功智轮椅设计—运动控制系统设计实现
功智轮椅设计运动控制系统设计实现
摘
现智化高速发展时代智科技已然成时代题智产品越越运行业中正断发展科技越越追求高智化产品基残障士老年服务着操作简单方便者观念次设计现轮椅基础优化轮椅原设计实现轮椅导航避障功极方便者时解决中数出行问题法体验生活乐趣领略祖国美河山问题
设计采arduino单片机MEGA2560作控制核心通摇杆模块电机驱动模块推杆模块继电器模块等实现电机正反转调速时利电机正反转实现轮椅整体行进方推杆电机控制进实现轮椅背部脚架角度控制终实现者根需求选择舒服角度全文讲述设计智轮椅软件方案硬件电路设计控制实现全部程包含元器件选择电气原理图设计程序编写硬件调试控制实现程心体会等
关键词：智轮椅arduino单片机程序设计
Multifunctional intelligent wheelchair design design and implementation of motion control system
Abstract
In today＇s era of rapid development of intelligence intelligence technology has become one of the themes of The Times intelligent products have been increasingly used in various industries And just because of the constant development of science and technology people are also more and more in pursuit of high intelligent products Based on the service for the disabled and the elderly in line with simple operation convenient user＇s concept Based on the original design the existing wheelchair was optimized realized the wheelchair autonomous navigation and obstacle avoidance function greatly convenient for the user＇s use but also solved the problems of most of these people are due to travel to experience the fun of the life appreciate the problem of the motherland beautiful country side
This design makes the arduino microcontroller MEGA2560 as control core through the rocker arm module motor driver module a push rod module relay module realize the positive &negative and speed of the motor at the same time using of the motor and reversing the wheelchair overall direction and the push rod motor to realize the control of the wheelchair back and legs Angle control finally realize can make users according to their own needs to choose their own comfortable angle This paper describes the entire process of personal design of intelligent wheelchair software scheme and hardware circuit design and control including the selection of components electrical schematic design programming hardware debugging and control of the realization process experience
Keywords Intelligent wheelchair Arduino microcontroller Program design
目录
1绪 1
11研究意义 1
12现智轮椅研究现状 1
13研究基思路设计方案 2
2安全性求电气控制原理 4
21轮椅设计安全性求 4
22智轮椅电气控制设计原理 5
3硬件设计 8
31直流电机模块 8
32继电器模块 13
33推杆电机模块 16
34摇杆模块 18
4软件设计 21
41程序流程图 21
42继电器模块程序设计 22
43摇杆程序设计 23
44直流电机控制程序设计 24
45推杆程序设计 28
5软硬件联合调试效果验证 31
51软硬件联合调试 31
52软硬件效果验证 33
6结展 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
附录1 40
附录2 41
附录3 44
1绪
11研究意义
智轮椅产生服务行动便老年残障士类群体现轮椅前直接手动利肢力量控制轮椅运动传统轮椅外通种传感器进行信息收集利动手动控制相结合智轮椅然新时代求应具备动定位导航实时避障模式识机交互等功利功者轮椅发出指令单片机根指令进行目标点路线规划驱动时断检测周围环境信息避开路障修正路线确保安全准确达目标点
