殘疾人電動輪椅范文第1篇
太陽能屬于清潔能源, 綠色環保, 取之不盡。
因此對太陽能的直接利用, 開創了人類文明發展的新水平, 有利于人類社會的可持續發展。因此太陽能電動車成為來自世界各大汽車廠競相開發的項目, 因為清潔環保型的汽車是人們一直追求和奮斗的目標。
電動輪椅依操縱方式劃分, 有用搖桿單手控制的, 也有用頭部或吹吸系統等人機交互設備控制的, 供高位截癱或偏癱等患者操作。電動輪椅依操縱方式劃分, 有用搖桿單手控制的, 也有用頭部或吹吸系統等人機交互設備控制的, 供高位截癱或偏癱等患者操作。
1 智能輪椅結構設計
在設計智能輪椅時候, 主要考慮了以下幾點: (1) 輪椅尺寸應符合人體結構力學, 讓人使用的時候感到舒適。 (2) 輪椅結構的可靠性, 穩定性。 (3) 輪椅的防盜性以及保護人體性 (4) 在使用者操控輪椅的時候進行智能化的輔助裝置。
通過PROE三維軟件對智能輪椅進行建模設計。PROE軟件具有高效以及實用的特點。運用PROE軟件進行輪椅的實體建模和運動學仿真, 能夠使設計人員直觀看到機構的運動過程, 及時發現和改善設計中的干涉問題, 交互的進行結構參數的調整和改進, 大大提高設計效率, 減低成本。并且能對運動狀態進行仿真, 檢查機構設計的合理性等, 實踐表明PROE建模設計對實際樣機的制造具有重要的指導和參考價值。PROE三維軟件中智能輪椅結構圖如圖1所示。
2 太陽能系統搭建
太陽能光伏系統分為離網光伏發電系統、并網光伏發電系統和分布式光伏發電系統。
(1) 離網光伏發電系統。主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組成, 若要為交流負載供電, 還需要配置交流逆變器。
(2) 并網光伏發電系統就是太陽能組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電這后直接接入公共電網。并網發電系統有集中式大型并網電站一般都是國家級電站, 主要特點是將所發電能直接輸送到電網, 由電網統一調配向用戶供電。但這種電站投資大、建設周期長、占地面積大, 還沒有太大發展。而分散式小型并網發電系統, 特別是光伏建筑一體化發電系統, 由于投資小、建設快、占地面積小、政策支持力度大等優點, 是并網發電的主流。
(3) 分布式光伏發電系統, 又稱分散式發電或分布式供能, 是指在用戶現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電供電系統, 以滿足特定用戶的需求, 支持現存配電網的經濟運行, 或者同時滿足這兩個方面的要求。
該文中的智能輪椅使用額定電壓為24 V的蓄電池, 所以選擇接入24 V蓄電池為系統進行供電, 太陽能24 V系統接線實物圖如圖2所示。
3 系統硬件電路設計
該控制器以STM32F103RCT6單片機為控制核心, 其主要功能組成模塊, 如圖3所示。
3.1 單片機電源電路
該文采用AMS1117-3.3給單片機供電, AMS1117為三端可調或固定電壓3.3 V輸出電流為1 A線路調整率:0.2% (最大) 負載調整率:0.4% (最大) 封裝類型:SOT-223。
AMS1117-3.3應用電路圖如圖4所示。
3.2 電機電流采樣電路
該文采用TI公司的LMV611作為電機電流信號放大電路。LMV611具有低電壓、低功耗、軌對軌等特點的通用放大器, 其放大電路如圖5所示。
3.3 電機驅動電路
該文采用IR公司生產的半橋浮動柵驅動芯片IR2104S和N溝道功率MOSFET管IRF3205S組成H全橋驅動電路, PWM方式控制, 并工作于雙極性模式下, 由單片機控制兩路電機進行正反轉運動。該驅動電流能夠滿足各種類型直流電機需要, 并具有快速、精確、高效、低功耗等特點, 可直接與微處理器接口相連。
其驅動電路圖如圖6所示。
在上述的驅動電路中, 若要控制各個MOS管的通斷, 其柵極G電壓必須高于S電壓, 一般在10 V以上可完全導通, 即VGS>10 V。對于下橋臂的MOS管來說, 直接施加VG>10 V以上的電壓即可使其導通;而上橋臂的MOS管在導通時源極與漏極電壓相同 (即VG=Vs=VCC) , 這是要滿足VGS>10 V, 就必須是VG>VCC+10 V, 在同一個電源電路系統里, 要得到比VCC大的電壓, 就要設計升壓的電荷泵電路, 也就是控制柵極電壓隨源極電壓的變化而變化, 即為浮動柵驅動, 以確保MOS管的導通。
3.4 電機轉速采樣電路
