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陀螺儀傾角傳感器在智能輪椅上的應用

來源:百洲科技★廣州发布时间:2019.03.27 9:09:24 關注:1,011

智能輪椅的任務是安全、便捷地把用戶送到目的地,完成既定任務。在運動過程中,輪椅既需要接受用戶的指令,又需結合環境信息啓動自身避障、導航等功能模塊,與移動機器人不同的是,在使用過程中,輪椅與用戶成爲一個協同工作的系統。這就要求在設計之初就把人這個因素納入考慮之中,所以,安全、舒適和容易操作應成爲智能輪椅設計中最重要的因素;使用者身體能力的差異決定了智能輪椅需被設計爲一個功能多元化,能滿足多種層次需要的電子系統,而模塊化最能體現系統多功能化的特征,每個用戶都能根據其自身殘障類型和程度選擇適當的模塊集成,且設計者可以在現有基礎上通過增添功能模塊,很方便地對輪椅功能進行改進。

智能輪椅的總功能可以分爲以下幾個子功能:環境感知及導航功能、控制功能、驅動功能和人機交互功能。通過對智能輪椅的功能分析和模塊劃分,再結合具體的研究內容和期望控制目標,本系統主要由傳感器模塊、驅動控制模塊和人機交互模塊3部分組成,硬件系統結構如圖1所示。其中傳感器模塊主要有內部狀態感知和外部環境感知兩部分構成,通過姿態傳感器確定輪椅自身的位姿信息;通過編碼器的位移速度和距離獲得自定位信息;視覺、超聲波和接近開關主要負責持續獲得周圍環境和障礙物的距離信息。驅動控制模塊我們采用後輪驅動的方式,每一個後輪配置一個電動機,在控制器的操作下實現電動輪椅的前進、後退和轉向。人機交互界面由操作杆和個人電腦界面數據輸入兩種方式,實現基本的人機交互功能。

智能輪椅有2個獨立的驅動輪,各自配備一個電機碼盤。由2個電機碼盤的實時檢測數據構成了裏程計式的相對定位傳感器,同時安裝了傾角傳感器和陀螺儀來測量輪椅在行進過程中的姿態狀態。超聲波傳感器和接近開關被用于感知周圍環境信息。爲獲取更大範圍內的障礙物信息,本系統配備了8個紅外傳感器和8個超聲波傳感器。另外安裝了一個CCD攝像頭用于判斷前方行進路程中的深度信息。

能夠僅僅依靠兩個輪子完成車體的平衡。這個顯著特征要求它有特殊的結構,基本的設計思想爲:保持兩個輪子分別由獨立的直流電動機驅動,並且在一條軸線上,車體的重心保持在輪軸以上,使用檢測車體傾斜角度的傳感器實時地獲取車體的姿態信息,機器人的處理器將傳感器信號進行處理,按照一定的控制算法計算出控制量控制電動機的轉速和轉向,驅動機器人前進或後退,完成車體的平衡。

智能輪椅采用一個傾角傳感器和一個陀螺儀的組合構成姿態傳感器來檢測車體平台的運行姿態。傾角傳感器用來測量輪椅偏離豎直方向的角度,陀螺儀用來測量角速度。

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