电气控制方面现市面采手动控制轮椅设计采arduino MEGA2560作电气控制核心模块提高产品智化极解放者双手次设计arduinoMEGA2560作控制核心arduino易手外MEGA2560时具较IO口轮椅期维修者需外增加更功提供硬件基础着老龄化加剧残障口例逐年增加研究会更收益时轮椅智化者家更加放心解决群出行难问题项研究涉单片机技术电机控制技术电气技术等学科领域该研究具广阔应前景实现轮椅智化智轮椅行业发展具较意义
12现智轮椅研究现状
根新数专家预测2050年前中国老年口全国数占超13数字世界国家绝仅知口老龄化中国已越越严重着济发展现年事发生率逐年增加残疾数断攀升残疾老年出行极问题中数出行问题法体验生活乐趣领略祖国河山美
残疾老年更体验世界国纷纷进入智轮椅研究意通智轮椅帮老年残障士更出行1986年英国研制第辆轮椅世界国断想方设法解决问题法国VAHM项目加AAI公司TAO项目包括国863智机器智轮椅项目美国麻省理工WHEELESLEY项目解决问题付出巨努力现智轮椅市面直接操杆实现轮椅行进具备避障导航功电动已进步行动便说旧法群生活改善着时代发展提出轮椅发展提出更求会开始希轮椅实现动驾驶利控制系统者够直接通触摸屏幕者语音直接实现轮椅直接达者想达方进真正意义解放者双手需通利单片机等控制系统实现智控制
编程领域中单片机算广泛控制核心特现智家居盛行情况器械控制家电工业医疗设施单片机运广泛着体积性强扩展灵活样化功耗低方便等优点现单片机全国世界许生产制造商会推出家式样芯片户根熟知度编写惯选择合适芯片芯片会特点户单独单片机控制选择块单片机进行通讯进行功互相控制外量身定做服务单片机制造公司存想造款属芯片直接找应芯片制造公司进行定做需求告诉芯片制造商会制造出属独二芯片仅企业身说更提高产品性时促进产品更新换代产品仅软件升级时硬件断升级进提高身竞争力仅缩体积简化电路时降低损坏率错误率产品够程度优化运算提高运算速度
13研究基思路设计方案
现市面智轮椅数通控制核心控制器实现轮椅摇杆控制电机运动通钮实现推杆电机运动进实现姿态调功者意变换坐姿设计原智轮椅优化底部控制时原智化基础轮椅装载激光雷达实现轮椅室定位导航功轮椅动驾驶功时额外需求基础继续开发
次研究负责智轮椅运动控制系统设计实现arduinoMEGA2560单片机进行熟悉通网查阅现关智轮椅资料解学控制思路考察解现智轮椅具体控制求关键问题根protues进行电路图设计时设计软件烧录进软件中进行仿真验证程序电路图行性根已确定正确性电路图需零部件PCB板进行布局焊接搭建实物实物进行软硬件整体调试确保需功正常运行
确定基思路设计秉着节约空间成智控制理念确定方案：
通利继电器弱点控制强电原理利单片机控制直流电机两端正负极通断实现直流电机正反转进控制电机前进退左转右转等行进控制通继电器控制推杆电机伸缩实现整体轮椅位姿变化实现基功进行arduino树莓派间通讯实现位机完全通讯程序基设计方案(图11示)
图11 设计方案
2安全性求电气控制原理
21轮椅设计安全性求
智轮椅设计实国家早年前出确切相关设计安全性求国家规定首先车轮着性应良果心压石头者坎时轮子容易悬空中极危险极容易导致轮椅失控发生侧翻等危险特该轮椅者残障士老年身体缺陷意识足反应力没正常年轻快更会终出现较严重果次轮椅设计求轮椅者驾驶轮椅时坡道者坡道时保证轮椅定坡度前倾者仰终导致轮椅翻倒设计时轮椅身重量定约束求电动轮椅10°推推斜坡方放置时坡位轮子然附着坡面（图21）然15°坡轮椅车左右斜面成直角放置坡位轮子离开测试台面（图22）样子保护者安全性确保者产品时安全外驻坡性方面国家相关求避免轮椅者坡放车闸轮椅会溜轮椅设计时应轮椅电机扭矩轮椅驻车系统较精密计算避免轮椅溜导致系列估量果
图21 坡示意图 图22 驻坡示意图
实轮椅设计中重轮椅速度问题速度问题国家实早已出台具体标准规定老残障士电动轮椅时速超10公里时考虑老残障士受年龄身体缺陷限制年轻力壮年轻般反应迅捷速度较快时年轻时未必遇紧急情况时时作出反应更况轮椅者更需限制轮椅速度适应环境需求电动轮椅研发设计时整车宽度整车长度车身重量等诸素必须互相配合综合协调种设计果驾驶太快极发生侧翻等安全隐患电动轮椅车速度控制10KMh保证者安全驾驶安全出行非常必
22智轮椅电气控制设计原理
次研究设计选择开发板Arduino ATMEGA2560作研究开发板首先Arduino起步较早开源硬件项目种开源项目目前已广泛认范围应硬件电路软件开发环境完全公开运商业修改保留第三方库开发接口 者全面理解底层机制时坚持开源社区直开放享设计师更专注功需太时间浪费程序格式
arduino开发板中实Arduino UnoArduino NanoArduino Leonardo等MEGA25602560arduino开发板中IO口智轮椅设计会较端口实现类功通IO口实现终功MEGA2560选择
更加清楚表明智轮椅行进控制工作原理元件作相互关系文学期间较CAD软件设计电气控制原理图包括电路控制电路
需优先通次程序整体框架分析画图中包括电路电路分析控制电路分析电路言该设计通控制直流电机正反转推杆电机正反转实现相关功等控制电路根摇杆继电器钮等执行元件控制求功予控制器输入终实现动作
研究象控制系统原理图（图21示）中轮椅整体行进通两直流电机驱驱动两电机控制电路驱动电路相处列出中处列出永磁式直流电机作示例继电器钮熔断器等元件图中选择两种继电器中KM3KM4KM7KM8KM11KM12KM14KM15时选择适电压5V微型继电器通正负极先接电源根信号线确定继电器通断剩8继电器文型号MY2NJ瑞雷继电器24V直流电压直接驱动程序中需组触点选择11脚继电器继电器身便带3组公端常开常闭端组开关中图中SB1SB2控制器控制控制器发出高电信号微型继电器KM3者KM4会合实现中间继电器KM1KM2实现闭合终控制应直流电机正转反转终宏观实现轮椅整体前进退左转右转
图21直流永磁式电机
图22展示直流推杆电机控制电路总体说控制电路直流永磁式电机控制电路差区通键传送控制器信号控制器接收信号应端口赋值通微型继电器控制中间继电器方法实现推杆电机伸缩推杆电机中设计推杆设计两键进实现推杆伸出收缩点动控制键1时脚部推杆电机会通控制器控制实现继电器闭合连接推杆电机24V电源进实现推杆电机伸出脚部脚架达者需角度时者需停止该钮推杆电机便会停止伸出停留前位置实现锁背部推杆电机概实现原理通钮实现背部推杆伸缩终实现背部脚架位姿变换解决非智轮椅者容易产生压疮问题
