专利名称：一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术领域，特别是一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法。
背景技术：
随着世界人口老龄化进程的加快，由于灾难和疾病造成的残障人士的增加，如何让老年人和残疾人重新获得独立活动的能力是一个科学技术亟待解决的问题，轮椅，作为老年人和残疾人的主要交通工具之一，以手动轮椅和电动轮椅两大类为主，电动轮椅相比手动轮椅，极大的提高了老年人和残疾人独立活动的能力和范围，但同时也带来了在一些环境中使用的不方便性和危险性，例如，在通过窄门，或者狭长的走廊时，电动轮椅将很难通过操纵的方式顺利通过；此外，由于人的视野有限，电动轮椅在室外使用时往往会因为操纵不当造成意外的危险。
智能轮椅由于能够通过传感器对环境进行识别，可以有效避免危险的发生和帮助老年人和残疾人完成一些难以完成的工作，因此在过去的十多年里，逐渐受到各国研究者的普遍重视，美国、德国、日本、法国、加拿大、西班牙及中国等国家均有智能轮椅研究项目的出现，但多数智能轮椅是做为针对某一项技术的验证平台。例如美国麻省理工学院的Wheelesley和加拿大AAI公司的TAO系列是为了验证Brooks提出的包容体系结构；密歇根大学的NavChair则是对Borenstein等人提出的矢量场(VFH)避障算法的测试；德州大学的Vulcan则是用于对Kuipers提出的空间语义结构(SSH)的验证，等等。目前智能轮椅多数采用PC机(或笔记本电脑)进行控制，控制系统体积大，价格昂贵，可扩展性差，离商业化生产还有一定的距离。
发明内容
本发明提出一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法，该控制器可以通过操作杆接受操纵者的方向(向前，向后，横向左，横向右，斜前左，斜前右，斜后左，斜后右)指令，并将信息传送回控制器；传感器对环境进行检测，并将信息传送回控制器，控制器根据环境信息对当前的行驶方向和速度进行控制。
本发明提出的嵌入式智能轮椅控制系统，包括用于控制轮椅运动和处理环境信息的控制器，将控制信号经过放大转化为驱动信号的电机驱动模板，用于检测轮椅运行环境的传感器、用于接受使用者指令的操纵杆；其中，控制器经过A/D转换器将操纵杆的位置信息采集过来，通过传感器获取环境信息，经过综合处理之后，转变成控制信号，通过I/O口将信号传送给电机驱动模板，电机驱动模板驱动相应的电机，实时完成使用者的操纵指令，同时避免碰撞的发生。
其方法为，DSP通过其事件管理器中的PWM单元向外发送方波，驱动超声发射电路产生超声波，利用接收到回波之前的这段延时，系统对前一次的传感器信息进行处理，并根据处理之后得到的环境信息，限定当前轮椅行驶的最大速度，延时和信息处理之后，DSP等待超声回波信号，在收到回波信号或者超过预定的时间也没能收到响应以后，通过中断服务程序跳出等待循环，不管是否接收到回波，跳出循环以后进行适当的延时，避免工作环境下超声波的余波效应，利用这段时间，系统启动AD转换模块，进行操纵杆位置信息的采集，并根据前面处理过后的环境信息，在安全的速度范围内，控制驱动PWM的输出。处理完毕之后，主循环将开始下一次的循环。
本发明是一种服务性机器人的控制装置，具有避碰功能的智能型轮椅机器人的控制系统。
图1是智能轮椅控制系统总结构图。
图2是智能轮椅控制系统硬件体系结构。
图3是智能轮椅超声传感器分布图。
图4是超声传感器超声波发射和接受原理图。
图5是双极式可逆PWM驱动器原理图。
图6是智能轮椅控制系统程序框图。
图7是操纵杆信息处理程序框图。
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
请参见图1，2所示，本发明是一种智能轮椅的控制系统，包括用于处理环境信息和给出控制指令的控制器(1)、用于检测轮椅运行环境的传感器(2)、一个用于接受使用者指令的操纵杆(3)、一个将控制信号经过放大转化为驱动信号的电机驱动模板(4)；其中，控制器(1)经过A/D转换器将操纵杆(3)的位置信息采集过来，通过传感器(2)获取环境信息，经过综合处理之后，转变成控制信号，通过I/O口将信号传送给电机驱动模板(4)，电机驱动器驱动相应的电机，实时完成使用者的操纵指令，同时避免碰撞的发生。
