動(dòng)態(tài)障礙物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行頂測，判斷機(jī)器人行進(jìn)是否可能與動(dòng)態(tài)障礙物發(fā)生碰撞；其次，機(jī)器人根據(jù)窗口內(nèi)的環(huán)境信息及預(yù)測結(jié)果，選擇局部規(guī)劃算法，確定向子目標(biāo)行進(jìn)的局部路徑，并依所規(guī)劃的局部路徑行進(jìn)一步，窗口相應(yīng)向前滾動(dòng)；然后，在新的滾動(dòng)窗口產(chǎn)生后，根據(jù)傳感器所獲取的最新信息，對(duì)窗口內(nèi)的環(huán)境及障礙物運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行更新?；跐L動(dòng)窗口的路徑規(guī)劃方法，主要用于全局未知的環(huán)境中，該方法放棄了對(duì)全局最優(yōu)解的要求，利用機(jī)器人實(shí)時(shí)測得的局部環(huán)境信息，以滾動(dòng)方式進(jìn)行在線規(guī)劃，具有良好的避碰能力。滾動(dòng)窗口的路徑規(guī)劃是一種基于C自由空間的局部路徑規(guī)劃算法，由于滾動(dòng)窗口獲得的環(huán)境信息有限，就全局看來，按這種方法規(guī)劃出的整條路徑并非全局最優(yōu)，這也是所有局部路徑規(guī)劃方法都不可避免的問題。
語音識(shí)別技術(shù)
一個(gè)典型的語音識(shí)別過程包括語音信號(hào)的預(yù)處理、特征提取、訓(xùn)練、識(shí)別、后處理五個(gè)基本單元。
(1)預(yù)處理
語音信號(hào)的預(yù)處理，包括預(yù)濾波、語音信號(hào)的數(shù)字化、預(yù)加重處理、分幀、噪聲抑制和端點(diǎn)檢測等。語音信號(hào)的預(yù)處理是語音識(shí)別過程的前期預(yù)備工作，為以后各個(gè)環(huán)節(jié)的處理奠定了基礎(chǔ)。
(2)特征提取
預(yù)處理后進(jìn)行特征參數(shù)的提取，合理的選用語音特征是語音識(shí)別的一個(gè)根本問題，并且對(duì)系統(tǒng)的識(shí)別性能有著重要的影響。因此，針對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際需求，選用合理的語音特征參數(shù)是非常關(guān)鍵的。
(3)模型訓(xùn)練
經(jīng)過預(yù)處理及特征提取，進(jìn)行模型訓(xùn)練，訓(xùn)練過程的目的是讓系統(tǒng)從大量的真實(shí)語音中學(xué)習(xí)必要的模型參數(shù)形成語音參考模式庫。
(4)模式匹配
根據(jù)一定的規(guī)則，利用上述模型參數(shù)對(duì)輸入的語音進(jìn)行模式匹配，并給出一個(gè)識(shí)別結(jié)果。
(5)后處理
后處理單元可能涉及語句分析、語句理解、語義網(wǎng)絡(luò)以及語言模型等。它往往不是一個(gè)孤立的單元，而是與匹配計(jì)算單元、參考模式庫融合在一起，構(gòu)成一個(gè)邏輯關(guān)系復(fù)雜的系統(tǒng)整體。目前后處理在小詞匯量實(shí)用語音系統(tǒng)中還很難使用。
2.3.3 分類
語音識(shí)別系統(tǒng)可以根據(jù)對(duì)輸入語音的限制加以分類。如果從說話者與識(shí)別系統(tǒng)的相關(guān)性考慮，可以將識(shí)別系統(tǒng)分為3類：(1)特定人語音識(shí)別系統(tǒng)：僅考慮對(duì)于專人的話音進(jìn)行識(shí)別；(2)非特定人語音識(shí)別系統(tǒng)：識(shí)別的語音與人無關(guān)，通常要用大量不同人的語音數(shù)據(jù)庫對(duì)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)；(3)多人的識(shí)別系統(tǒng)：通常能識(shí)別一組人的語音，或者成為特定組語音識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅要求對(duì)要識(shí)別的那組人的語音進(jìn)行訓(xùn)練。
語音識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)對(duì)說話方式的要求，可以將識(shí)別系統(tǒng)分為3類：(1)孤立詞語音識(shí)別系統(tǒng)：孤立詞識(shí)別系統(tǒng)要求輸入每個(gè)詞后要停頓；(2)連接詞語音識(shí)別系統(tǒng)：連接詞輸入系統(tǒng)要求對(duì)每個(gè)詞都清楚發(fā)音，一些連音現(xiàn)象開始出現(xiàn)；(3)連續(xù)語音識(shí)別系統(tǒng)：連續(xù)語音輸入是自然流利的連續(xù)語音輸入，大量連音和變音會(huì)出現(xiàn)。如果從識(shí)別系統(tǒng)的詞匯量大小考慮，也可以將識(shí)別系統(tǒng)分為3類：(1)小詞匯量語音識(shí)別系統(tǒng)：通常包括幾十個(gè)詞的語音識(shí)別系統(tǒng)。(2)中等詞匯量的語音識(shí)別系統(tǒng)：通常包括幾百個(gè)詞到上千個(gè)詞的識(shí)別系統(tǒng)。(3)大詞匯量語音識(shí)別系統(tǒng)：通常包括幾千到幾萬個(gè)詞的語音識(shí)別系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算能力以及識(shí)別系統(tǒng)精度的提高，識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)詞匯量大小進(jìn)行分類也不斷進(jìn)行變化。目前是中等詞匯量的識(shí)別系統(tǒng)到將來可能就是小詞匯量的語音識(shí)別系統(tǒng)。這些不同的限制也確定了語音識(shí)別系統(tǒng)的困難度。
2.3.3 分析
一般來說，語音識(shí)別的方法有三種：基于語音學(xué)和聲學(xué)的方法、模板匹配的方法以及利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法?！?