图22 直流推杆电机
3硬件设计
次研究硬件设计中文先智轮椅项需功进行分析基确定项需功利PROTEUS进行模块硬件设计终确定该智轮椅控制系统研究执行机构控制机构驱动机构等部分组成
次设计arduinoMEGA2560作控制核心通继电器模块摇杆模块键模块电机等元器件相互配合终实现智轮椅完整功实现电机等设计必须先研究应模块通查询资料学原理工作条件确认符合条件确定元件然分配合适位置引脚设计出合适电路软件确认控制行性整理画出适电路图设计电路图进行控制系统部分原件PCB板电路布局焊接焊接完成进行简单程序测试确保电路虚焊漏焊情况模块焊接符合实际运作求防止期组装实物时焊接导致整体产品运行出现问题影响终研究结果
31直流电机模块
311直流电机选配
智轮椅控制系统说电机选型算极重环智轮椅承重较电机选择时需功率较扭矩较电机轮椅需行走路面文查找轮胎路面摩擦系数表（见表31）考虑现社会中数路面压实次研究中压实轮胎摩擦系数作计算
表31 轮胎摩擦系数表
设计中设计设定轮椅重50Kg高载重重量100kg根国家求智轮椅速度达10KMH设计智轮椅达高速度设9KMH概估算轮椅行进需电机功率
（式31）
考虑现实中轮椅会通种样路会遇种样坡道轮椅说爬坡时需电机功率更选择电机时设计考虑轮椅爬坡者坡时选择电机功率否真正适里设定坡度倾角 假设轮椅坡时18KMH速度应电机需功率
（式32）
（式33）
通三数值进行知想轮椅正常运行电机功率必须三数值电机少提供38977785w功率次设计中轮两电机起驱动轮椅行进方法设计中单驱动电机少功率 194888925w设计选择电机时应选择电机功率200w更电机
般说电动机转速普遍较高设计智轮椅者残障士者老年速度宜快需电机转速进行降速处理电机选择时选择带减速功电机通电机选择设计应减速机知道减速机构应减速I里根设计驱动轮直径60cm设定轮椅行进速度90KMH根公式w2πnvr出轮椅轮驱动输出速度：
（式34）
选转速3000rpm电机减速电机应减速应
（式35）
电机选择时设计应选择减速少38功率少195W直流电机
终通种电机较设计决定直流永磁电动机MY1016Z（图31示）直流刷电机57BL115S21230tf9（图32示）选择符合设计电机两电机项参数表32表33示
图31 直流永磁电动机MY1016Z 图32 直流刷电机57BL115S21230tf9
表32 直流永磁电动机MY1016Z项参数
表33 直流刷电机57BL115S21230tf9
直流永磁式电动机功率减速等方面符合研究设计求外较优势集电机减速机构体整体结构设计设计便需外设计减速机构减轻设计重量时缩减整体设计体积电机功率较通左右电机成组电机衡性较稳定性较高缺点电机寿命较短电极维护较麻烦
直流刷电机优缺点明显首先永磁式电动机样功率较较稳定外利电子取代传统机械换性较障率较低电机寿命相便较长然直流刷电机缺点便需外配置驱动器驱动电机配置减速机构达设计需速度样设计整体成便会升控制求相提高
开始两种电机间进行选择文软件设计时两种电机进行设计通两种电机效果展示确定终适合该设计电机
两种电机进行较综合素考虑设计组位机动驾驶电机求需通编码器识轮椅整体位置姿态通左右电机调速实现差速控制终设计选择直流刷电机57BL115S21230tf9作终驱动电机
刷电机说想arduino控制需通驱动器通控制驱动器终实现电机方变换转速种功根选择直流刷电机设计选择ZM6615（图33示）作次电机驱动器减速机构应前面计算出数匹配电机型号选择减速96行星减速机（图34示）
图33 电机驱动器ZM6615 图34 行星减速机
312直流刷电机驱动设计
直流刷电机驱动驱动器模块组成proteus元件库中找直接应元件文仿真设计中驱动器原理概L298作模拟（图35示）芯片通电机两端信号控制电机正反转通PWM信号控制电机转速基模拟电机运转情况
图35 L298驱动电机
图35知电机驱动方案中前查阅资料时发现直流电机说时候出现问题电机正反转没控制导致电机容易磨损甚烧坏开始电路设计设计设计图H桥式驱动电路（见图36）解决电机正反转时发生问题
图36 H桥式驱动电路
H桥式电机驱动电路4三极电机组成电机运转时导通角线三极根三极导通情况电流会左右右左流电机控制电机转驱动电路重点保证H桥两侧三极会时导通三极Q1Q2时导通时电流会正极穿两三极直接回负极时电路中三极外没负载电流达值会容易烧坏三极控制侧三极会时导通极重设计中通非门实现侧三极时导通终实现问题
实际电机驱动器ZM6615控制驱动器状态终实现电机状态控制设计选择位机控制驱动器信号方信号控制电机运转方驱动器模拟信号端口位机输出PWM端口相连通端口输出05V模拟信号实现电机调速驱动器具体端口功连接表34示
表34 驱动器端口功连接
32继电器模块
次设计中继电器模块实运两方电机方案选择永磁式直流电机时利继电器模块实现轮椅整体行进外推杆电机设计需通继电器模块实现伸缩直流永磁式电机时电机电压24V利继电器弱电控制强电特质次设计继电器电常开端闭合实现电机电源间连接时通实现控制两继电器通断终实现控制电机正反转根原理设计proteus原理图（图37示）proteus原理图设计中元件库中没11脚继电器设计通8脚继电器5脚继电器联代11脚继电器
图37 继电器驱动永磁式直流电机电路
图37知次设计中需继电器触点较查阅相关资料分析继电器作实物选择时选择LEF驱动电压24V驱动电流3A14脚中间继电器（图38示）该继电器接线图图39示设计中考虑继电器驱动电流3AarduinoIO口输出电流mA级继电器驱动方面开始文设计两方案
图38 LEF中间继电器
图39 中间继电器接线图
方案开始文算行设计IO电流扩流模块利mos三极电阻等种原件通行设计电流放模块终实现继电器驱动方案二5V光耦微型继电器微型继电器正负两端接电源利微型继电器控制中间继电器电源通断终实现中间继电器驱动两种方案选择中设计终方案二微型继电器驱动方案较简单成较低直接中间继电器电源连接驱动更加稳定避免实验时元件焊接等问题法驱动设计中选择图310示光耦继电器
