一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置及方法与流程

本发明涉及控制领域，具体涉及一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置及方法。

背景技术：

轮椅车是老年人和残障人士的主要代步工具，用来帮助他们提高行动的自由度和完成日常的工作和生活。电动轮椅车具有操控方便，使用简单，但由于独自操作，配件外面路况崎岖，上下坡的时候容易产生倾翻事故。在轮椅行驶过程中因道路问题使车体产生倾斜，既容易发生危险，倾斜又造成了用户的心理恐惧，使得用户体验很差。为防止车体倾斜所造成的问题有必要对倾斜角度进行实时监测，并且在监测的基础上，从用户体验和安全性双方面对现有技术中的轮椅车进行改进，从而有效规避车体倾斜对用户造成的影响。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置及方法。

本发明是以如下技术方案实现的，一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置及方法，包括倾角监控模块，所述倾角监控模块包括主控单元、信号采集单元、报警单元和电机驱动控制单元，所述信号采集单元通过加速度传感器将加速度转化为模拟电压信号并输出，所述主控单元获取所述信号采集单元X和Y两个方向输出的模拟电压信号，并将所述模拟电压信号转换为表征加速度的数字信号A_x、A_y和A_z，根据如下公式并计算X和Y两个方向上的倾角，

X方向的倾角即为加速度传感器X轴与水平面X轴倾角

X方向的倾角即为加速度传感器Y轴与水平面Y轴倾角

在采样过程中，若X方向倾角超过第一阈值或Y方向倾角超过第二阈值，所述主控单元控制所述报警单元立即输出报警信号，所述报警信号用于提醒用户并且请求所述电机驱动控制单元启动处理程序，所述处理程序包括减速慢行模式，所述减速慢行模式用于降低电动轮椅车运行速度，具体包括降低电动轮椅车的最大速度，最大加速度等措施，从而防止所述轮椅车倾翻。

优选的，还包括座椅、支撑平台、水平车架、电机系统和车轮组，所述支撑平台包括由动平台构成的上层平台和由定平台构成的下层平台，所述座椅设置于所述动平台之上，所述定平台的底部与所述水平车架连接，所述电机系统设置于所述水平车架下方，所述倾角监控模块设置于所述轮椅车的定平台正下方，所述倾角监控模块还包括第一通讯单元，

所述支撑平台为并联机器人机构，由动平台、定平台和连接所述动平台和所述定平台的三条支链组成，所述三条支链结构相同，均由与所述动平台连接的第一连杆和与所述定平台连接的第二连杆构成，所述第一连杆的一端通过第一球副与动平台连接，第一连杆的另一端通过转动副与所述第二连杆的一端连接，所述第二连杆的另一端通过第二球副与定平台连接；

所述动平台底部设置有运动控制模块，所述运动控制模块包括第二通讯单元、控制单元和驱动单元，所述第二通讯单元与所述第一通讯单元通讯，获取所述X方向倾角和Y方向倾角，所述驱动单元与所述第一转动副、第二转动副和球副分别连接，用于驱动所述三条支链进行运动，所述控制单元根据所述X方向倾角和所述Y方向倾角通过所述驱动单元对所述三条支链的姿态进行控制，进而调整所述动平台的姿态，对所述动平台在X方向倾角和在Y方向倾角进行补偿，

所述水平车架为矩形结构，所述车轮组包括驱动轮和万向轮，所述万向轮位于所述水平车架前部的下部，所述驱动轮位于所述水平车架后部的下部，所述驱动轮具有回转轴，

所述电机系统用于控制所述轮椅车的运动状态，所述水平车架下部还设置有电磁离合器，所述电磁离合器通过打开或关闭控制所述驱动轮的回转轴，从而实现两种驱动模式，当所述电磁离合器打开时，所述驱动轮与所述座椅分离，所述驱动轮能够进行原地旋转；所述电磁离合器闭合时，强制所述驱动轮与所述座椅合二为一并且所述驱动轮与所述座椅的方向一致。