(1)基于語音學(xué)和聲學(xué)的方法
該方法起步較早，在語音識(shí)別技術(shù)提出的開始，就有了這方面的研究。但由于其模型及語音知識(shí)過于復(fù)雜，現(xiàn)階段沒有達(dá)到實(shí)用的階段。
(2)模板匹配的方法
模板匹配的方法發(fā)展比較成熟，目前已達(dá)到了實(shí)用階段。在模板匹配方法中，要經(jīng)過四個(gè)步驟：特征提取、模板訓(xùn)練、模板分類、判決。常用的技術(shù)有三種：動(dòng)態(tài)時(shí)問規(guī)整(DTW)、隱馬爾可夫模型(HMM)理論、矢量量化(VQ)技術(shù)。
(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。
利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法是80年代末期提出的一種新的語音識(shí)別方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)本質(zhì)上是一個(gè)自適應(yīng)非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，模擬了人類神經(jīng)活動(dòng)的原理。具有自適應(yīng)性、并行性、魯棒性、容錯(cuò)性和學(xué)習(xí)特性。其強(qiáng)的分類能力和輸入一輸出映射能力在語音識(shí)別中都很有吸引力。但由于存在訓(xùn)練、識(shí)別時(shí)間太長的缺點(diǎn)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)探索階段。由于ANN不能很好的描述語音信號(hào)的時(shí)間動(dòng)態(tài)特性．所以常把ANN與傳統(tǒng)識(shí)別方法結(jié)合，分別利用各自優(yōu)點(diǎn)來進(jìn)行語音識(shí)別。這些結(jié)合形成的算法提高了識(shí)別的性能，并彌補(bǔ)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了識(shí)別系統(tǒng)的魯棒性。
三 研究內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案
根據(jù)調(diào)研結(jié)果，智能輪椅在國外已取得長足的發(fā)展，但大多數(shù)也都是在實(shí)驗(yàn)室或是少數(shù)定做，還沒有形成批量生產(chǎn)，在國內(nèi)也是近幾年才開始進(jìn)行研究。智能輪椅作為幫助殘疾人的一種服務(wù)機(jī)器人，應(yīng)以人為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，即應(yīng)當(dāng)在安全行駛和實(shí)用性方面下功夫。本文以人為本，對(duì)智能輪椅安全避障，語音控制中可避障控制，手動(dòng)控制進(jìn)行了深入研究。
(1)研究目的
本課題的目標(biāo)是構(gòu)建智能輪椅多模態(tài)控制系統(tǒng)：自主避障模態(tài)、手動(dòng)控制模態(tài)、語音控制中可避障模態(tài)。適應(yīng)多種用戶的需要。
(2)研究方法
本課題智能輪椅多模態(tài)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，采用超聲波傳感器測距原理和局部路徑規(guī)劃理論設(shè)計(jì)了輪椅自主避障模態(tài)，采用SPI模擬技術(shù)設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制模態(tài)，語音識(shí)別技術(shù)和決策層融合技術(shù)設(shè)計(jì)了語音控制可避障模態(tài)。
(3)研究結(jié)果
本課題在實(shí)驗(yàn)室外空曠區(qū)域進(jìn)行了智能輪椅多模態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，多模態(tài)控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以滿足多種用戶的需要，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
四 目標(biāo),主要特色及工作進(jìn)度
本課題創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
(1)僅在SPCE061A單片機(jī)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了語音控制中可避障控制、自主避障控制、手動(dòng)控制，使得智能輪椅人機(jī)交互性更強(qiáng)，運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定可靠。并且在功能上可以根據(jù)不同的用戶對(duì)象分模塊定制。
(2)利用超聲波測距原理和路徑規(guī)劃理論，以一塊SPCE061A單片機(jī)開發(fā)板為控制核心，電動(dòng)輪椅為控制載體，設(shè)計(jì)了智能輪椅自主避障模態(tài)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。
(3)基于安全角度考慮，在對(duì)語音控制單模態(tài)和自主避障控制單模態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了語音控制中可避障模態(tài)。
(4)利用SPI模擬技術(shù)設(shè)計(jì)了DA驅(qū)動(dòng)控制模塊和手動(dòng)控制模塊。
工作進(jìn)度:
(1) 收集有關(guān)資料,寫出相關(guān)報(bào)告; 3.24—4.3
(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 4.6---4.23
(3) 輪椅結(jié)構(gòu)及主要部件功能 4.26—5.5
