本发明涉及自动控制技术领域，特别是一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统。
背景技术：
中国人口老龄化不断加剧，由于疾病或者生理缺陷而行动不便的人口数量也不断增加，这些人因行动不便而影响生活质量的问题成为社会关注的重点问题之一。电动轮椅作为一种简单、便捷、经济的交通工具，极大提高了老年人跟残疾人的行动能力，进而提高了他们的生活质量。但是目前市场上普通的两轮驱动电动轮椅的转弯控制或者转弯半径大，或者需要先自转到特定角度后再向前移动，转弯运动效率低，在家里这种障碍物多的复杂的环境中操纵十分方便，影响了电动轮椅的适用性，此外，现有全向轮椅控制系统多采用单一控制器集中控制方式，缺乏总线结构，可扩展性差，不利于轮椅的智能化控制。
技术实现要素：
为解决现有技术中电动轮椅所存在的缺陷和问题，提供一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统包括三维霍尔操纵杆、操纵杆控制器、主控制电路板、副控制电路板、电源模块、液晶显示模块、轮椅座椅升降模块和电机伺服驱动模块以及4个全向轮；所述的操纵杆控制器采集三维霍尔操纵杆的三路输出电压信号，根据电压信号计算三维运动控制信息后，将信息发送给主控制电路板；所述主控制电路板对运动控制信息进行处理，根据4个全向轮的运动控制模型计算获得每个轮子所需转速和转向，再发送电机速度及转向对应的控制信号给电机伺服驱动模块，以驱动4个无刷直流电机，电机通过行星轮减速器减速后，带动全向轮转动，进而控制轮椅全向运动，该运动包括任意角度的平面移动和绕垂直地面中心轴的自转，同时把轮椅当前移动和转动速度值发送给副控制电路板；所述副控制电路板接收主控制电路板信号，检测电池剩余电量，并统计剩余里程数，然后驱动液晶显示模块显示当前轮椅速度、剩余里程数和剩余电量信息；所述电源模块给整个电路系统供电；所述轮椅座椅升降模块控制座椅的升高与下降。
所述的全向轮椅的4个全向轮在平面上的分布为：(1)4个轮子中心点的平面投影在同一个圆上，圆的半径为r；(2)轮椅前进方向右前侧轮子w1中心点平面投影与圆心o的连线l1，与垂直前进方向的右侧直线l2的夹角为a1度；(3)指向轮子外侧的轮子转轴l3与l2的夹角为a2度；(4)轮椅前进方向右后侧轮子w4与w1相对直线l2为镜像分布，轮椅前进方向左侧轮子w2、w3与右侧轮子w4、w1相对轮椅前进方向直线l为镜像分布。
所述的三维运动控制信息包括全向轮椅的前进轴向速度va，垂直前进方向右侧轴向速度vb，以及绕通过圆心o且垂直地面的轴线的转动速度vc，3个速度与三维霍尔操纵杆的对应关系为：(1)操作杆三路输出电压信号的范围为0-u，输出u时对应最大前进速度vam、最大右移速度vbm和最大右转速度vcm，输出0时对应最大后退速度-vam、最大左移速度-vbm和最大左转速度-vcm，输出u/2时对应va＝0、vb＝0、vc＝0；(2)当操作杆三路输出电压值为ua、ub和uc时，如果0<ua<u/2，则va＝(1-2╳ua÷u)╳vam，如果u/2<ua<u，则va＝(2╳ua÷u-1)╳vam，如果0<ub<u/2，则va＝(1-2╳ub÷u)╳vbm，如果u/2<ub<u，则va＝(2╳ub÷u-1)╳vbm，如果0<uc<u/2，则vc＝(1-2╳uc÷u)╳vcm，如果u/2<uc<u，则vc＝(2╳uc÷u-1)╳vcm。
所述的运动控制模型为：
v1＝va╳sin(a1+a2)-vb╳cos(a1+a2)-vc╳r╳cos(a2)；
v2＝va╳sin(a1+a2)+vb╳cos(a1+a2)-vc╳r╳cos(a2)；
v3＝va╳sin(a1+a2)-vb╳cos(a1+a2)+vc╳r╳cos(a2)；
v4＝va╳sin(a1+a2)+vb╳cos(a1+a2)+vc╳r╳cos(a2)；
其中：v1、v2、v3、v4分别为全向轮w1、w2、w3、w4的转动线速度，单位为：米/秒：；v1、v2、v3、v4的为正时表示轮子正转，为负时表示轮子反转，轮子已驱动轮椅前进的转动方向为正转方向；与全向轮对应的电机的转动速度计算式为：
d1＝10800╳i╳v1÷r÷∏；
d2＝10800╳i╳v2÷r÷∏；
d3＝10800╳i╳v3÷r÷∏；
d4＝10800╳i╳v4÷r÷∏；