图310 微型光耦继电器
光耦继电器光电隔离采贴片式仅仅节省板子空间抗干扰功具性稳定驱动性强特点继电器优点设计高低电触发引脚选择端者通身程序选择决定继电器触发方式外光耦继电器体型承受负载甚达直流30V10A设计中采起弱电控制强电作工作原理通线圈电产生磁力常开端吸引导致常开端闭合常闭端断开DCDC+分接单片机电源IN口接单片机控制端口高电触发IN口接端口高电时继电器会电时继电器COM口NO口连通继电器没电时COM口NC端口连通设计中利微型继电器中间继电器组合 KM1正极端口连接微型继电器NO口负极端口直接连接电源负极微型继电器com口连接24V电源正极微型继电器电时中间继电器电时电机便实现正转时避免电机正反转时进行损坏电机电路设计中设计进行电路正反转互锁电机正转电路中接入电机反转继电器组常闭端点电机反转电路中接入电机正转继电器组常闭端点电机实现正转者反转时必然会出现电机正反转时进行情况保护电机避免电机正反转时出现导致电机磨损
33推杆电机模块
推杆电机模块智轮椅设计中需实现背部分脚架部分位姿变化设计机械结构推杆电机配合方法实现应角度变化推杆电机首先推杆电机体积精度高锁性控制中电机电运动电机停止供电时停止运动停止推杆电机良锁性停止推杆位置背脚架部分约定范围意角度调节实现定角度意位姿变化
实物选择设计选择图311示CLA100MM电路设计图312示CLA100MM推杆电机属直流电机种控制实际前直流电机相执行电路模块没什区通微型继电器控制中间继电器通电终实现电机正反转进实现推杆电机伸缩然直流电机处推杆电机执行方式电运动断电锁者通行选择需位姿外图313知推杆电机控制电路键组成点动控制者轮椅时想椅背放需背部推杆电机伸出应键直着背便会直放直低处果程中者认已达需角度需松开键电机便会停止伸出停留前位置背便会停止前角度果者想收回背需背部推杆直流电机收缩钮直背达合适位置松开脚部推杆电机操作
图311 推杆电机CLA100MM
图312 推杆电机执行模块
图313 推杆电机控制模块
34摇杆模块
智轮椅说部分执行部分外控制部分重者必须通控制部分控制器传输想表达指令控制器根指令做出相应动作智轮椅中时者老残障士相钮推杆起更控制作推杆更加简单明确表达者意图者未智轮椅快学会
实际摇杆质变位器通变位器阻值变化实现形式予控制器信号摇杆选择中通单片机输出信号等分析选择摇杆模块TY2二位摇杆模块（图314示）两电阻 10K电位器拼装成适电压5V电位器两端接5V电源正负中间变端接入控制器便读取相关信号
图314 TY2摇杆模块
模拟摇杆输出中设计时通两变阻器作二维摇杆两方控制（图315示）proteus法实时监测模拟量输入法难确定变位器模拟量具体范围proteus设计时四电位器PWM调速方控制分开利PWM调速模块（图316示）占空设计终实现电机调速实际控制中四摇杆通TY2摇杆模块实现通两电位器实现电机方变换调速
外proteus控制模块仿真时电位器仿真模拟量proteus模拟量仿真灵敏文设计4钮控制分模拟轮椅前进退左转右转（图317示）图317知电路中钮般说实际应中钮会存键抖动问题通常键机械弹性开关机械触点存弹性作键开关闭合时会马稳定接通断开时会子断开闭合断开瞬间会连串抖动设计般需通硬件软件结合进行消抖样子限度降低抖动产生控制端系列影响设计中时串联电阻联电容方法通电阻稳定信号利电容两端电压突变特性联原件消接触抖动产生毛刺电压实现消抖功
图315 摇杆方控制
图316 摇杆PWM调速控制
图317 钮控制
4软件设计
进行软件设计前需前期准备工作做编程烧录程序电脑软件安装编程软件Notepad++DEV C++keilarduino IDE等然arduino程序设计说便arduinoIDE软件Arduino开放源代码集成开发环境语法简单时开源网站拥许开源代码供家交流Arduino程序开发变非常便捷软件集成烧录功设计者需写程序编译烧录时配置arduino板应com口软件便时实现编译传外软件相软件优势处读取端口值设计者程序出现问题时通运行程序读取端口值更快解问题处增强者单片机版交互软件进行熟悉需通子程序实行思路进行概规划查阅相关书籍程序框架制定
41程序流程图
程序控制设计前需画出体流程图通直观形象易理解流程图设计者程序设计更加方效率更高基确定设计流程便画出设计流程图次智轮椅设计基流程：摇杆发出信号单片机会判断摇杆发出信号属种时根信号做出反应继电器通断终实现直流刷电机运动直流推杆电机通钮回馈控制器时控制器根反馈信号判断端口信号终实现背部推杆电机伸缩脚步推杆电机伸缩具体流程图图41示
图41 程序设计原理
42继电器模块程序设计
智轮椅永磁式电机控制方案继电器算设计中极重环设计需根单片机端口者端口赋予信号单片机进行判断发出指令控制应微型机电器终微型继电器控制中间继电器通断实现电机运行实继电器处作作开关控制电机通电便开关闭合断电便断开通开关闭合实现电机正反转处程序设计需程序中判断语句判断控制模块状态进赋予执行模块定功延时函数通消耗CPU运算时间确保继电器控制避免继电器延迟终执行时出现问题微型继电器设计继电器模块设置高电效初始化低电继电器信号1时应LED会亮红灯继电器会发出咔声时表示继电器已电
总体思路清晰处便开始分配单片机引脚设计中涉直流电机推杆电机两种单片机分配包括直流电机端口分配推杆电机端口分配
程序中永磁式电动机设计分配输出端口arduino2560数字口46812直流推杆电机分配输出端口数字端口25293337通判断条件输出继电器通电情况时直流电机中存正反转时运行导致终电机损坏甚烧掉情况前面电路设计中设计设计电机正反转时电时电机会动停止运转具体继电器通电情况表4142示
表41 永磁式直流电机继电器通电情况
表42 直流推杆电机继电器通电情况
43摇杆程序设计
摇杆程序设计前面电路设计中讲摇杆实Y方X方两电位器电位器程序设计中作模拟量存里想摇杆模块作程序控制端需通读取摇杆位置模拟量根模拟量数值确定时摇杆位置终做出相应反馈次摇杆模块程序设计先硬件摇杆中电位器两端接入电源中电位器活动端接入arduino单片机模拟端口程序中接入模拟端口A0A1时利程序中analogRead()子函数读取摇杆位位置模拟量实现模拟量读取模拟量读取图42示