优选的，所述动平台为等腰直角三角形。

优选的，所述第一通讯单元将X方向倾角和Y方向倾角传输至所述第二通讯单元，所述第二通讯单元将所述X方向倾角和所述Y方向倾角传输至所述控制单元，

若所述X方向倾角超过第三阈值或所述Y方向倾角超过第四阈值，所述控制单元通过控制所述驱动单元调整所述三条支链的姿态，从而对所述动平台在X方向的倾角和在Y方向倾角进行补偿，所述第三阈值大于所述第一阈值，所述第四阈值大于所述第二阈值。

优选的，所述驱动轮上设置有驱动轮锁止机构，所述驱动轮锁止机构由所述电机驱动控制单元驱动，所述处理程序还包括：

所述电机驱动控制单元发出停止命令，所述电机系统停止工作，所述驱动轮失去动力；所述驱动轮锁止机构控制所述驱动轮，所述驱动轮不能够进行转动。

优选的，所述主控单元每间隔预设时间驱动所述信号采集单元对X方向和Y方向进行采样。

优选的，所述第一阈值不大于10°、第二阈值不大于10°，第一阈值不大于20°、第二阈值不大于15°。

优选的，所述主控单元为嵌入式单片机，所述信号采集单元测量范围为±45°，分辨率为±1°。

一种防倾翻方法，所述方法使用上述的一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置，所述装置输出相互垂直的两个方向的倾角，分别为第一倾角和第二倾角，包括以下步骤：

获取第一倾角和第二倾角；

判断第一倾角是否达到第一阈值或第二倾角是否达到第二阈值：

若第一倾角达到第一阈值或第二倾角达到第二阈值，则输出报警信号，并将处理程序调整至减速慢行模式，否则，

判断第一倾角是否达到第三阈值或第二倾角是否达到第四阈值：

若第一倾角达到第三阈值或第二倾角达到第四阈值，则电机驱动控制单元停止工作，启动驱动轮锁止机构，并启动并联机器人补偿角度。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置及方法，本发明通过使用加速度传感器器获取轮椅车的倾斜角，并通过双重控制机制对轮椅车的倾斜进行处理：

(1)通过设定电机驱动控制单元启动处理程序，从而使得定平台在倾斜达到第一阈值或第二阈值角度的情况下，电动轮椅车能够自动报警，启动应急程序减速慢行，降低最大速度和最大加速度，从而防止倾斜过度发生倾翻。

(2)当倾斜角度瞬间达到第三阈值或第四阈值时，电动轮椅车停止运行，通过使用并联机器人提升动平台的自由度，从而使得定平台在倾斜的情况下，轮椅车能够通过并联机器人的姿态调整改善动平台的倾斜情况，从而使得用户坐在座椅上的倾斜感降低，提升用户体验，保证用户安全。

(3)采用两种驱动模式，电磁离合器打开时，驱动轮与座椅分离，驱动轮能够进行原地旋转；电磁离合器闭合时，强制驱动轮与座椅合二为一并且驱动轮与座椅的方向一致。

附图说明

图1是实施例1中支撑平台结构图；

图2是实施例1中控制系统逻辑结构图；

图3是实施例2中轮椅侧翻简化模型受力图；

图4是实施例2中轮椅后倾翻简化模型受力图；

图5是实施例2中轮椅倾翻简化受力图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1：

一种包含加速度传感器的电动轮椅车防倾翻装置，包括加速度传感器、倾角监控模块、座椅、支撑平台、水平车架、电机系统和车轮组，所述支撑平台包括由动平台构成的上层平台和由定平台构成的下层平台，所述座椅设置于所述动平台之上，所述定平台的底部与所述水平车架连接，所述电机系统均设置于所述水平车架下方。

所述倾角监控模块设置于所述轮椅车的定平台正下方，如图2所示，所述倾角监控模块6包括第一通讯单元61、主控单元62、信号采集单元63、电机驱动控制单元64和报警单元65，所述信号采集单元63采集加速度传感器并将加速度转化为模拟电压信号输出，所述主控单元62获取所述信号采集单元63X和Y两个方向输出的模拟电压信号，并将所述模拟电压转换为表征加速度的数字信号A_x、A_y和A_z，并根据如下公式并计算X和Y两个方向上的倾角，