其中：d1、d2、d3、d4分别为4个全向轮对应电机的转动速度，单位为：转/分钟，r为全向轮的半径，单位为：m，i是行星轮减速器的减速比。
所述的三维操纵杆控制器包含一片8位微控制器mcu，通过rs-485总线与主控制电路板连接。
所述的主控制电路板包含一片32位微控制器mcu，其通过i/o输入信号检测并处理急停按钮的信号，需要急停时，首先通过使能信号禁止电机伺服驱动器工作，再通过发送4路模拟电压信号uz给4个电机的制动器，将电机制动停止；主控电路板还接收电机伺服驱动模块反馈回来的4个编码器的脉冲信号，计算得到4个电机的实际转动速度，再结合运动控制模型进行轮椅当前移动速度和转动速度的计算。
所述的副控制电路板包含一片32位的微控制器mcu，所述副控制电路板通过模数adc转换采集电池电压进行电池电量检测，电池电压值和电量值存在特定的对应关系，按电量不足到电量全满取5个等间隔电压值，该值通过专用仪器标定确定。
所述的主控制电路板与副控制电路板通过rs-485总线连接；所述的电源模块由4块12v铅酸蓄电池串联组成，并附带钥匙开关对电源供电进行开关控制；所述的液晶显示模块为12864液晶显示屏。
所述的电机伺服驱动模块由4个直流电机伺服驱动器组成，无刷直流电机将霍尔信号和编码器信号反馈给直流电机伺服驱动器，实现电流闭环、速度闭环和位置闭环环的伺服控制，主控制电路板通过控制单位时间内发送给驱动器的位置脉冲数来控制电机的转速，通过发送给驱动器的i/o信号控制电机的转动方向，经过行星轮减速器后，带动所连接全向轮做相应的运动。
所述的座椅升降模块由2个继电器、1个电推杆、2个按钮组成，按钮控制继电器的关闭，通过继电器控制电推杆的伸缩来控制座椅的升降。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统采用4轮全向驱动，实现了任意方向移动和原地转动，很好地适应了空间狭窄、障碍物多的环境，让电动轮椅能在家里使用更方便，4轮全向驱动和3轮全向驱动相比，底盘支撑更加平稳；采用多控制器485总线连接结构，将摇杆信号处理，轮椅状态显示和轮椅运动控制使用不同控制器进行并行处理，通过总线实现控制器之间的信息交互，既保证控制系统的实时性，又能让系统具备良好的可扩展性；无刷直流电机通过位置闭环实现速度调整，提高了全向轮转动速度的平稳性，此外，通过位置实现速度调整而使得全向轮椅四个轮子速度的同步性更好，因此，轮椅的运动更加平稳；加入了完善的电量检测、液晶显示、急停处理、座椅升降模块，增强了人性化以及安全性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统作进一步说明。
图1为本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统的四轮驱动全向轮椅轮子分布示意图；
图2为本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统的的三维霍尔摇杆信号与全向轮椅运动信息对照图；
图3为本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统的轮椅控制系统总体硬件框架示意图；
图4为本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统的轮椅座椅升降模块示意图。
具体实施方式
如图1至图4所示，本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统包括三维霍尔操纵杆、操纵杆控制器、主控制电路板、副控制电路板、电源模块、液晶显示模块、轮椅座椅升降模块和电机伺服驱动模块以及4个全向轮。液晶显示模块为12864液晶显示屏。
如图1至图4所示，全向轮椅的4个全向轮在平面上的分布为：(1)4个轮子中心点的平面投影在同一个圆上，圆的半径为r；(2)轮椅前进方向右前侧轮子w1中心点平面投影与圆心o的连线l1，与垂直前进方向的右侧直线l2的夹角为a1度；(3)指向轮子外侧的轮子转轴l3与l2的夹角为a2度；(4)轮椅前进方向右后侧轮子w4与w1相对直线l2为镜像分布，轮椅前进方向左侧轮子w2、w3与右侧轮子w4、w1相对轮椅前进方向直线l为镜像分布。本实例取r＝0.36666米，a1＝42.13度，a2＝7.86度，r＝0.12米，i＝21，vam＝0.5米/秒，vbm＝0.5米/秒，vcm＝0.4度/秒。