图42 摇杆模块模拟量读取
通程序中模拟量读取发现X轴Y轴模拟量01023范围具体程序设计中首先设计通判断摇杆方控制轮椅整体行进次设计通Y方摇杆控制电机速度通Y方摇杆位置改变应输出PWM占空终实现电机调速时通读取XY方摇杆应输出PWM占空通Y方X方PWM占空相减相加两电机间产生速度差终实现轮椅整体转面控制中文模拟量变化范围分区间实现轮椅整体前进退左转右转控制
44直流电机控制程序设计
开始电机选型永磁式电机直流刷电机间选择设计开始程序设计两种电机进行设计
441直流永磁式电动机程序设计
永磁式直流电机前面介绍控制端利读取摇杆模块信号终实现轮椅种行进执行程序设计中首先电动机程序定义输出端口数字端口341112程序具体思路XY方分3部分摇杆位（0300）（300650）（6501030）摇杆位两边时电机会根单片机指令做出相关动作摇杆位中间时电机会停止等指令例摇杆X轴位400650时Y位6501023时两电机会正转时轮椅整体会实现前进具体摇杆位置电机运动表42示
表42 直流永磁式电机继电器通电情况
arduinoIDE应程序控制图43图44示
图43 轮椅前进退
图44 轮椅左转右转
程序设计中程序思路摇杆位程序设定位置时应端口赋予高电摇杆位中间时电机应端口清零保证电机会次赋值终影响次运行应摇杆位中间程序图45示
图45 摇杆位中间
442 直流刷电机程序设计
直流刷电机程序设计中前面介绍驱动器通控制端方端控制电机整体行进通Ve 端口输入pwm信号控制速度里设计直接定义端口68分左右电机PWM输出端口时412311两电机控制端方控制端PWM输出设计通电位器位置控制单片机赋予端口05V模拟量进实现控制前进退方通Y方摇杆实现调速左右方通X方摇杆实现调速具体前进程序设计图46示
图46 刷电机前进退控制
里摇杆模拟量01023区间便控制设计区间压缩0255时赋予端方端正确信号通读取Y方摇杆输出应PWM信号实现电机调速左右电机相信号行进防止左右电机速度出现转等问题
电机左右转图47示根国家求程序设计时轮椅转弯时外轮速度必须轮速度高保证轮椅会旁边倾倒保证者安全设计通转弯时外侧电机速度根摇杆X轴位置读取侧电机速度零实现差速调节保证者安全
图47 刷电机左右转控制
外程序中考虑时候会意想情况发生导致摇杆失灵设计中加入急停钮目时候控制失灵时者直接急停钮避免出现电机停发生意想意外急停钮应程序图48示
图48 急停钮控制程序
程序钮时arduino单片机优先执行步骤外部中断般说单片机运行时候执行死循环程序没外界干扰时候基处封闭状态种处理特殊情况需中断前执行程序转执行中断子程序般说处理器必须备外部中断端口arduino2560外部中断端口23181920215端口作外部中断端口程序中设计设置数字口2作中断函数触发引脚利attachInterrupt（）设计中断函数函数中程序设计开始数字引脚2赋予高电设置检测数字端口2低电时触发中断时单片机会执行中断子函数blink（）中容中断子函数中设置直流电机输出四端口全赋予低电时电机宏观表现会表现全部电机停止运转轮椅停止运动
45推杆程序设计
推杆电机程序设计设计定义数字口57910作输入端口输入端口初始化低电数字口外接钮电源旦钮数字口赋值高电单片机判断高电会立刻做出反应应输出端口值写高电时端口应继电器会电电机会应运行起电机部分控制判断运行图49图410示
图49 背部直流电机伸出停止
图410 脚部直流电机收缩停止
图中知道判断钮需隔段时间次判定处钮钮前文已提需进行消抖处理硬件进行消抖外必须软件进行消抖通判段次段时间判断次确保钮确实然执行接电路样更避免键抖动产生影响时进行程序设计时键存抖动特性判断键提起时程序判断次方法else函数处else函数时控制器会钮机械抖动状态作键没时处理容易导致抖动阶段电机运转宏观变现控制失控
5软硬件联合调试效果验证
51软硬件联合调试
次设计软硬件联合调试中开始设计时已机械设计学确定元器件安装位置尺寸需前选定元器件装根元器件位置确定线路走线调试应功调试完功功模块学联合通位机树莓派位机arduino调试终实现轮椅构建图动驾驶功图51Gazebo软件室仿真图
图51 Gazebo软件室仿真图
疫情原组法汇合终实现先买应元器件已验证程序行性开始设计软件时候仅仅单纯编译程序否成功果程序编译成功便进行步没进行硬件真正进行调试开始时程序性确定通proteus软件进行调试proteus调试确定程序时绝没问题实物电路板调试调试出现问题时便心找实物问题会知问题出现软件硬件两边找问题浪费时间提高调试效率利更找出问题处
开始proteus仿真时烧入程序发现程序没需方进行设计直接摇杆模块proteus设计简化两电位器电位器电路设计接入电路中然电位器接入发现电机运行实际容易控制电位器控制两极值点0者100会单片机产生电位变化设计中特意proteus中调电压模块接入电位器两端确认电位器两端电压变化确认电位器接入电路中模拟量变化考虑问题原电路中模拟量该软件法确定模拟量法根模拟量确定控制范围确定电机控制面proteus设计中设计四钮分模拟轮椅前进退左转右转功模拟摇杆四范围时应四功通四钮控制少确认执行电路准确性实物控制中需钮控制改摇杆模块改应模拟量数值
proteus中仿真已成功基确定程序行性接便进入实物调试中接入实物发现开始直接利单片机法驱动继电器继电器会许光亮没闭合趋势时偶尔力敲继电器会开始继电器坏直接继电器正负接入电路时发现继电器闭合表示继电器时测试继电器两端电压发现达驱动求查阅资料发现实继电器驱动电流够导致法闭合通查阅书籍询问老师学终决定微型继电器控制中间继电器方案终成功驱动中间继电器
外面整体调试中发现问题总电路接入支路太形成电流分流研究中设计中间继电器开始单纯接入永磁式直流电机时发现电机正常运转电路接入背部推杆电机中间继电器发现继电器出现灯亮继电器情况开始程序出现问题程序中调试读取端口值确定程序中未出现问题便方转换支路联导致电流分流够电流驱动继电器重新寻找电源继电器重新接电源果然继电器实现闭合然实际设计中轮椅身重量重背负着两电池显然现实期改进中设计增加电源扩流模块电源原基础输出更电流电流分流驱动中间继电器便减轻轮椅总质量时降低产品总成