下面对本发明控制系统的各部分进行说明1控制器主控制器采用数字信号处理器(DSP)作为核心控制芯片(MCU)，控制器的基本功能有操纵杆位置信息的采集；传感器信号的采集与处理；完成轮椅本体的所有运动控制功能；2传感器使用8个超声传感器作为环境探测器，其在轮椅本体上的分布如图3前方装有4个，后方2个，左右各1个，通过对超声传感器信息的采集，控制器实时获得周围的环境信息，并根据当前信息的安全等级，来适时调整轮椅的运行速度，从而使轮椅时刻处于安全的行驶状态；超声传感器为收发异体式，其发射和接受原理如图5所示，发射和接收策略通过软件编程实现，因此可以根据轮椅运行的环境进行适时的修改，增强了系统的灵活性和可扩展性。可以通过遥控方式对轮椅进行操作。
3操纵杆采用二维模拟操纵杆作为人机交互方式，通过数字信号处理器两路AD通道，分别采集操纵杆位置的二维坐标值，在经过线性变换和环境信息判断之后，摇杆信息被转化为左右驱动轮的速度和方向信息。
4电机驱动模板属于双极式可逆PWM变换器，其基本原理如图(4)，该驱动模板具有电流连续，停止时无静摩擦死区，低速平稳性好，调速范围大等特点。
5是电机为普通电动轮椅电机系列。
操纵杆3连接于控制器1，控制器1连接于电机驱动模板4，传感器2与控制器1互联。
图2控制器1经过AD转换电路采集操纵杆3给出的指令信息，根据传感器2获取的环境信息对轮椅电机5经过驱动模板4给出控制信号。
还包括轮椅电机驱动器电路，用于改变轮椅运行模式的控制开关，多个用于检测轮椅运行环境的超声传感器。
图3是超声传感器的分布示意图，前方装有四个超声传感器，左右各一个，后方两个，超声传感器的最大探测距离为2米。
图4给出了控制器发射和接受超声波的过程，数字信号处理器S4.1通过脉宽调制(PWM)通道产生调制脉冲波，经升压放大电路S4.2产生瞬间高能激励信号，激发超声波发射换能器S4.3产生超声波，接受换能器S4.4负责接收从环境中反射回来的超声波，经过放大滤波S4.5和整形处理S4.6之后，超声回波信号被S4.1的捕获单元(CAP)获取，从而完成对环境障碍物距离信息的探测。
图5给出了双极式可逆PWM变换器的电路原理，PWM1，PWM2分别为同一脉宽调制波的正脉冲和负脉冲，当正脉冲较宽时，电机M两端的平均电压为正，电机正转，当正脉冲较窄，负脉冲较宽时，电机M两端的平均电压为负，电机反转。
参见图6，轮椅启动之后，首先进行自检，只有在各个开关，传感器等硬件完好以及电池电量充足，机械本体正常的情况下才会进入运行状态，经过系统初始化以后，DSP通过多路模拟开关，由事件管理器中的PWM单元向外发送40KHz的方波，驱动8路超声发射电路中的2路产生超声波，利用接收到回波之前的这段延时，系统对前一次的传感器信息进行处理，并根据处理之后得到的环境信息，限定当前轮椅行驶的最大速度，延时和信息处理之后，DSP将等待超声回波信号，在收到回波信号或者超过预定的时间也没能收到响应以后，通过中断服务程序跳出等待循环，不管是否接收到回波，跳出循环以后将进行适当的延时(20ms)，避免工作环境下超声波的余波效应，利用这段时间，系统启动AD采样模块，进行操纵杆位置信息的采集，并根据前面处理过后的环境信息，在安全的速度范围内，控制驱动PWM的输出。处理完毕之后，主循环将开始下一次的循环。
嵌入式智能轮椅控制系统的工作流程，其步骤如下S6.1系统自检，轮椅启动以后，首先进行自检，只有在各个开关，传感器等硬件完好以及电池电量充足，机械本体正常的情况下才会进入运行状态；S6.2系统初始化，在自检结束之后，系统进行一系列的初始化操作，主要是对数字信号处理器各个功能模块的寄存器状态变量进行初始化；S6.3发送超声波，数字信号处理器通过多路模拟开关，由事件管理器中的PWM单元向外发送40KHz的方波，驱动8路超声发射电路中的2路产生超声波；S6.4超声信息处理，利用接收到回波之前的这段延时，系统对前一次的传感器信息进行处理，由于超声信息采集时间间隔为100号秒左右，因此，对前次信息处理的结果作为当前环境信息，并不影响系统对环境的判断；S6.5获取超声信息，延时和信息处理之后，DSP将等待超声回波信号，在收到回波信号或者超过预定的时间也没能收到响应以后，通过中断服务程序跳出等待循环，完成本次超声信息的获取，如果没能收到超声回波，系统认为在检测的范围内没有障碍物；S6.6存储超声信息，对获取到的超声信息进行存储；S6.7启动AD转换；S6.8操纵杆指令信息采集；S6.9信息融合，结合当前操纵杆的指令信息和前面处理过的环境信息，给出当前的轮椅驱动控制信号，将轮椅的行驶速度限制在安全的范围之内；