該文電機轉速通過采用兩個紅外光電傳感器分別裝在兩邊電動機的光碼盤上, 單片機通過計算傳感器檢測的脈沖即可計算到轉速, 其電路如圖7所示。
4 系統軟件設計
根據電動輪椅的功能需求和電路的設計, 控制器軟件主要分為以下幾個模塊:系統初始化模塊、電機驅動控制模塊、顯示模塊、信息采集模塊、控制參數算法處理模塊。
系統初始化模塊主要完成自身運行狀態和故障檢測, 如:蓄電池、制動器、操縱桿接口、故障等檢測, 并顯示在OLED上。
操縱桿在檢測模塊上主要完成獲取操縱桿位置參數, 計算左右驅動輪運行方向和PWM脈寬。把操縱桿信號看作二維輸出信號, 用二維坐標X軸和Y軸表示。用戶實現轉向或前進后退可以將輪椅運動方向看作是X和Y軸的矢量合。
4.1 PID控制算法的實現
要使電機平滑運動、轉速穩定在某一預定轉速, 需要隨時監測電機轉速并與設定值相比較根據比較結構調整電機轉速, 使之盡量接近設定值, 采用典型的閉環控制反饋算法PID控制。該系統采用增量型PID。表達式如下:
計算方法如圖8所示。
4.2 信息采集
系統采用STM32F103RCT6主控。內置ADC (模擬/數字轉換器) , 每個ADC共用多達16個外部通道, 可以實現單次或掃描轉換。在掃描模式下, 自動進行再選定的一組模擬輸入上的轉換。ADC采集時序圖如圖9所示, ADC在眾人能夠卻開始轉換之前需要一個穩定的時間。在ADC轉換開始后的14個時鐘周期之后, EOC標志被置1而16位的ADC數據寄存器包含了轉換的結果。
5 結語
隨著人民收入的不斷增加, 智能輪椅成為許多行動不便人群很好的選擇, 因此市場潛力大, 越來越多的人致力于高性能智能輪椅控制器的研發。良好的控制系統不僅可以保證輪椅安全穩定的運行, 還能降低功耗。
該文以太陽能智能輪椅為研究對象, 改變了原有電動輪椅的功能單一的缺點, 增加了新的功能, 使輪椅更能滿足殘疾人和老年人的心理需要。該文以意法半導體公司的STM32系列微控制器為核心構建了一個控制系統, 實現用戶對操縱桿、按鍵的操作, 超聲波傳感器進行地面障礙物勘測, 速度調節等功能。
摘要：從助老助殘的需要出發, 以節能環保和降低成本為目標, 采用30W太陽能電池板作為輔助充電電源, 以STM32RCT6單片機為控制芯片研制了一款電動輪椅控制器。首先介紹了太陽能系統的組成, 然后介紹控制器的組成功能模塊及詳細分析了其控制及驅動電路的原理, 包括H橋驅動電路構成及分類、電源芯片的選擇、通信方式選擇、電機電流、蓄電池電池電壓采集及液晶顯示等硬件電路的設計。實驗結果表明該控制器滿足較大功率直流電機的驅動需要, 控制靈活, 滿足老弱及下肢患者的操作需要, 具有實用價值。
關鍵詞：太陽能系統,節能環保,單片機,H橋驅動電路
參考文獻
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殘疾人電動輪椅范文第2篇
關鍵詞：超聲波傳感器,電動輪椅車,應用研究
超聲波傳感器是一種利用超聲波特性研制的傳感器，其振動頻率高于聲波機械波，超聲波是由環能晶片激發而出，具有波長短、頻率高、繞射現象少的特點，尤其是其方向性能極佳，對于固體、液體的穿透力很大，在不透明的固體中也能夠穿透一定的深度，在遇到活動物體時會出現多普勒效應，在遇到分界面和雜質后會出現明顯的反射回波，因此，超聲波傳感器已經廣泛地用在國防、工業以及生物醫學等方面，也取得了十分理想的效果。隨著科技水平的發展，電動輪椅車的技術水平也比以往更高，很多電動輪椅車上都安裝了超聲波傳感器，對于安裝在電動輪椅車上的超聲波傳感器，其檢測的信號必須要收發一體，檢測的范圍不能太小，對人體要無傷害。目前，傳感器的種類很多，在以往，應用在電動輪椅車上的傳感器一般為紅外傳感器、激光式傳感器等等，其檢測距離約為1米左右，成本相對較低，但是在夜晚等光線較差的環境中，必須要有額外光源來輔助，應用起來具有一些局限性。波式測距超聲波傳感器是近年來一種流行的超聲波傳感器，目前已經廣泛的應用于測探、測距、醫療、探傷等方面，這種傳感器不會受到顏色的影響，適宜用在電動車輪椅中，應用的安全性、經濟性水平都相對較高，下面就對波式測距超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用進行深入的探討。
1 超聲波傳感器的測距原理
1.1 超聲波的測距原理
在觸發脈沖時，超聲波傳感器發射出的脈沖波作用到一個反射的物體上，在經過一段反射時間后，反射回來的聲波就會被換能器所接收，經過計算、分析、處理就可以得出障礙物的距離。超聲波從反射器物體表面到轉換器中所有的時間計算方式為：