X方向的倾角即为加速度传感器X轴与水平面X轴倾角

X方向的倾角即为加速度传感器Y轴与水平面Y轴倾角

在采样过程中，若X方向倾角超过第一阈值或Y方向倾角超过第二阈值，所述主控单元控制所述报警单元65立即输出报警信号，所述报警信号用于提醒用户并且请求所述电机驱动控制单元64启动处理程序，所述处理程序包括减速慢行模式，所述减速慢行模式用于降低电动轮椅车运行速度，具体包括降低电动轮椅车的最大速度，最大加速度等措施，从而防止所述轮椅车倾翻。

所述主控单元62每间隔预设时间驱动所述信号采集单元63对X方向和Y方向进行采样。所述主控单元62为8051单片机，所述信号采集单元63测量范围为±45°，分辨率为±1°。

所述支撑平台如图1所示，为并联机器人机构，由动平台1、定平台0和连接所述动平台1和所述定平台0的三条支链组成，所述三条支链结构相同，均由与所述动平台连接的第一连杆L1和与所述定平台连接的第二连杆L2构成，所述第一连杆L1的一端通过第一球副2与动平台连接，第一连杆L1的另一端通过转动副3与所述第二连杆L2的一端连接，所述第二连杆L2的另一端通过第二球副4与定平台0连接；

所述动平台1为等腰直角三角形，所述动平台1底部设置有运动控制模块5，所述运动控制模块5包括第二通讯单元51、控制单元52和驱动单元53，所述第二通讯单元51与所述第一通讯单元61通讯，获取所述X方向倾角和Y方向倾角，所述驱动单元53与所述第一转动副2、第二转动副3和球副4分别连接，用于驱动所述三条支链进行运动，所述控制单元52根据所述X方向倾角和所述Y方向倾角通过所述驱动单元53对所述三条支链的姿态进行控制，进而调整所述动平台1的姿态，对所述动平台1在X方向倾角和在Y方向倾角进行补偿。

所述第一通讯单元将X方向倾角和Y方向倾角传输至所述第二通讯单元，所述第二通讯单元将所述X方向倾角和所述Y方向倾角传输至所述控制单元，

若所述X方向倾角超过第三阈值或所述Y方向倾角超过第四阈值，所述控制单元52通过控制所述驱动单元53调整所述三条支链的姿态，从而对所述动平台1在X方向的倾角和在Y方向倾角进行补偿，所述第三阈值大于所述第一阈值，所述第四阈值大于所述第二阈值。所述第一阈值和第二阈值均为10°，第三阈值为20°和第四阈值为15°。

所述水平车架为矩形结构，所述车轮组包括驱动轮和万向轮，所述万向轮位于所述水平车架前部的下部，所述驱动轮位于所述水平车架后部的下部，所述驱动轮具有回转轴，

所述电机系统用于控制所述轮椅车的运动状态，所述水平车架下部还设置有电磁离合器，所述电磁离合器通过打开或关闭控制所述驱动轮的回转轴，从而实现两种驱动模式，当所述电磁离合器打开时，所述驱动轮与所述座椅分离，所述驱动轮能够进行原地旋转；所述电磁离合器闭合时，强制所述驱动轮与所述座椅合二为一并且所述驱动轮与所述座椅的方向一致。

具体地，所述驱动轮上设置有驱动轮锁止机构，所述驱动轮锁止机构由所述电机驱动控制单元驱动，所述处理程序还包括：

所述电机驱动控制单元发出停止命令，所述电机系统停止工作，所述驱动轮失去动力；所述驱动轮锁止机构控制所述驱动轮，所述驱动轮不能够进行转动。

相应的，本实施例还提供使用上述装置防止电动轮椅车倾翻的方法为：采集X方向倾角，当达到第一阈值时，启动报警单元65报警，并电机驱动控制单元64驱动减速慢行，降低最大速度和最大加速度，防止电动轮椅车发生倾翻，当X方向倾角达到第三阈值时，电机驱动控制单元64实施停止工作，启动驱动轮锁止机构，驱动单元53启动并联机器人补偿角度。同理Y角度一样。