图52实际接继电器电流足外接电源
图52 继电器图
52软硬件效果验证
述系列调试proteus中基实现需功行进键电机实现行进功急停键电机停推杆电机方面基实现键点动控制键推杆运动松开时推杆停止运行
实物方面基实现需注意方面电压稳压稳流需控制控制电压输出电流输出时电机两驱动轮实现调整速度关系终实现轮椅行进控制优运行
次实际情况中法机械部分学汇合实际展示中负责智轮椅控制系统仿真实物中需元件装载木板便更展示功前面介绍钮需进行硬件消抖设计通电烙铁行焊接关钮需电路（图53示）
图53 行焊接PCB板
实物安装设计中较电路杜邦线较导致开始接完线整版面较乱里设计扎带胶带线固定木板整界面较整洁更易调试推杆电机刷电机实物连接图图54图55示
图54 推杆电机测试图
图55 刷电机测试图
6结展
通次智轮椅设计确实感悟实智轮椅久前已开发设计确实残障士出行益处组开始选择课题初衷然毕业设计设计起简单花精力前时候注重理学实际投入实物设计验较少开始选择单片机型号摇杆模块推杆模块继电器查阅许资料询问许验师兄师姐确定元件控制东西没接触连元件原理熟悉先懂元件线路图查阅元件方法进行简单元件基确定元件
终成品次设计元件较说杜邦线较导致问题终接线会显乱仅会造成视觉舒服会调试找问题会特麻烦时候找问题浪费午午时间前觉PCB板焊接存虚焊问题信号时时找久线路问题转入PCB板焊接解决问题程然极度考察耐性时候会觉点烦考察问题分析力程中仅仅掌握种元器件方法种软件时学学东西真正意义总结吧软件设计硬件选PCB板焊接学里学会东西？通毕业设计仅学校解学生学接收程度学生中知水解前未知潜力学生走出校园走社会际力定定位
次设计总体说觉毕竟第次做实物控制查资料询问老师师兄师姐情况行解决程中确确实实学许东西然某方面该设计非特完美算新体验限时间条件设计出认真努力完美觉通期断改进断优化产品成优秀设计
设计改进方爬梯功手机手机实现数连接轮椅者时家手机实时明确位置防出现意外时时找轮椅者处等未工作中果话设计会方面入手继续完善设计更加完整户更体验度
参考文献
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[11]Yuen Hiu KimAutomatically characterizing driving activities onboard a smart wheelchair from accelerometer data[D]Montreal Quebec CanadaMcGill University2015
附录
附录1
控制电路图
附录2
刷电机控制程序
推杆电机控制程序
7
附录3
实物图
文档香网(httpswwwxiangdangnet)户传
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功智轮椅设计—运动控制系统设计实现
功智轮椅设计运动控制系统设计实现
摘
现智化高速发展时代智科技已然成时代题智产品越越运行业中正断发展科技越越追求高智化产品基残障士老年服务着操作简单方便者观念次设计现轮椅基础优化轮椅原设计实现轮椅导航避障功极方便者时解决中数出行问题法体验生活乐趣领略祖国美河山问题
设计采arduino单片机MEGA2560作控制核心通摇杆模块电机驱动模块推杆模块继电器模块等实现电机正反转调速时利电机正反转实现轮椅整体行进方推杆电机控制进实现轮椅背部脚架角度控制终实现者根需求选择舒服角度全文讲述设计智轮椅软件方案硬件电路设计控制实现全部程包含元器件选择电气原理图设计程序编写硬件调试控制实现程心体会等
关键词：智轮椅arduino单片机程序设计
Multifunctional intelligent wheelchair design design and implementation of motion control system
Abstract
In today＇s era of rapid development of intelligence intelligence technology has become one of the themes of The Times intelligent products have been increasingly used in various industries And just because of the constant development of science and technology people are also more and more in pursuit of high intelligent products Based on the service for the disabled and the elderly in line with simple operation convenient user＇s concept Based on the original design the existing wheelchair was optimized realized the wheelchair autonomous navigation and obstacle avoidance function greatly convenient for the user＇s use but also solved the problems of most of these people are due to travel to experience the fun of the life appreciate the problem of the motherland beautiful country side