S6.10驱动PWM输出，驱动控制信号经过电机驱动模板输出给左右电机，完成轮椅的本体运动。
图7是操纵杆信息的采集，处理和转化的流程，DSP通过A/D转换器采集操纵杆的二维位置信息(X，Y)横轴位置信息对应左轮的驱动信号，纵轴位置信息对应右轮的驱动信号，其线性转换关系如下(L，R)＝a·(X，Y)其中(X，Y)摇杆位置的二维AD采样值；(L，R)左右驱动轮PWM输出值；a转换系数，此系数根据当前的环境信息来确定，经过线性变换之后，控制器将控制信号通过I/O口传送给电机驱动模板，由电机驱动模板驱动相应的电机，完成轮椅本体的运动。
操纵杆信息处理方法，其步骤如下S7.1操纵杆信息获取，操纵杆采用的是二维模拟操纵杆，操纵杆在二维平面上的位置信息可以通过电压的形式表现出来；S7.2AD转换，启动DSP的AD转换模块，将操纵杆的模拟量位置信息转化为数字信息；S7.3环境判断，根据环境信息，系统会得到一个操纵杆指令信息向驱动信号转换的线性系数a，这个系数将转换之后的驱动信号限制在一个阈值以内，以保证在当前环境下轮椅的行驶安全；S7.4线性转换，操纵杆的二维位置信息与轮椅左右电机建立对应关系横轴位置信息对应左轮的驱动信号，纵轴位置信息对应右轮的驱动信号，其线性转换关系如下(L，R)＝α·(X，Y)其中(X，Y)摇杆位置的二维AD采样值；(L，R)左右驱动轮PWM输出值；a转换系数S7.5驱动PWM输出，控制器将控制信号通过I/O口传送给电机驱动模板，由电机驱动模板驱动相应的电机，完成轮椅本体的运动。
权利要求
1.一种嵌入式智能轮椅控制系统，其特征在于，系统包括用于处理环境信息和给出控制指令的控制器(1)、用于检测轮椅运行环境的传感器(2)、一个用于接受使用者指令的操纵杆(3)、一个将控制信号经过放大转化为驱动信号的电机驱动模板(4)；其中，控制器(1)经过A/D转换器将操纵杆(3)的位置信息采集过来，通过传感器(2)获取环境信息，经过综合处理之后，转变成控制信号，通过I/O口将信号传送给电机驱动模板(4)，电机驱动器驱动相应的电机，操纵杆(3)连接于控制器(1)，控制器(1)连接于电机驱动模板(4)，传感器(2)与控制器(1)互联。
2.根据权利要求1的嵌入式智能轮椅控制系统，其特征在于，还包括轮椅电机驱动器电路，用于改变轮椅运行模式的控制开关，多个用于检测轮椅运行环境的超声传感器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，轮椅控制器可以同时实现环境信息处理并根据操纵杆指令对轮椅驱动电机给出控制指令。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，采用数字信号处理器DSP作为控制器MCU。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电机驱动电路采用双极式可逆PWM变换方式。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，采用多个超声传感器对轮椅与环境间的距离进行检测。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，可以通过二维模拟操纵杆对轮椅进行操作。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，轮椅的运行模式可以通过控制开关切换。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，可以通过遥控方式对轮椅进行操作。