(4) 繪制零件圖 5.7---5.25
(5) 撰寫論文 5.28—6.6
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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
目 錄
1 緒論 ............................................................................................................................ 2
1.1 國內(nèi)外發(fā)展情況 ............................................................................................................. 4
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ........................................................................................................................5
1.3 設(shè)計(jì)思路 ........................................................................................................................5
2 系統(tǒng)方案 .......................................................................................................................7
2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案 ....................................................................................................................7
2.2 控制方案 ........................................................................................................................9
2.3 總體方案 .......................................................................................................................10
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì) .................................................................................................................11
3.1 鏈條的傳動(dòng)設(shè)計(jì) ............................................................................................................11
3.2 電動(dòng)機(jī)的選用 ..............................................................................................................11
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ................................................................................................................12
4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ...............................................................................................................13
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ...........................................................................................................14
5 總 結(jié) ..........................................................................................................................14
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié) ....................................................................................................................... 14
5.2 展望 ........................................................................................................................... 14
參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................... 15
附錄 ...................................................................................................................................18
致謝 ..................................................................................................................................... 19
一、緒 論
1.1 自行走輪椅國內(nèi)外發(fā)展情況
隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手能力等）。
隨著人口的增長和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)老齡化問題已成為很多國家不得不認(rèn)真對(duì)待的重要問題之一。智能輪椅能夠幫助老年人和殘障人士獨(dú)立的生活，節(jié)省家庭護(hù)理費(fèi)用，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)。許多國家投入較多資金研究智能輪椅，涌現(xiàn)出許多成果，但由于價(jià)格和實(shí)用性的原因使它們暫時(shí)只能作為實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。
智能輪椅作為移動(dòng)機(jī)器人的一種,主要用來輔助老年人和殘疾人的日常生活和工作,是對(duì)他們?nèi)趸臋C(jī)體功能的一種補(bǔ)償.智能輪椅在作為代步工具的同時(shí)又可以使用攜帶的機(jī)器手臂完成簡單的日?；顒?dòng).使他們重新獲得生活能力,找回自立、自尊的感覺,重新融入社會(huì).因而,智能輪椅的研究得到越來越多的關(guān)注
本設(shè)計(jì)的研究目標(biāo)：在最經(jīng)濟(jì)的條件下，設(shè)計(jì)出一件最實(shí)用、最簡易操作的自行走輪椅，功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單、適用于傷殘人士、且能達(dá)到消費(fèi)者需求水準(zhǔn)的一件市場普及化產(chǎn)品。
主要特色：功能齊全、結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價(jià)格適當(dāng)、安全系數(shù)強(qiáng)
電動(dòng)輪椅技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化
1．產(chǎn)品特點(diǎn)
電動(dòng)輪椅作為一種安裝有傳感器，具有良好的智能控制功能的電動(dòng)輪椅，不但具有普通的當(dāng)前市面上電動(dòng)輪椅所具有的所有功能，而且可以實(shí)現(xiàn)更加友好的人機(jī)接口和良好的操作性能。例如，可以實(shí)現(xiàn)避碰功能和導(dǎo)航功能，甚至可以實(shí)現(xiàn)利用無線方式將使用者的位置和基本狀態(tài)傳送給醫(yī)護(hù)人員和家人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
自動(dòng)輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在自動(dòng)輪椅的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機(jī)接口
??????? 但由于整個(gè)輪椅系統(tǒng)以人為中心，所以在研究中要解決的核心是輪椅的安全導(dǎo)航問題所謂導(dǎo)航即是指移動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)先給定的任務(wù)命令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時(shí)調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛到達(dá)目標(biāo)位置
智能輪椅作為醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的服務(wù)機(jī)器人，其應(yīng)用大量使用了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)。在智能輪椅的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有導(dǎo)航系統(tǒng)、控制和能源系統(tǒng)、人機(jī)接口，但由于整個(gè)輪椅系統(tǒng)以人為中心，所以在研究中要解決的核心是輪椅的安全導(dǎo)航問題。所謂導(dǎo)航即是指移動(dòng)機(jī)器人按照預(yù)先給定的任務(wù)命令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過程中，不斷感知周圍的局部環(huán)境信息，自主地作出各種決策，并隨時(shí)調(diào)整自身位姿，引導(dǎo)自身安全行駛到達(dá)目標(biāo)位置。
隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明程度的提高，人們特別是殘疾人愈來愈需要運(yùn)用現(xiàn)代高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量和生活自由度。因?yàn)楦鞣N交通事故、天災(zāi)人禍和種種疾病，每年均有成千上萬的人喪失一種或多種能力（如行走、動(dòng)手能力等）。因此，對(duì)用于幫助殘障人行走的機(jī)器人輪椅的研究已逐漸成為熱點(diǎn)，如西班牙、意大利等國，中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所也成功研制了一種具有視覺和口令導(dǎo)航功能并能與人進(jìn)行語音交互的智能輪椅。
