本實(shí)用新型屬于電動(dòng)輪椅技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國人口老齡化的趨勢(shì)日益加重，各種疾病如腦血管疾病、糖尿病等老年并發(fā)癥導(dǎo)致了老年人行動(dòng)障礙。另外還有許多下肢殘疾人士的日常生活也存在著很多不便。輪椅作為殘疾人的一種代步工具，在生活中對(duì)這些人士的日常出行和生活有著重要的作用。普通的手動(dòng)輪椅需要人力協(xié)助，比較費(fèi)力，而且不能長(zhǎng)距離行駛。市面上的電動(dòng)輪椅大多數(shù)為兩輪驅(qū)動(dòng)，存在著在差的路況下容易打滑、側(cè)傾、啟動(dòng)制動(dòng)差的問題，并且不方便老年人或殘疾人士在小面積空間的行進(jìn)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于解決上述的技術(shù)問題而提供一種適合老弱和下肢殘疾/截癱人群操作的電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括：

用于完成輪椅的運(yùn)行速度控制的萬向操縱手柄、功能按鍵、DSP控制器、四個(gè)分別用于控制電動(dòng)輪椅的左后輪電機(jī)、右后輪電機(jī)、左前輪電機(jī)、右前輪電機(jī)的四個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器；所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器通過CAN總線與所述 DSP控制器連接，所述DSP控制器與所述萬向操縱手柄通過A\D轉(zhuǎn)換電路連接并通過功能按鍵電路與所述功能按鍵電連接；所述功能按鍵設(shè)在操作面板上，包括用于啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的電源開關(guān)、用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅行駛或自轉(zhuǎn)的輪椅運(yùn)動(dòng)模式選擇按鈕、用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅逆時(shí)針或順時(shí)針自轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)模式選擇按鈕和用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅前進(jìn)或后退的行駛模式選擇開關(guān)。

所述萬向操縱手柄內(nèi)部X、Y方向有兩個(gè)電位器，電位器兩端分別連接 3V電壓，操縱手柄時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的0-3V的模擬電壓信號(hào)以輸出X、Y兩種模擬量。

所述萬向操縱手柄采用霍爾式二維操縱手柄。

所述DSP控制器通過控制器接口與四個(gè)CAN總線模塊連接，四個(gè)所述CAN 總線模塊連接電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器連接車輪驅(qū)動(dòng)器。

所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器采用 MSP430G2553單片機(jī)控制器，所述控制器接口采用TJA1050；該單片機(jī)控制器與控制器接口TJA1050的CAN總線通信模塊是以MCP2515模塊做為CAN控制器，以控制器接口TJA1050做為CAN總線通訊接口的收發(fā)器，通過SPI接口連接MSP430G2553單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CAN通訊；所述DSP控制器內(nèi)部的CAN模塊與作為CAN收發(fā)器的SN65HVD230模塊采用F28335內(nèi)部CAN模塊做為CAN控制器以實(shí)現(xiàn)CAN通訊。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了在不同路況下動(dòng)力分布比較均勻，減少了車身打滑和側(cè)傾，相對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)更加安全具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在啟動(dòng)加速和制動(dòng)上更快速有效，使得輪椅可以協(xié)調(diào)四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞中心旋轉(zhuǎn)的功能，方便在小空間轉(zhuǎn)彎。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)CAN 總線通信框圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制流程圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的單片機(jī)的控制流程圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的萬向操縱手柄與功能按鍵在操作面板上的布局圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的DSP控制器的CAN總線模塊電路圖；

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的單片機(jī)的CAN總線模塊電路圖。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型并不局限于所列的實(shí)施例。

參見圖1、4所示，一種電動(dòng)輪椅的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括：

用于完成輪椅的運(yùn)行速度控制的萬向操縱手柄1、功能按鍵、DSP控制器、四個(gè)分別用于控制電動(dòng)輪椅的左后輪電機(jī)、右后輪電機(jī)、左前輪電機(jī)、右前輪電機(jī)的四個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器；所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器通過CAN總線100 與所述DSP控制器連接，所述DSP控制器與所述萬向操縱手柄通過A\D轉(zhuǎn)換電路連接并通過功能按鍵電路與所述功能按鍵電連接；所述功能按鍵設(shè)在操作面板上，包括用于啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的電源開關(guān)5、用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅行駛或自轉(zhuǎn)的輪椅運(yùn)動(dòng)模式選擇按鈕3、用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅逆時(shí)針或順時(shí)針自轉(zhuǎn)的自轉(zhuǎn)模式選擇按鈕4和用于實(shí)現(xiàn)控制輪椅前進(jìn)或后退的行駛模式選擇開關(guān) 2，如圖4所示。