10.一种嵌入式智能轮椅控制方法，其方法如下DSP通过其事件管理器中的PWM单元向外发送方波，驱动超声发射电路产生超声波，利用接收到回波之前的这段延时，系统对前一次的传感器信息进行处理，并根据处理之后得到的环境信息，限定当前轮椅行驶的最大速度，延时和信息处理之后，DSP等待超声回波信号，在收到回波信号或者超过预定的时间也没能收到响应以后，通过中断服务程序跳出等待循环，不管是否接收到回波，跳出循环以后进行适当的延时，避免工作环境下超声波的余波效应，利用这段时间，系统启动AD转换模块，进行操纵杆位置信息的采集，并根据前面处理过后的环境信息，在安全的速度范围内，控制驱动PWM的输出，处理完毕之后，主循环将开始下一次的循环。
11.根据权利要求10的嵌入式智能轮椅控制方法，其具体步骤如下S6.1系统自检，轮椅启动以后，首先进行自检，只有在各个开关，传感器硬件完好以及电池电量充足，机械本体正常的情况下才会进入运行状态；S6.2系统初始化，在自检结束之后，系统进行一系列的初始化操作，主要是对数字信号处理器各个功能模块的寄存器状态变量进行初始化；S6.3发送超声波，数字信号处理器通过多路模拟开关，由事件管理器中的PWM单元向外发送40KHz的方波，驱动8路超声发射电路中的2路产生超声波；S6.4超声信息处理，利用接收到回波之前的这段延时，系统对前一次的传感器信息进行处理，由于超声信息采集时间间隔为100号秒左右，因此，对前次信息处理的结果作为当前环境信息，并不影响系统对环境的判断；S6.5获取超声信息，延时和信息处理之后，DSP将等待超声回波信号，在收到回波信号或者超过预定的时间也没能收到响应以后，通过中断服务程序跳出等待循环，完成本次超声信息的获取，如果没能收到超声回波，系统认为在检测的范围内没有障碍物；S6.6存储超声信息，对获取到的超声信息进行存储；S6.7启动AD转换；S6.8操纵杆指令信息采集处理；S6.9信息融合，结合当前操纵杆的指令信息和前面处理过的环境信息，给出当前的轮椅驱动控制信号，将轮椅的行驶速度限制在安全的范围之内；S6.10驱动PWM输出，驱动控制信号经过电机驱动模板输出给左右电机，完成轮椅的本体运动。
12.根据权利要求11的嵌入式智能轮椅控制方法，操纵杆信息处理，步骤如下S7.1操纵杆信息获取，操纵杆采用的是二维模拟操纵杆，操纵杆在二维平面上的位置信息可以通过电压的形式表现出来；S7.2AD转换，启动DSP的AD转换模块，将操纵杆的模拟量位置信息转化为数字信息；S7.3环境判断，根据环境信息，系统会得到一个操纵杆指令信息向驱动信号转换的线性系数a，这个系数将转换之后的驱动信号限制在一个阈值以内，以保证在当前环境下轮椅的行驶安全；S7.4线性转换，操纵杆的二维位置信息与轮椅左右电机建立对应关系横轴位置信息对应左轮的驱动信号，纵轴位置信息对应右轮的驱动信号，其线性转换关系如下(L，R)＝a·(X，Y)其中(X，Y)摇杆位置的二维AD采样值；(L，R)左右驱动轮PWM输出值；a转换系数S7.5驱动PWM输出，控制器将控制信号通过I/O口传送给电机驱动模板，由电机驱动模板驱动相应的电机，完成轮椅本体的运动。
全文摘要
一种嵌入式智能轮椅控制系统及方法，包括用于处理环境信息和给出控制指令的控制器、用于检测轮椅运行环境的超声传感器、用于接受使用者指令的操纵杆、用于改变轮椅运行模式的控制开关、轮椅电机驱动电路；其中，控制器通过A/D转换电路采集操纵杆给出的指令信息，根据传感器获取的环境信息对轮椅电机给出控制信号，可以有效地执行使用者给出的操作指令，并避免智能轮椅与所处环境发生碰撞。方法PWM单元向外发送方波；DSP等待超声回波信号；适当的延时；系统启动AD转换模块，进行操纵杆位置信息的采集，并根据前面处理过后的环境信息，控制驱动PWM的输出，处理之后，主循环将开始下一次的循环。
文档编号H02P7/00GK1830413SQ200510054510
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月8日 优先权日2005年3月8日
发明者原魁, 鲁涛, 朱海兵, 李剑锋 申请人:中国科学院自动化研究所