???????近幾年來我國輪椅車的生產(chǎn)近幾年有了較大的發(fā)展，據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，目前全國規(guī)模以上輪椅生產(chǎn)企業(yè)約有30多家企業(yè)，主要集中在東部及沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，外商投資輪椅生產(chǎn)企業(yè)在中國輪椅行業(yè)占絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位。近年來隨著人口老齡化到來及我國殘疾人康復(fù)事業(yè)的發(fā)展，這為輪椅生產(chǎn)企業(yè)提供了良好的空間和廣闊的市場前景。
。
3．同國外產(chǎn)品的綜合比較
技術(shù)水平方面：與國外相比國內(nèi)已經(jīng)基本上沒有差距，在某些方面甚至還具有一定優(yōu)勢。
生產(chǎn)工藝方面：雖然與國外相比還有一定差距，但通過分析解剖國外產(chǎn)品特點(diǎn)，利用自身優(yōu)勢可以在較短時(shí)間內(nèi)縮小這種差距。研發(fā)和生產(chǎn)成本方面：與國外相比，國內(nèi)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。市場潛力方面：國內(nèi)電動(dòng)輪椅市場剛剛啟動(dòng)，尚沒有強(qiáng)有力的競爭對(duì)手，市場潛力非常大。
4．國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)情況介紹
首先，國內(nèi)尚無具備智能輪椅生產(chǎn)的企業(yè)，現(xiàn)有的輪椅生產(chǎn)企業(yè)還主要定位在電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)上。且由于國內(nèi)目前上不具備研制開發(fā)高性能電動(dòng)輪椅控制器的能力，國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)的電動(dòng)輪椅產(chǎn)品基本上都采用了國外的電動(dòng)輪椅控制器，甚至部分企業(yè)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成也采用了外購方式，因此國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)的產(chǎn)品成本居高不下，影響了市場購買能力的形成。同時(shí)由于不得不采用價(jià)格昂貴的進(jìn)口控制器，國內(nèi)電動(dòng)輪椅產(chǎn)品的市場售價(jià)長期以來居高不下，難以為普通用戶接受，也直接影響了電動(dòng)輪椅市場的啟動(dòng)。
5．國家產(chǎn)業(yè)支持
國家科技發(fā)展部門已經(jīng)看到智能輪椅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)，已經(jīng)從國家的產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行支持。
下圖是普通輪椅圖
下圖為設(shè)計(jì)的自行走輪椅產(chǎn)品圖
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的是為殘疾人士和老年人設(shè)計(jì)一款自行走輪椅。
自行走輪椅作為老年人和殘疾人的代步工具,有著嚴(yán)格的技術(shù)要求。輪椅優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能和嚴(yán)格的安全性保障是首要的技術(shù)要求。
技術(shù)要求主要如下
1. 基本驅(qū)動(dòng)功能
輪椅的模擬給定是由操縱桿發(fā)出的, 由速度檔位設(shè)置按鍵來設(shè)定輪椅最高和最低運(yùn)行速度。輪椅在起/制動(dòng)時(shí)必須平滑穩(wěn)定和安全。自行走輪椅對(duì)電機(jī)的起/制動(dòng)快速性沒有特殊要求, 但對(duì)機(jī)械特性有相對(duì)較高的要求。輪椅必須能夠至少爬行5°的坡, 能夠在草地等比較糟糕的路況下運(yùn)行, 能夠在左/右驅(qū)動(dòng)輪處于不同路面時(shí)正常運(yùn)行。
2.故障檢測及保護(hù)
控制器應(yīng)能自動(dòng)進(jìn)行故障診斷、定位和報(bào)警,并對(duì)一些常見故障進(jìn)行顯示。當(dāng)輪椅運(yùn)行時(shí)如果檢測出故障, 系統(tǒng)能夠使輪椅安全停止并鎖定;當(dāng)輪椅靜止時(shí)出現(xiàn)故障, 系統(tǒng)應(yīng)能夠立即鎖定輪椅
1.3 設(shè)計(jì)思路
本品設(shè)計(jì)的路線是在普通輪椅上增加電路和電動(dòng)機(jī)，用電能來取代手動(dòng)，從而使傷殘人士和老年人更方便使用輪椅。電機(jī)選擇的是Y160M1，連接電路來帶動(dòng)鏈條連接機(jī)構(gòu)。用單片機(jī)輸出、輸入信號(hào)，連接到輪椅扶手上的控制器，當(dāng)控制器給出命令的時(shí)候，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，再通過電機(jī)帶動(dòng)鏈條，使整個(gè)輪椅能運(yùn)動(dòng)起來。
本款自行走輪椅最快速度為10km/h,具備轉(zhuǎn)向、加速、減速、剎車功能。
二、系統(tǒng)方案
2.1 機(jī)械系統(tǒng)方案
圖1 自行走輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖
上圖1為輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成?？梢? 自行走輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由操縱桿信號(hào)處理部分、電機(jī)控制部分和輪椅狀態(tài)檢測分組成。操縱桿輸出的信號(hào)經(jīng)過操縱桿信號(hào)處理部分后被合成為帶起/制動(dòng)S曲線和死區(qū)的輪椅的速度和方向給定值。這個(gè)給定值就是用戶給控制器的控制指令。電機(jī)控制部分接收用戶的指令和反饋信號(hào)來合成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和其他控制信號(hào)。這部分是輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心部分。電機(jī)檢測部分檢測電機(jī)和控制器的工作狀態(tài)。這些檢測信號(hào)被用作電機(jī)的控制信號(hào)和其它部分的控制信號(hào)。
1.1 操縱桿輸出信號(hào)速度給定合成由于操縱桿輸出是二維的隨著位置變化而成比例變化的電壓信號(hào), 故非常適合用來控制自行走輪椅。用戶前后推動(dòng)操縱桿可以控制輪椅的運(yùn)行速度, 左/右推動(dòng)可以控制輪椅的轉(zhuǎn)向方向和轉(zhuǎn)向速度的大小。下面介紹怎樣把一個(gè)二維的操縱桿
輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為速度和轉(zhuǎn)向控制指令。如果把操縱桿的信號(hào)看作是二維輸出信號(hào),分別在二維坐標(biāo)系中用X軸和Y軸表示[ 1 ]。
圖2 操縱桿輸出信號(hào)矢量合成示意圖
可以將X軸信號(hào)看作是輪椅的轉(zhuǎn)向速度給定信號(hào), 而Y軸信號(hào)則可以看作是輪椅的前向和后向速度給定信號(hào)。因此, 如果用戶想要轉(zhuǎn)向和前進(jìn),則可將輪椅的運(yùn)動(dòng)方向看作是X和Y的矢量合成,如圖2中所示F。而左/右電機(jī)的速度給定Sl 和Sr可從下式得出[ 2 ] :
Sl =Cx Fx +Cy Fy±Smax(1)
Sr =- Cx Fx +Cy Fy±Smax(2)
其中, 設(shè)Smax為速度給定最大值, Cx代表輪椅的轉(zhuǎn)向速度特性, 而Cy 則代表輪椅在前向和反向的速度特性。如果以上公式的計(jì)算結(jié)果大于了輪椅最大轉(zhuǎn)向速度, 則用最大轉(zhuǎn)向速度代替計(jì)算結(jié)果。
圖3表示以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí), 輪椅的左/右輪速度給定曲線。如果Sl 和Sr 的值都是正的, 則輪椅向前前進(jìn)轉(zhuǎn)向, 否則是后退轉(zhuǎn)向。當(dāng)輪椅向左轉(zhuǎn)時(shí), 右輪正向轉(zhuǎn)動(dòng), 左輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不變; 相反, 當(dāng)輪椅向右轉(zhuǎn)時(shí), 左輪正向轉(zhuǎn)動(dòng), 右輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)或保持不變。當(dāng)一個(gè)輪保持不轉(zhuǎn)動(dòng)而另外一個(gè)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 輪椅做原地360°轉(zhuǎn)彎。
圖3 以不同角度旋轉(zhuǎn)操縱桿時(shí)輪椅的左/右輪的速度曲線
1.2 速度給定的S曲線設(shè)計(jì)
(1) 設(shè)計(jì)思路。S曲線本身是一個(gè)非線性函數(shù),其合成和編程都非常復(fù)雜。S曲線的形狀如圖4虛線所示。在輪椅起動(dòng)時(shí)應(yīng)該是一個(gè)拋物線形狀, 然后是輪椅的加速過程, 直至輪椅最大速度后, 加速度為零, 輪椅以恒定最大給定速度運(yùn)行; 制動(dòng)時(shí),輪椅先以直線的斜率減速, 最后在拋物線段舒緩地停止。本文用圖4中的一個(gè)折線近似地代替S曲線,用三段折線用來模擬拋物線。這使得編程非常簡單,實(shí)踐證明, 控制效果非常理想。
圖4 輪椅速度給定的S曲線示意圖
(2) 實(shí)現(xiàn)方法。利用中斷時(shí)間和人體對(duì)加速度變化率的敏感特性來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)人體對(duì)加速度和加速度變化率的敏感特性知, 當(dāng)加速度或減速度最大值不大于1.5 m / s2、平均加減速度不低于0.5 m / s2、加速度變化率小于1.5 m / s3 時(shí), 人體的舒適感比較好。設(shè)系統(tǒng)的中斷周期為T, 直線的斜率為K, 規(guī)定輪椅在t時(shí)間內(nèi)加速到速度給定最大值Smax , 則:
K =Smaxt/T=SmaxtT (3)
圖4中, 三段線段斜率比值為: K1 ∶K2 ∶K3 = 1 ∶1.92 ∶2.6。具體程序?qū)崿F(xiàn)見第四節(jié)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, K1、K2、K3 都被設(shè)置為可編程調(diào)節(jié)參數(shù),用戶可以根據(jù)自己的舒適性要求來進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
2.2 控制方案設(shè)計(jì)
對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說, 用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋可以獲得比較滿意的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是, 在本文的自行走輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是非常困難的, 因?yàn)闊o法安裝轉(zhuǎn)速檢測裝置。故在設(shè)計(jì)中采用電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償?shù)目刂品椒╗ 3 ]。如果忽略電樞壓降, 則直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端電壓成正比, 所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。采用電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖5所示