This design makes the arduino microcontroller MEGA2560 as control core through the rocker arm module motor driver module a push rod module relay module realize the positive &negative and speed of the motor at the same time using of the motor and reversing the wheelchair overall direction and the push rod motor to realize the control of the wheelchair back and legs Angle control finally realize can make users according to their own needs to choose their own comfortable angle This paper describes the entire process of personal design of intelligent wheelchair software scheme and hardware circuit design and control including the selection of components electrical schematic design programming hardware debugging and control of the realization process experience
Keywords Intelligent wheelchair Arduino microcontroller Program design
目录
1绪 1
11研究意义 1
12现智轮椅研究现状 1
13研究基思路设计方案 2
2安全性求电气控制原理 4
21轮椅设计安全性求 4
22智轮椅电气控制设计原理 5
3硬件设计 8
31直流电机模块 8
32继电器模块 13
33推杆电机模块 16
34摇杆模块 18
4软件设计 21
41程序流程图 21
42继电器模块程序设计 22
43摇杆程序设计 23
44直流电机控制程序设计 24
45推杆程序设计 28
5软硬件联合调试效果验证 31
51软硬件联合调试 31
52软硬件效果验证 33
6结展 37
参考文献 38
致谢 39
附录 40
附录1 40
附录2 41
附录3 44
1绪
11研究意义
智轮椅产生服务行动便老年残障士类群体现轮椅前直接手动利肢力量控制轮椅运动传统轮椅外通种传感器进行信息收集利动手动控制相结合智轮椅然新时代求应具备动定位导航实时避障模式识机交互等功利功者轮椅发出指令单片机根指令进行目标点路线规划驱动时断检测周围环境信息避开路障修正路线确保安全准确达目标点
电气控制方面现市面采手动控制轮椅设计采arduino MEGA2560作电气控制核心模块提高产品智化极解放者双手次设计arduinoMEGA2560作控制核心arduino易手外MEGA2560时具较IO口轮椅期维修者需外增加更功提供硬件基础着老龄化加剧残障口例逐年增加研究会更收益时轮椅智化者家更加放心解决群出行难问题项研究涉单片机技术电机控制技术电气技术等学科领域该研究具广阔应前景实现轮椅智化智轮椅行业发展具较意义
12现智轮椅研究现状
根新数专家预测2050年前中国老年口全国数占超13数字世界国家绝仅知口老龄化中国已越越严重着济发展现年事发生率逐年增加残疾数断攀升残疾老年出行极问题中数出行问题法体验生活乐趣领略祖国河山美
残疾老年更体验世界国纷纷进入智轮椅研究意通智轮椅帮老年残障士更出行1986年英国研制第辆轮椅世界国断想方设法解决问题法国VAHM项目加AAI公司TAO项目包括国863智机器智轮椅项目美国麻省理工WHEELESLEY项目解决问题付出巨努力现智轮椅市面直接操杆实现轮椅行进具备避障导航功电动已进步行动便说旧法群生活改善着时代发展提出轮椅发展提出更求会开始希轮椅实现动驾驶利控制系统者够直接通触摸屏幕者语音直接实现轮椅直接达者想达方进真正意义解放者双手需通利单片机等控制系统实现智控制
编程领域中单片机算广泛控制核心特现智家居盛行情况器械控制家电工业医疗设施单片机运广泛着体积性强扩展灵活样化功耗低方便等优点现单片机全国世界许生产制造商会推出家式样芯片户根熟知度编写惯选择合适芯片芯片会特点户单独单片机控制选择块单片机进行通讯进行功互相控制外量身定做服务单片机制造公司存想造款属芯片直接找应芯片制造公司进行定做需求告诉芯片制造商会制造出属独二芯片仅企业身说更提高产品性时促进产品更新换代产品仅软件升级时硬件断升级进提高身竞争力仅缩体积简化电路时降低损坏率错误率产品够程度优化运算提高运算速度
13研究基思路设计方案
现市面智轮椅数通控制核心控制器实现轮椅摇杆控制电机运动通钮实现推杆电机运动进实现姿态调功者意变换坐姿设计原智轮椅优化底部控制时原智化基础轮椅装载激光雷达实现轮椅室定位导航功轮椅动驾驶功时额外需求基础继续开发
次研究负责智轮椅运动控制系统设计实现arduinoMEGA2560单片机进行熟悉通网查阅现关智轮椅资料解学控制思路考察解现智轮椅具体控制求关键问题根protues进行电路图设计时设计软件烧录进软件中进行仿真验证程序电路图行性根已确定正确性电路图需零部件PCB板进行布局焊接搭建实物实物进行软硬件整体调试确保需功正常运行
确定基思路设计秉着节约空间成智控制理念确定方案：
通利继电器弱点控制强电原理利单片机控制直流电机两端正负极通断实现直流电机正反转进控制电机前进退左转右转等行进控制通继电器控制推杆电机伸缩实现整体轮椅位姿变化实现基功进行arduino树莓派间通讯实现位机完全通讯程序基设计方案(图11示)
图11 设计方案
2安全性求电气控制原理
21轮椅设计安全性求