如图1至图4所示，操纵杆控制器采集三维霍尔操纵杆的三路输出电压信号，根据电压信号计算三维运动控制信息后，将信息发送给主控制电路板。三维霍尔操纵杆产生x、y、z三轴信号，y轴对应轮椅y轴分量的移动速度值，x轴对应轮椅y轴分量的移动速度值，z对应轮椅z轴转动速度值，轴输出电压信号最大值u＝5v。操纵杆控制器包含一片8位微控制器mcu，通过rs-485总线与主控制电路板连接。操纵杆控制器使用pic16f877单片机，其串行接口连接rs485电平转换芯片构成485通信接口，通过芯片自带ad输入通道采集三维霍尔操纵杆的三路电压信号ua、ub和uc，并根据图2所示的三维霍尔摇杆信号与全向轮椅运动信息对照图中的计算关系，获得轮椅沿x、y、z方向分量的速度值和速度方向，然后将该速度值和速度方向通过rs485接口发送给主控制电路板。
如图1至图4所示，三维运动控制信息包括全向轮椅的前进轴向速度va，垂直前进方向右侧轴向速度vb，以及绕通过圆心o且垂直地面的轴线的转动速度vc，3个速度与三维霍尔操纵杆的对应关系为：(1)操作杆三路输出电压信号的范围为0-u，输出u时对应最大前进速度vam、最大右移速度vbm和最大右转速度vcm，输出0时对应最大后退速度-vam、最大左移速度-vbm和最大左转速度-vcm，输出u/2时对应va＝0、vb＝0、vc＝0；(2)当操作杆三路输出电压值为ua、ub和uc时，如果0<ua<u/2，则va＝(1-2╳ua÷u)╳vam，如果u/2<ua<u，则va＝(2╳ua÷u-1)╳vam，如果0<ub<u/2，则va＝(1-2╳ub÷u)╳vbm，如果u/2<ub<u，则va＝(2╳ub÷u-1)╳vbm，如果0<uc<u/2，则vc＝(1-2╳uc÷u)╳vcm，如果u/2<uc<u，则vc＝(2╳uc÷u-1)╳vcm。
如图1至图4所示，主控制电路板包含一片32位微控制器mcu，其通过i/o输入信号检测并处理急停按钮的信号，需要急停时，首先通过使能信号禁止电机伺服驱动器工作，再通过发送4路模拟电压信号uz给4个电机的制动器，将电机制动停止；主控电路板还接收电机伺服驱动模块反馈回来的4个编码器的脉冲信号，计算得到4个电机的实际转动速度，再结合运动控制模型进行轮椅当前移动速度和转动速度的计算。
如图1至图4所示，主控制电路板对运动控制信息进行处理，根据4个全向轮的运动控制模型计算获得每个轮子所需转速和转向，再发送电机速度及转向对应的控制信号给电机伺服驱动模块，以驱动4个无刷直流电机，电机通过行星轮减速器减速后，带动全向轮转动，进而控制轮椅全向运动，该运动包括任意角度的平面移动和绕垂直地面中心轴的自转，同时把轮椅当前移动和转动速度值发送给副控制电路板；所述副控制电路板接收主控制电路板信号，检测电池剩余电量，并统计剩余里程数，然后驱动液晶显示模块显示当前轮椅速度、剩余里程数和剩余电量信息；所述电源模块给整个电路系统供电；所述轮椅座椅升降模块控制座椅的升高与下降。
如图1至图4所示，主控制电路板采用stm32f207vct6控制芯片，其串行接口连接rs485电平转换芯片构建2路rs485通信接口，一路与操作杆控制器连接，接收操纵杆控制器发来的三维运动控制信息，一路与副控制板连接，用于发送轮椅实际移动速度和转动速度。控制芯片根据三维运动控制信息计算电机所需转速和电机转动方向，并折算成电机伺服驱动模块所需的单位时间脉冲值，并将脉冲值通过控制芯片的捕捉/比较模块进行输出，实现无刷直流电机的给定速度值控制，电机转动方向通过电机驱动模块的i/o模块进行控制，给定高电平表示正转，给定低电平表示反转。控制芯片通过外部中断的方式检测急停按钮，当急停按钮按下时，触发外部中断，控制芯片首先通过电机伺服驱动模块的使能i/o禁止其工作，然后通过mos管驱动放大电路直接给连接4个电机的制动器通电，使得制动器抱闸，将电机制动，从而将轮椅制动。控制芯片通过捕捉/比较模块采集电机伺服驱动模块发送过来的编码器脉冲信息，并计算获得轮椅的实际移动速度和转动速度。
如图1至图4所示，运动控制模型为：
v1＝va╳sin(a1+a2)-vb╳cos(a1+a2)-vc╳r╳cos(a2)；