圖5 電壓負(fù)反饋和電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)原理圖
其中, V +、V - 分別為電動(dòng)機(jī)兩端的電壓。它們同時(shí)被送入DSP 的AD采樣通道中, 在軟件中對(duì)V +、V - 進(jìn)行差分得到電機(jī)兩端的電壓。這樣可以消除由于電源電壓波動(dòng)等因素引起的電機(jī)端電壓的誤差。R1、R2 是采樣電阻, 之所以有兩個(gè)采樣電阻, 是因?yàn)槲闹兴懻摰碾妱?dòng)輪椅控制系統(tǒng)采用雙極性模式, 可在四象限運(yùn)行。由如圖5所示的H橋可知, R2、R1可分別檢測電機(jī)的正反向電流。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)控制方框圖如圖6所示。
2.3 總體方案：
在多次觀察了普通輪椅之后，發(fā)現(xiàn)在普通輪椅的座位底部安裝雙電動(dòng)機(jī)，然后把鏈條安裝在雙電動(dòng)機(jī)的連桿上，利用單片機(jī)來輸出、輸入信號(hào)，在單片機(jī)和雙電動(dòng)機(jī)的電路連接下，使整個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)有一個(gè)完整的回路。從而實(shí)現(xiàn)這款自行走輪椅的運(yùn)行。
整個(gè)設(shè)計(jì)思路其實(shí)比較是簡單的，在安裝了設(shè)計(jì)電路后，通過電動(dòng)機(jī)做功來帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)自行走輪椅行走、加速、減速、剎車的各項(xiàng)功能。
三、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 鏈條傳動(dòng)設(shè)計(jì)
雙電機(jī)組合帶動(dòng)鏈條，以電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，電帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)上的桿和錐齒輪，通過鏈條的連接機(jī)構(gòu)，而帶動(dòng)車輪連桿上的鏈輪，這樣形成一個(gè)整體機(jī)構(gòu)過程。
開啟電源后，當(dāng)控制器發(fā)出運(yùn)行命令時(shí)，信號(hào)通過單片機(jī)電路與電動(dòng)機(jī)連接，電動(dòng)機(jī)開始啟動(dòng)，通過鏈條的傳動(dòng)，帶動(dòng)車輪向前或者向后行駛。
3.2 電動(dòng)機(jī)的選用
本設(shè)計(jì)用的是雙電機(jī)組合，所以在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，依照自行走輪椅運(yùn)行時(shí)最大速度10km/h，來選擇電動(dòng)機(jī)。
=
=
選擇的電動(dòng)機(jī)是Y160M1 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速720
車輪的轉(zhuǎn)速：
則：
實(shí)際功率：
傳動(dòng)比：
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，選用的是ST公司的L298N電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。
圖中電源和地之間接入了去耦電容，在電機(jī)線圈兩端分別接入二極管進(jìn)行過流保護(hù)。
四、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總的流程如圖7所示。本文設(shè)計(jì)的輪椅控制系統(tǒng)是純數(shù)字化控制。系統(tǒng)軟件采用匯編語言編寫, 代碼運(yùn)行效率高; 采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法, 各功能模塊之間除接口變量外互相獨(dú)立。
圖7 輪椅運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖
五、總 結(jié)
5.1 設(shè)計(jì)總結(jié)
本文以自行走輪椅運(yùn)動(dòng)控制為背景,依據(jù)系統(tǒng)控制方案編制了相應(yīng)的控制軟件, 軟件模塊化并考慮了參數(shù)修改和運(yùn)行狀態(tài)顯示等功能。經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)行, 技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期要求。從考慮人的舒適性和可靠性出發(fā), 提出了基于電壓檢測的功率管故障及主電路故障判斷、定位的實(shí)施方案, 并給出了速度給定S曲線計(jì)算公式和軟件編程算法。運(yùn)行效果良好。操縱桿是輪椅運(yùn)動(dòng)速度方向和大小的給定裝置。
通過分析其原理導(dǎo)出了計(jì)算公式, 并通過軟件實(shí)現(xiàn)取得了良好效果?？傊? 本文完成了輪椅運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)、調(diào)試和試運(yùn)行, 各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo), 驗(yàn)證了硬、軟件方案正確性及可行性。
本文的項(xiàng)目設(shè)計(jì)以《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)先進(jìn)制造技術(shù)
領(lǐng)域“服務(wù)機(jī)器人”重點(diǎn)項(xiàng)目2006年度課題申請(qǐng)指南》中課題l——智能輪椅關(guān)