本实施例通过设定电机驱动控制单元启动处理程序，从而使得定平台在倾斜达到一定角度的情况下，启动报警程序，当到达第一阈值或第二阈值时，轮椅能够自动启动应急程序减速慢行，降低电动轮椅车的最大速度，最大加速度，从而防止倾斜过度发生倾翻。

通过使用并联机器人提升动平台的自由度，从而使得定平台在倾斜角度达到第三阈值和第四阈值的情况下，轮椅能够通过并联机器人的姿态调整改善动平台的倾斜情况，从而使得用户坐在座椅上的倾斜感降低，提升用户的体验，保证用户安全性。

实施例2：

与实施例1的区别在于：

倾角监控模块中，信号采集单元采用ADXL345传感器芯片，所述ADXL345传感器芯片不仅能够在倾斜检测应用中测量待测物体的静态重力加速度，还能够测量运动或冲击导致的动态加速度，具有高分辨率的显著优势，能够测量不到1.0゜的倾斜角度变化，并且测量范围较大。所述信号采集单元需要采用IIC接口来访问，输出量是与倾斜角度呈线性关系的电压信号。

主控单元采用STM32芯片作为主控制器，这款芯片具有高速、低功耗、超强抗干扰的优良性能，并且指令代码完全兼容传统单片机，工作速度又比单片机快8～12倍，内部集成有MAX810专用复位电路、4路PWM和8路高速8位A/D转换，能够满足对ADXL345传感器芯片的采样。利用STM32芯片内部的模数转换器对ADXL345传感器芯片输出的模拟信号进行周期性模数转换并采样，在软件设计中，配置主控芯片每隔10ms对两路模拟通道进行一次采样，并将采集到的数据与预设的阈值比较。若X方向倾角超过第一阈值或Y方向倾角超过第二阈值，所述报警单元65立即输出报警信号，所述报警信号用于提醒用户并且请求所述电机驱动控制单元64启动处理程序，所述处理程序用于减速，防止所述轮椅车倾翻；若X方向倾角超过第三阈值或Y方向倾角超过第四阈值，电机驱动控制单元64实施停止工作，启动驱动轮锁止机构，驱动单元53启动并联机器人补偿角度。

此外，倾角监控模块的监测结果同步传输至运动控制模块，若X方向倾角超过第三阈值或Y方向倾角超过第四阈值，所述运动控制模块的控制单元根据所述X方向倾角和所述Y方向倾角控制所述运动控制模块的驱动单元，对所述动平台在X方向的倾角和在Y方向倾角进行补偿。

本实施例中第三阈值和第四阈值的设定通过简化轮椅倾斜模型计算获得，轮椅侧翻的简化模型示意图如图3和图4所示，受力图如图5所示。

忽略人体的重心偏移问题，认为人在轮椅上的重心是稳定不变的情况下人和轮椅总体的重心高度为590mm，位于轮椅对称的中间位置，则轮椅水平时重心距地面高a＝590mm，距后车轮的距离为轮椅两轮距离的一半即b＝221mm。

假设轮椅倾斜角度为α时，轮椅处于倾翻的临界状态，计算出临界值的倾斜角度。轮椅除受到自身的重力还有倾斜点的支撑力，根据力学原理得到下面的平衡方程：

G sinα×a-G cosα×b＝0

简化后得到cosα×b＝sinα×a

对等号两边同时平方，利用三角函数公式计算可得：

$sin\mathrm{\α}=\sqrt{\frac{b^2}{a^2+b^2}}$

将a和b的值带入上式求得

sinα＝0.37

α＝20°

同理得出β＝15°

经过计算得到在理想状态下，轮椅发生侧翻的临界角度为20°。因此，在第三阈值和第四阈值设定时，均应保证第三阈值小于20°与第四阈值小于15°。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。