v2＝va╳sin(a1+a2)+vb╳cos(a1+a2)-vc╳r╳cos(a2)；
v3＝va╳sin(a1+a2)-vb╳cos(a1+a2)+vc╳r╳cos(a2)；
v4＝va╳sin(a1+a2)+vb╳cos(a1+a2)+vc╳r╳cos(a2)；
其中：v1、v2、v3、v4分别为全向轮w1、w2、w3、w4的转动线速度，单位为：米/秒：；v1、v2、v3、v4的为正时表示轮子正转，为负时表示轮子反转，轮子已驱动轮椅前进的转动方向为正转方向；与全向轮对应的电机的转动速度计算式为：
d1＝10800╳i╳v1÷r÷∏；
d2＝10800╳i╳v2÷r÷∏；
d3＝10800╳i╳v3÷r÷∏；
d4＝10800╳i╳v4÷r÷∏；
其中：d1、d2、d3、d4分别为4个全向轮对应电机的转动速度，单位为：转/分钟，r为全向轮的半径，单位为：m，i是行星轮减速器的减速比。
如图1至图4所示，副控制电路板的主控制芯片采用stm32f031c4t6，其串行接口连接rs485电平转换芯片构建1路rs485通信接口，该接口接收主控制电路板发来的轮椅移动速度和转动速度信息，副控制电路板驱动12864液晶显示屏显示剩余电量、轮椅移动速度值、轮椅转动速度值和剩余里程数。副控制电路板包含一片32位的微控制器mcu，副控制电路板通过模数adc转换采集电池电压进行电池电量检测，电池电压值和电量值存在特定的对应关系，按电量不足到电量全满取5个等间隔电压值，该值通过专用仪器标定确定。主控制电路板与副控制电路板通过rs-485总线连接。
如图1至图4所示，电源模块由4块12v铅酸蓄电池串联组成，并附带钥匙开关对电源供电进行开关控制。铅酸蓄电池电量检测是通过采集铅酸蓄电池组的电压值获得，电压值和电量值存在特定的对应关系，按电量不足到电量全满取5个电压值，该值通过专用仪器标定获得，首先通过运算放大器比例缩小后，再由副控制电路板的主控制芯片stm32f031c4t6的ad接口进行采集。电源模块中4块12v铅酸蓄电池串联组成48v的电源，并附带钥匙开关对电源供电进行开关控制。操作杆控制器、主控制电路板和副控制电路板电机为48v供电，48v电源通过降压模块降压成24v给三维操纵杆和座椅升降模块供电。
如图1至图4所示，电机伺服驱动模块由4个直流电机伺服驱动器组成，无刷直流电机将霍尔信号和编码器信号反馈给直流电机伺服驱动器，实现电流闭环、速度闭环和位置闭环环的伺服控制，主控制电路板通过控制单位时间内发送给驱动器的位置脉冲数来控制电机的转速，通过发送给驱动器的i/o信号控制电机的转动方向，经过行星轮减速器后，带动所连接全向轮做相应的运动。
如图1至图4所示，电机伺服驱动模块根据主控制电路板发来的脉冲和方向信号，驱动4个无刷直流电机按照规定方向转动响应的脉冲当量，电机伺服驱动模块采集无刷直流电机的工作电流，脉冲编码器的脉冲值，进行位置的闭环伺服控制，同时将编码器脉冲转发给主控制电路板。
如图1至图4所示，座椅升降模块由2个继电器、1个电推杆、2个按钮组成，按钮控制继电器的关闭，通过继电器控制电推杆的伸缩来控制座椅的升降。升高按钮控制座椅升高，降低按钮控制座椅下降，两个继电器连接电路构成互斥关系，即当按升高按钮时，控制电推杆升起的继电器吸合，而另外一个继电器断开，反之当按降低按钮时，控制电推杆收缩的继电器吸合，而另外一个继电器断开，进而控制电推杆伸缩，带动轮椅座椅的升降。
综上所述可知，与现有技术相比，本发明的一种基于三维霍尔操纵杆的全向电动轮椅控制系统采用4轮全向驱动，实现了任意方向移动和原地转动，很好地适应了空间狭窄、障碍物多的环境，让电动轮椅能在家里使用更方便，4轮全向驱动和3轮全向驱动相比，底盘支撑更加平稳；采用多控制器485总线连接结构，将摇杆信号处理，轮椅状态显示和轮椅运动控制使用不同控制器进行并行处理，通过总线实现控制器之间的信息交互，既保证控制系统的实时性，又能让系统具备良好的可扩展性；无刷直流电机通过位置闭环实现速度调整，提高了全向轮转动速度的平稳性，此外，通过位置实现速度调整而使得全向轮椅四个轮子速度的同步性更好，因此，轮椅的运动更加平稳；加入了完善的电量检测、液晶显示、急停处理、座椅升降模块，增强了人性化以及安全性能。
根据本发明的实施例已对本发明进行了说明性而非限制性的描述，但应理解，在不脱离由权利要求所限定的相关保护范围的情况下，本领域的技术人员可以做出变更或修改。