其中h是換能器距離障礙物之間的距離，c是超聲波的傳播速度，因此，只要明確超聲波的傳輸時間t，便可以計算出其傳輸距離。
1.2 電動輪椅超聲波測距原理
圖1是電動輪椅車超聲波測距原理圖，脈沖信號從微處理器中發出，在脈沖信號發出后，計數器就會開始計數，在遇到障礙物之后，反饋信號會經過接收器而放大，產生脈沖后會傳遞至INTO，繼而中斷，在中斷之后微處理器就會使用距離運算程序來計算出電動輪椅車距離障礙物之間的距離，并將距離顯示在LED屏之中。
2 超聲波測距電路設計方案
圖2是超聲波測距電路的示意圖，當單片機I/O口P2.3為0時，發射電路會發出超聲波，當P2.3為1時，發射電路就會停止振蕩，并停止發出超聲波。對于障礙物距離的測算，需要使用程序計算法進行，在計算時，需要將數碼管中顯示出的技術值進行記錄，繼而計算出距離障礙物的實際距離。在計算時，需要將顛簸、搖擺和干擾的因素考慮進去，對測量信號進行數字濾波處理，如果在最大檢測距離中，未出現INTO中斷的情況，那么就說明這是由于顛簸、測量等因素帶來的無回波情況，那么就要將本次測量數據忽略，如果連續三次出現這樣的情況，則說明在最大檢測距離中無障礙物，就可以對測量數值進行濾波處理，進而根據綜合測距公式來計算出實際的距離。
距離計算公式為：
其中，C0、C1、C2、C3......、Cn-1為常數項。
超聲波測距模塊分為超聲波脈沖產生子程序、距離運算子程序以及超聲波接收中斷服務程序三個模塊，具體的工作流程為，子程序在開始計數之后，會在250μs之內發出10個周期為40kHz的脈沖，發出的脈沖會通過I/O端口，通過I/O端口后會經過驅動電路，探頭會發射出超聲波，超聲波經過障礙物的反射后，會被探頭接受，再進行波形整形，形成矩形，矩形脈沖會觸發單片機外部，再將運算子程序調動起來，最后中斷返回。超聲波脈沖產生子程序、距離運算子程序以及超聲波接收中斷服務程序會保留最近三個數據，在距離測量的次數小于或者等于2時，直接使用公式可以計算出距離障礙物的實際距離。
軟件可以選擇具有ISP功能的單片機，這種單片機不需要仿真器的支持就可以實現數據的下載和調試，這種單片機編程的語言使用C51高級語言和匯編語言，可以有效提升系統的可靠性和實時性。一般超聲波的測距可以分為距離運算子程序、接受中斷服務程序以及超聲波脈沖產生子程序三個模塊。具體的工作程序為，子程序在計時開始后，會在250μs內發出脈沖，進而形成一種矩陣脈沖，該種矩陣脈沖會觸發單片機外部，導致單片機外部中斷。三個測距單元會保留最近三個數據，并直接根據公式得出實際的距離。
3 超聲波傳感器在電動輪椅車上的應用
超聲波傳感器測量的距離與超聲換能器的頻率有著密切的關系，頻率越低，量程越高，頻率越高，量程越小。電動輪椅車的行駛速度不高，對于障礙物距離的測量要求也不高，只要在量程范圍內可以測量出電動輪椅車距離障礙物之間的距離即可，一般單片機會計算并顯示出電動輪椅車距離障礙物1米時的距離，并根據障礙物的實際情況來降低電動輪椅車的行駛速度。在距離的計算時，會遵循以下的公式：
其中，a為速度系數，a的取值范圍介于0到1之間，具體的數值則由單片機根據實際情況進行自動調整，如果測量距離為0.7m, a的取值為0.5，如果測量的距離為1m, a的取值為0.95，如果測量距離為0.5m時，a的取值為0.3。按照當前的技術手段，單片機處理信號、控制信號的時間需要20ms左右。電動輪椅車的車速介于0到4.5KM/h，最大時速為4.5KM/h，那么根據速度計算方式，電動輪椅車每20ms的時間最多前進的距離為2.5KM，從這一層面而言，電動輪椅車的行駛速度很慢，在20ms的行駛距離也不會對電動輪椅車的行車安全造成影響，在這段時間之內，超聲換能器不會接受回聲，這也是測量的盲區。當電動輪椅車距離障礙物越來越近，直到距離接近500mm時，回波的接受會變得逐漸不規則，這也是回波的接受盲區，為了保證行車安全，在盲區臨界點，單片機就會出現蜂鳴提示信號，這就會保證使用者的安全，這種測距方式具有很高的使用價值。
4 結語
電動輪椅車按照上述的方法來安裝超聲波傳感器，在逐漸靠近障礙物時，電動輪椅車中的超聲波傳感就會發出相應的信號來提示避障，這樣就能夠避免安全事故的發生，達到保護駕駛人員安全的作用，這種測距的方式靈敏度高，精度準確，測量的精度能夠實現厘米，具有較為理想的實用價值。但是，由于各種因素的影響，傳感器的測距還存在一些不足之處，因此，在下一階段，必須要運用好融合技術，進一步完善電動輪椅車的避障功能。
參考文獻
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