需要說明的是，本實(shí)用新型中，所述萬向操縱手柄和功能按鍵，用于提供電動(dòng)輪椅的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，其中萬向操縱手柄通過手推按的方向和力度，然后參考功能按鍵設(shè)定和速度檔位，確定信號(hào)是否有效和安全，最終給定此刻電動(dòng)輪椅的速度和方向信息。

具體實(shí)現(xiàn)上，所述萬向操縱手柄內(nèi)部有兩個(gè)電位器(X、Y方向均有一個(gè))，電位器兩端分別連接3V電壓，操縱手柄時(shí)會(huì)產(chǎn)生與之位置對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào){0-3V)，可輸出X、Y兩種模擬量，起始位置(中心位置)電壓輸出設(shè)為X,Y(1.5V,1.5V)，其輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字型電壓信號(hào)，由DSP控制器接收并進(jìn)行處理判斷，控制輪椅的前后行進(jìn)方向和速度。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型中，所述萬向操縱手柄采用霍爾式二維操縱手柄。

需要說明的是，本實(shí)用新型中，所述功能按鍵電路與功能按鍵一起可用于設(shè)置電動(dòng)輪椅的前進(jìn)和后退、行駛以及自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)方向，高、中、低三速度以及停止、電源開關(guān)，所述操作面板上設(shè)有高速度調(diào)節(jié)按鍵6、中速度調(diào)節(jié)按鍵7、低速度調(diào)節(jié)按鍵8以及停止按鍵9。

所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器為四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制中心，用于接收CAN總線上的速度和方向命令信息，經(jīng)運(yùn)算處理后把信號(hào)傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)；采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上傳的電機(jī)電流和速度信息，并通過CAN總線發(fā)送到DSP 控制器，由CAP捕獲模塊進(jìn)行電機(jī)的速度的采集。

其中，本實(shí)用新型中，所述DSP控制器是整個(gè)電動(dòng)輪椅系統(tǒng)運(yùn)行的核心，負(fù)責(zé)采集萬向操縱手柄和功能按鍵發(fā)出的信號(hào)(如車速方向給定、正反轉(zhuǎn)給定、制動(dòng)給定等)，然后根據(jù)相應(yīng)算法完成速度和方向的判斷計(jì)算，輸出控制輪椅的方向、速度命令，輸出的信息通過CAN總線把每個(gè)車輪需要的速度和方向信號(hào)傳送到各個(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器，然后電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器根據(jù)轉(zhuǎn)矩和速度的雙環(huán)PID控制的算法，發(fā)出PWM控制信號(hào)給輪椅的每個(gè)車輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車輪協(xié)同輸出不同方向和速度，完成行進(jìn)及轉(zhuǎn)彎任務(wù)；同時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器采集電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和電流值，并通過CAN 總線傳遞給DSP控制器。

本實(shí)用新型系統(tǒng)通過采集行駛狀況實(shí)時(shí)反饋調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高行駛的穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制算法可以實(shí)現(xiàn)通過一個(gè)萬向操縱手柄完成車體的運(yùn)行控制，即根據(jù)萬向操縱手柄輸出的兩路模擬量(X,Y)，經(jīng)過一定的算法處理，轉(zhuǎn)變成四個(gè)車輪的速度和方向控制。

其中，具體實(shí)現(xiàn)上，作為一個(gè)實(shí)施例，本實(shí)用新型中，所述DSP控制器通過控制器接口與四個(gè)CAN總線模塊連接，四個(gè)所述CAN總線模塊連接電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器連接車輪驅(qū)動(dòng)器，參見圖2所示。

本實(shí)用新型中，所述DSP控制流程及單片機(jī)的控制流程如圖3-4所示。參見圖3所示，所述DSP控制流程如下：開始上電后，進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘初始化、IO端口的初始化、CAN總線模塊的初始化、AD采集的初始化、定時(shí)器的初始化等，初始化后開中斷進(jìn)入低功耗，ADC采集萬向操縱手柄的信號(hào)后由處理器進(jìn)行算法處理并進(jìn)行PID反饋調(diào)節(jié)，然后進(jìn)入定時(shí)器，把四個(gè)輪的速度值與方向通過CAN總線傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過定時(shí)器依次發(fā)送數(shù)據(jù)，通過CAN總線返回速度值，由處理器通過定時(shí)器依次接收數(shù)據(jù)。

