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传感器在智能轮椅中的应用

在运动过程中,轮椅既需要接受用户的指令,又需结合环境信息启动自身避障、导航等功能模块,与移动机器人不同的是,在使用过程中,轮椅与用户成为一个协同工作的系统。这就要求在设计之初就把人这个因素纳入考虑之中,所以,安全、舒适和容易操作应成为智能轮椅设计中最重要的因素;使用者身体能力的差异决定了智能轮椅需被设计为一个功能多元化,能满足多种层次需要的电子系统,而模块化最能体现系统多功能化的特征,每个用户都能根据其自身残障类型和程度选择适当的模块集成,且设计者可以在现有基础上通过增添功能模块,很方便地对轮椅功能进行改进。

智能轮椅的总功能可以分为以下几个子功能:环境感知及导航功能、控制功能、驱动功能和人机交互功能。通过对智能轮椅的功能分析和模块划分,再结合具体的研究内容和期望控制目标,本系统主要由传感器模块、驱动控制模块和人机交互模块3部分组成,硬件系统结构如下图所示。

其中传感器模块主要有内部状态感知和外部环境感知两部分构成,通过姿态传感器确定轮椅自身的位姿信息;通过编码器的位移速度和距离获得自定位信息;视觉、超声波和接近开关主要负责持续获得周围环境和障碍物的距离信息。驱动控制模块我们采用后轮驱动的方式,每一个后轮配置一个电动机,在控制器的操作下实现电动轮椅的前进、后退和转向。

人机交互界面由操作杆和个人电脑界面数据输入两种方式,实现基本的人机交互功能。

智能轮椅有2个独立的驱动轮,各自配备一个电机码盘。由2个电机码盘的实时检测数据构成了里程计式的相对定位传感器,同时安装了倾角传感器和陀螺仪来测量轮椅在行进过程中的姿态状态。超声波传感器和接近开关被用于感知周围环境信息。为获取更大范围内的障碍物信息,本系统配备了8个红外传感器和8个超声波传感器。另外安装了一个CCD摄像头用于判断前方行进路程中的深度信息。

能够仅仅依靠两个轮子完成车体的平衡。这个显著特征要求它有特殊的结构,基本的设计思想为:保持两个轮子分别由独立的直流电动机驱动,并且在一条轴线上,车体的重心保持在轮轴以上,使用检测车体倾斜角度的传感器实时地获取车体的姿态信息,机器人的处理器将传感器信号进行处理,按照一定的控制算法计算出控制量控制电动机的转速和转向,驱动机器人前进或后退,完成车体的平衡。

智能轮椅采用一个倾角传感器和一个陀螺仪的组合构成姿态传感器来检测车体平台的运行姿态。倾角传感器用来测量轮椅偏离竖直方向的角度,陀螺仪用来测量角速度。


(责任编辑:Ioter)

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