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1、河北工业大学硕士学位论文 I 基于 DSP 的智能轮椅驱动系统的研究 摘基于 DSP 的智能轮椅驱动系统的研究 摘 要要 随着生物医学的进步，人类基本上战胜、控制了多种传染性疾病，使得人类的健康水平有了很大的提高，人类寿命在不断地延长，因而人口老龄化的问题日益突出出来。但诸如心脑血管栓塞、癌症等疾病依然严重地威胁着人类的健康，动脉栓塞、糖尿病等疾病所导致的半身不遂、下肢瘫痪等使得很多病患行走不便。同时，又伴随着汽车数量的增多，产生了许多交通事故所导致的截肢患者，这些人群都需要轮椅的帮助。 本题应需而生，搭建了基于 TMS320LF2407A DSP 的智能轮椅驱动系统，采用了无刷直流电机代替传
2、统电动轮椅中的有刷直流电机， 避免了传统电动轮椅因机械电刷和换向器强迫接触而产生的结构复杂、可靠性差、容易漂移零点、火花、噪音等一系列问题，提高了轮椅的控制性能和精度，尽力造福于残障人士。 智能轮椅的驱动系统是一个机电一体化系统。 本课题首先分析了组成驱动系统的各个环节， 建立了其驱动系统的数学模型， 根据国际轮椅标准中对轮椅驱动系统的技术指标要求，计算参数设定了合理的驱动结构，并选择了相应的器件。再经 Matlab/Simlink 软件搭建了其系统模拟仿真，筛选确定了其 PID 控制参数。最终进行了其硬件的具体搭建，用汇编语言和 C 语言编写了相应的程序，进行了软件实现，得出了相应的试验结论
3、，为进一步研究打好了基础。 本课题为智能轮椅研究之驱动模块，其他模块分别由不同的研究人员完成。 关键词:关键词:智能轮椅, 无刷直流电动机, DSP, Matlab/Simlink 基于 DSP 的智能轮椅驱动系统的研究 II RESEARCH OF DRIVER SYSTEM IN INTELLIGENT WHEELCHAIR BASED ON DSP ABSTRACT With the advancement of biomedicine,human win over and control a lots of infection sick,this make human beings h
4、ealth improve a lot.So human life prolong long and long.Today,the number of senior citizen become more greater The sick such as cardiopathy,cerebrovascular sick,cancer etc. threaten the health of human being. The atherosclerosis,diabetes mellitus lead to hemiplegia and paralysis which make people ca
5、nt walk freely.At the same time ,with the number of vehicle become more greater,traffic accident lead to truncation of lower limbs.All of people like this need wheelchair. This is the question which will be solved in this paper.In this paper,we design the driver system of intelligent wheelchair by T
6、MS320LF2407A DSP( Digital Signal Processor),which used BLDCM(Brushless DC Motor) replaced Brush DC Motor in tradition wheelchair.This design avoid complex structure,bad security,easy excursion from zero,spark and noises etc. in tradition wheelchair because of passivity touch between machine electric
7、 brush and commutator.This improved controll capability and precision in wheelchair.So it will benefit to handicapped. It is a mechanical and electric system for the driverr system of intelligent wheelchair.In this paper,at first ,the structure of the driver system is analysed .Then,the mathematical
8、 model of the system is designed.Accord to the parameter in electric wheelchair of international standard,logical parameteres were calculated and fixed on.The third,parts of an apparatus were chosed by the parameteres. The driver system was simulated and emulated by the softwere of Matlab/Simlink,th