所述單片機(jī)的控制流程如下，參見圖4所示，開始上電后，進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘初始化、IO端口的初始化、CAN總線模塊的初始化、AD采集的初始化、捕獲初始化、定時(shí)器的初始化、PWM輸出初始化等，初始化后開中斷進(jìn)入低功耗，CAN總線接收中斷，接收DSP控制器傳輸下來的電機(jī)速度和方向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開定時(shí)器，通過CAN總線反饋電機(jī)速度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過定時(shí)器定時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)反饋給DSP控制器，在單片機(jī)進(jìn)行低功耗時(shí)且捕獲中斷時(shí)，通過CAP捕獲模塊采集電機(jī)的速度反饋給DSP控制器。

優(yōu)選的，本實(shí)用新型中，所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述 CAN總線模塊采用MCP2515，所述電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制器采用MSP430G2553單片機(jī)控制器，所述控制器接口采用TJA1050。

具體的，本實(shí)用新型使用CAN網(wǎng)絡(luò)完成整車的五個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的通信功能，包括一個(gè)整車控制器和四個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器共五個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。DSP控制器作為主控核心，用其內(nèi)部的CAN模塊實(shí)現(xiàn)與四個(gè)輪轂電機(jī)控制模塊通訊；四個(gè)輪轂電機(jī)控制器采用MCP2515CAN模塊及MSP430單片機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)與主控的數(shù)據(jù)通訊。電動(dòng)輪椅的CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示,包括高位數(shù)據(jù)線(CAN_H) 110,低位數(shù)據(jù)線(CAN_L)120，通過該高位數(shù)據(jù)線(CAN_H)110,低位數(shù)據(jù)線(CAN_L)120實(shí)現(xiàn)控制器接口與CAN總線模塊連接，實(shí)現(xiàn)CAN總線模塊與DSP控制器通信。

其中，所述DSP控制器內(nèi)部的CAN模塊與SN65HVD230模塊是采用F28335 內(nèi)部CAN模塊做為CAN控制器，SN65HVD230模塊作為收發(fā)器，電路圖如下如圖6所示。

其中，MSP430G2553單片機(jī)與控制器接口TJA1050的CAN總線通信模塊是以MCP2515模塊做為CAN控制器，以控制器接口TJA1050芯片做為CAN總線通訊接口的收發(fā)器，并通過SPI接口連接MSP430G2553單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，如圖7所示。

控制系統(tǒng)工作時(shí)，首先打開電源開關(guān)，設(shè)定輪椅運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)選擇行駛模式后，通過調(diào)節(jié)速度旋鈕可設(shè)定最大運(yùn)行速度，再用行駛選擇按鈕設(shè)定前進(jìn)或者后退，然后推動(dòng)萬向操縱手柄即可使輪椅前進(jìn)或后退行駛。

當(dāng)設(shè)定前進(jìn)模式時(shí)，向后推動(dòng)萬向操縱手柄，輪椅是不運(yùn)行的。設(shè)定后退模式同樣如此，這樣增加了操作的安全性，可防止因誤操作帶來的輪椅意外行駛。

當(dāng)選擇了自轉(zhuǎn)模式后，通過自轉(zhuǎn)選擇模式按鈕設(shè)定順時(shí)針自轉(zhuǎn)或者逆時(shí)針自轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)定順時(shí)針自轉(zhuǎn)時(shí)，向左推動(dòng)萬向操縱手柄，即可順時(shí)針自轉(zhuǎn)，推至其他方向萬向操縱手柄不起作用。逆時(shí)針自轉(zhuǎn)同樣如此。

其中，本實(shí)用新型中，在限速級(jí)內(nèi)，操作時(shí)撥動(dòng)萬向操縱手柄的角度越大，速度越快，反之則減慢。萬向操縱手柄回到中間位置時(shí)為停車。當(dāng)車輛因電量太低或其它故障而無法進(jìn)行電動(dòng)行駛時(shí)，關(guān)斷電源開關(guān)車輛即可用手推動(dòng)。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了在不同路況下動(dòng)力分布比較均勻，減少了車身打滑和側(cè)傾，相對(duì)兩輪驅(qū)動(dòng)更加安全具有更強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，在啟動(dòng)加速和制動(dòng)上更快速有效，使得輪椅可以協(xié)調(diào)四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)繞中心旋轉(zhuǎn)的功能，方便在小空間轉(zhuǎn)彎。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。