鍵技術(shù)、單元部件及目標(biāo)產(chǎn)品的研發(fā)的主要考核指標(biāo)為參考技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是
構(gòu)建一個(gè)為老年人和殘疾人服務(wù)的自行走輪椅。
從自行走輪椅功能的角度對(duì)輪椅的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將自行走輪
椅分為機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、控制三部分。重點(diǎn)介紹了自行走輪椅控制系統(tǒng)，最主要的是設(shè)計(jì)了DA轉(zhuǎn)換平臺(tái)，成功接管了智能輪椅核心控制器。利用控制器，成功實(shí)現(xiàn)自行走控制系統(tǒng)。
在設(shè)計(jì)電路控制器的工作，讓單片機(jī)開發(fā)板通過程序直接控制輪椅運(yùn)動(dòng)。
5.2 展望
如前所述，本課題設(shè)計(jì)自行走輪椅控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了實(shí)用性
的要求。但由于多方面的原因，該系統(tǒng)需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，還存在著很
多不足。
在采用輪椅控制器控制電機(jī)時(shí)沒有加入測速環(huán)節(jié)構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系
統(tǒng)。由于每個(gè)用戶的體重不同，且輪椅行駛的路面情況不同，根據(jù)直流電機(jī)負(fù)
載特性曲線可知，輪椅的實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)與設(shè)定值不同，這在實(shí)際應(yīng)用中是
不應(yīng)該出現(xiàn)的，雖然在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低成本的控制，仍然無法達(dá)到最智能的效果。
缺乏機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用。本項(xiàng)目中圖像傳感器僅應(yīng)用于路徑跟
蹤，沒有開發(fā)復(fù)雜的圖像處理與識(shí)別算法，且此處僅適用于跟蹤白色路面上的
黑色路標(biāo)，使用場合有限。應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器視覺技術(shù)能夠大大提高輪椅的自主
性和智能化。
61
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附錄
Al 主要尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)
A1. 1 外形尺寸:長、寬、高,mm,
Al. 2 軸距，mm.
A1. 3 輪距，mm,
Al. 4 離地間隙,mmo
Al. 5 轉(zhuǎn)彎半徑'Mm.
Al-6 重量,kg,
Al. 7 最大載荷，kg.
Al.8 前后輪規(guī)格。
Al-9 輪胎氣壓，kPa0
A2 電氣參數(shù)
A2.1 電動(dòng)機(jī):型號(hào);
額定電壓 ， V;
額定功率 ， W 0
A2.2 蓄電池:型號(hào);
額定容量 ,A · h ;
額定電壓 ， V;
裝備數(shù)量 ，個(gè) 。
A2.3 充電器:電源,V,Hz;
輸 出電 壓 ， V;
最 大 輸 出 電 流 ，A 0
A2.4 調(diào)速器:最大輸出電流，A;
連 續(xù) 工 作 電 流 ,A 0
A2.5 速度調(diào)節(jié)方式:分級(jí)變速;
無 級(jí) 變 速 。
A2.6 電壓指示，V0
A3 主要技術(shù)性能參數(shù)
A3.1 最大速度，km/h
A3.2 制動(dòng)性能，m0
A3.3 爬坡能力，(。)。
A3.4 耗電量,kW " h/100 km.
A3.5 縱向穩(wěn)定性，(。)。
A3.6 側(cè)向穩(wěn)定性，(0)
附錄說明：
本標(biāo)準(zhǔn)由中華人民共和國民政部提出。
本標(biāo)準(zhǔn)由全國殘疾人康復(fù)和專用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)歸口。
本標(biāo)準(zhǔn)由民政部北京假肢科學(xué)研究所、上海輪椅車廠、河北省假肢廠和浙江省(IQ肢廠負(fù)責(zé)起草。
致謝
通過了近兩個(gè)月的時(shí)間，我們了解到了很多關(guān)于機(jī)構(gòu)類設(shè)計(jì)的知識(shí)，本論文是在導(dǎo)師袁坤副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題到每一個(gè)階段性成果，再到畢業(yè)論文的最后形成無不凝聚著袁老師的悉心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。袁老師忘我的工作精神，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識(shí)，給我留下了深刻的印象，使我終生受益。謹(jǐn)在論文完成之際，向袁老師表示衷心的感謝和崇高的敬意!
感謝本組的每一位同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中的真誠協(xié)助與交流及生活上給予的諸多幫助。感謝機(jī)電分院的眾位老師對(duì)我的辛勤指導(dǎo)，是你們的悉心教誨讓我在大學(xué)期間不僅學(xué)到很多理論上的知識(shí)，也讓我懂得了很多的人生哲理。衷心感謝所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們!
最后，謹(jǐn)向百忙之中抽出寶貴時(shí)間評(píng)審本論文的各位專家致以誠摯的謝意!
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