9、e controlled paremeteres of PID were filtered once and again.At last,the systems hardware was designed,compiled programme by assemble language and C.The conclusion had been educed.It will be base for farther investigation. This is the driver module for intelligent wheelchair,other modules will been
10、solved by others. KEY WORDS: intelligent,wheelchair,BLDCM,DSP ,Matlab/Simlink 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 引言第一章 引言 1-1 课题的目的和意义 1-1 课题的目的和意义 随着生物医学的进步，人类基本上战胜、控制了多种传染性疾病，使得人类的健康水平有了很大的 提高，人类寿命在不断地延长，因而人口老年化的问题日益突出出来。但诸如心脑血管栓塞、癌症等疾 病依然严重地威胁人类的健康，动脉栓塞、糖尿病等疾病所导致的半身不遂、下肢瘫痪等使得很多病患 行走不便。同时，伴随着汽车数量的增多，产生了很多因交通事故所导致
11、的截肢患者，这些人群都需要 轮椅的帮助。 我国是世界上人口最多的国家， 老龄化和残疾是我们不得不面对的重大问题， 据老龄委统计结果显 示，目前我国 60 岁以上的老年人已达到 1.43 亿，超过总人口的 10%。而我国有残疾人 8296 万1，其中肢体残疾 2412 万。 另一项调查显示， 2000 年， 我国 60 岁以上老年人中有腿脚不便情况的人已接近 2800 万。此外，根据中残联统计数据，下肢残疾人为 200 万左右。由于社会发展的不平衡，这个特殊群体在 工作与生活水平上与正常人的差距越来越远。 这些人不但给家人带来了巨大的精神和经济上的负担， 而 且因为有太多的生活细节问题需要不断的
12、求助于人， 也使他们感到自己失去了某种程度上的尊严。 如何 从技术上更好地帮助他们， 提高他们的生活质量和最大程度地满足他们在生活和工作中的需要， 是康复 和助残工程研究的一个重要方向。 综上所述，轮椅作为一种辅助代步工具，无论是高龄老人还是先天或后天肢残、障碍者对其的需求 将日益迫切。希望能够通过方便经济的手段帮助他们，尽可能使他们恢复日常生活饮食起居。轮椅驱动 控制器是控制轮椅速度和方向的核心部件， 也是电动轮椅研究的核心。 它的研究已经成为康复器具研究 的一个重要方向。它的开发和使用将有助于老年人和残障人士实现生活的自理。 在国外，高性能的智能轮椅生产厂家集中在美国、德国、英国、瑞典和日
13、本，但是这些智能轮椅价 格相对昂贵。如果把档次分为 3 个的话,那么最低档次的价格在人民币 23 万元,高价的达到 12 万元, 甚至几十万，很多老年人和残障人士难以支付起如此庞大的开销。在国内有多家公司都生产电动轮椅， 如上海互邦，德林公司等。但其控制参数有限，控制方向不够灵活、准确，产品处于初级阶段，或者控 制器依靠进口，在国内进行组装。这样就很难真正满足残障人士的具体生活需求。这样就需要开发具有 自主知识产权的轮椅，填补国内的这项空白，降低轮椅价格，提高中国残障人士的生活质量。 目前国内的轮椅驱动控制器多采用以下几种形式： (1)分立元件加少量集成电路构成模拟控制系统。 模拟控制器在以往
14、的驱动控制系统中大量的应用， 但由于模拟电路中不可避免地存在参数漂移和参 数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等原因，使其可靠性和性能指标受到影响，因此模拟控制系 统只用于一些低级的驱动控制器中。 (2)基于专用集成电路的控制系统。目前，众多的半导体厂商都推出了不同规格和用途的无刷直流 电动机控制专用的集成电路， 此成果也广泛的应用到了轮椅的驱动控制系统。 目前国内轮椅厂商多采用 此技术， 其主要应用芯片为 Motorola 公司的 MC33033、 MC33034、 MC33035， NS 公司的 LM621,Philips 公司的 TDA5140 至 TDA5145 系列。专用的集成控制
15、电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路的 体积缩小，可靠性相对提高。对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的初级轮椅来说是不错 的选择。但是其应用范围局限性大，功能难以扩展。 随着轮椅的使用人群不断扩大， 对其性能也提出了越来越高的要求， 因而其控制器应从硬件模拟电 子器件转向采用数字电路、单片机以及数字信号处理器(DSP)方向发展，实现数字化的数模混合控制和 全数字化控制， 控制规律也应由硬件实现转向软件实现。 本课题采用的以微计算机控制技术为核心的数基于 DSP 的智能轮椅驱动系统的研究 2 模混合控制系统，采用 DSP 控制，使得一些复杂的算法可在后续工作中得到应用。除已有的 P
16、ID 算法 外，还可加入现代控制理论中的先进算法，引进模糊控制、神经网络等智能算法，实现全部的智能化控 制。此也为本课题的创新点所在。 本文初步完成了一个经济实用的智能轮椅驱动系统的设计和实现。 1-2 国内外相关技术的发展情况 1-2 国内外相关技术的发展情况 智能轮椅是将智能机器人技术应用于电动轮椅，融合多种领域的研究，包括机器视觉、机器人导航 和定位、模式识别、多传感器融合及人机接口等，涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，也称智 能轮椅式移动机器人。 自1986年英国开始研制第一辆智能轮椅以来,许多国家投入大量资金研究智能轮椅2-10。如美国麻省理工学院WHEELESLEY项目、法国VAHM项目、德国乌尔姆大学MAID( 老年人及残疾人助动器) 项目、 Bremen Autonomous Wheelchair 项目、西班牙SIAMO 项目、加拿大AAI 公司TAO 项目、欧盟TIDE 项目、 KISS学院TINMAN 项目、台湾中正大学电机系LUOSON项目、我国863 智能机器人智能