智轮椅设计实国家早年前出确切相关设计安全性求国家规定首先车轮着性应良果心压石头者坎时轮子容易悬空中极危险极容易导致轮椅失控发生侧翻等危险特该轮椅者残障士老年身体缺陷意识足反应力没正常年轻快更会终出现较严重果次轮椅设计求轮椅者驾驶轮椅时坡道者坡道时保证轮椅定坡度前倾者仰终导致轮椅翻倒设计时轮椅身重量定约束求电动轮椅10°推推斜坡方放置时坡位轮子然附着坡面（图21）然15°坡轮椅车左右斜面成直角放置坡位轮子离开测试台面（图22）样子保护者安全性确保者产品时安全外驻坡性方面国家相关求避免轮椅者坡放车闸轮椅会溜轮椅设计时应轮椅电机扭矩轮椅驻车系统较精密计算避免轮椅溜导致系列估量果
图21 坡示意图 图22 驻坡示意图
实轮椅设计中重轮椅速度问题速度问题国家实早已出台具体标准规定老残障士电动轮椅时速超10公里时考虑老残障士受年龄身体缺陷限制年轻力壮年轻般反应迅捷速度较快时年轻时未必遇紧急情况时时作出反应更况轮椅者更需限制轮椅速度适应环境需求电动轮椅研发设计时整车宽度整车长度车身重量等诸素必须互相配合综合协调种设计果驾驶太快极发生侧翻等安全隐患电动轮椅车速度控制10KMh保证者安全驾驶安全出行非常必
22智轮椅电气控制设计原理
次研究设计选择开发板Arduino ATMEGA2560作研究开发板首先Arduino起步较早开源硬件项目种开源项目目前已广泛认范围应硬件电路软件开发环境完全公开运商业修改保留第三方库开发接口 者全面理解底层机制时坚持开源社区直开放享设计师更专注功需太时间浪费程序格式
arduino开发板中实Arduino UnoArduino NanoArduino Leonardo等MEGA25602560arduino开发板中IO口智轮椅设计会较端口实现类功通IO口实现终功MEGA2560选择
更加清楚表明智轮椅行进控制工作原理元件作相互关系文学期间较CAD软件设计电气控制原理图包括电路控制电路
需优先通次程序整体框架分析画图中包括电路电路分析控制电路分析电路言该设计通控制直流电机正反转推杆电机正反转实现相关功等控制电路根摇杆继电器钮等执行元件控制求功予控制器输入终实现动作
研究象控制系统原理图（图21示）中轮椅整体行进通两直流电机驱驱动两电机控制电路驱动电路相处列出中处列出永磁式直流电机作示例继电器钮熔断器等元件图中选择两种继电器中KM3KM4KM7KM8KM11KM12KM14KM15时选择适电压5V微型继电器通正负极先接电源根信号线确定继电器通断剩8继电器文型号MY2NJ瑞雷继电器24V直流电压直接驱动程序中需组触点选择11脚继电器继电器身便带3组公端常开常闭端组开关中图中SB1SB2控制器控制控制器发出高电信号微型继电器KM3者KM4会合实现中间继电器KM1KM2实现闭合终控制应直流电机正转反转终宏观实现轮椅整体前进退左转右转
图21直流永磁式电机
图22展示直流推杆电机控制电路总体说控制电路直流永磁式电机控制电路差区通键传送控制器信号控制器接收信号应端口赋值通微型继电器控制中间继电器方法实现推杆电机伸缩推杆电机中设计推杆设计两键进实现推杆伸出收缩点动控制键1时脚部推杆电机会通控制器控制实现继电器闭合连接推杆电机24V电源进实现推杆电机伸出脚部脚架达者需角度时者需停止该钮推杆电机便会停止伸出停留前位置实现锁背部推杆电机概实现原理通钮实现背部推杆伸缩终实现背部脚架位姿变换解决非智轮椅者容易产生压疮问题
图22 直流推杆电机
3硬件设计
次研究硬件设计中文先智轮椅项需功进行分析基确定项需功利PROTEUS进行模块硬件设计终确定该智轮椅控制系统研究执行机构控制机构驱动机构等部分组成
次设计arduinoMEGA2560作控制核心通继电器模块摇杆模块键模块电机等元器件相互配合终实现智轮椅完整功实现电机等设计必须先研究应模块通查询资料学原理工作条件确认符合条件确定元件然分配合适位置引脚设计出合适电路软件确认控制行性整理画出适电路图设计电路图进行控制系统部分原件PCB板电路布局焊接焊接完成进行简单程序测试确保电路虚焊漏焊情况模块焊接符合实际运作求防止期组装实物时焊接导致整体产品运行出现问题影响终研究结果
31直流电机模块
311直流电机选配
智轮椅控制系统说电机选型算极重环智轮椅承重较电机选择时需功率较扭矩较电机轮椅需行走路面文查找轮胎路面摩擦系数表（见表31）考虑现社会中数路面压实次研究中压实轮胎摩擦系数作计算
表31 轮胎摩擦系数表
设计中设计设定轮椅重50Kg高载重重量100kg根国家求智轮椅速度达10KMH设计智轮椅达高速度设9KMH概估算轮椅行进需电机功率
（式31）
考虑现实中轮椅会通种样路会遇种样坡道轮椅说爬坡时需电机功率更选择电机时设计考虑轮椅爬坡者坡时选择电机功率否真正适里设定坡度倾角 假设轮椅坡时18KMH速度应电机需功率
（式32）
（式33）
通三数值进行知想轮椅正常运行电机功率必须三数值电机少提供38977785w功率次设计中轮两电机起驱动轮椅行进方法设计中单驱动电机少功率 194888925w设计选择电机时应选择电机功率200w更电机
般说电动机转速普遍较高设计智轮椅者残障士者老年速度宜快需电机转速进行降速处理电机选择时选择带减速功电机通电机选择设计应减速机知道减速机构应减速I里根设计驱动轮直径60cm设定轮椅行进速度90KMH根公式w2πnvr出轮椅轮驱动输出速度：
（式34）
选转速3000rpm电机减速电机应减速应
（式35）
电机选择时设计应选择减速少38功率少195W直流电机
终通种电机较设计决定直流永磁电动机MY1016Z（图31示）直流刷电机57BL115S21230tf9（图32示）选择符合设计电机两电机项参数表32表33示
图31 直流永磁电动机MY1016Z 图32 直流刷电机57BL115S21230tf9
表32 直流永磁电动机MY1016Z项参数
表33 直流刷电机57BL115S21230tf9
直流永磁式电动机功率减速等方面符合研究设计求外较优势集电机减速机构体整体结构设计设计便需外设计减速机构减轻设计重量时缩减整体设计体积电机功率较通左右电机成组电机衡性较稳定性较高缺点电机寿命较短电极维护较麻烦
直流刷电机优缺点明显首先永磁式电动机样功率较较稳定外利电子取代传统机械换性较障率较低电机寿命相便较长然直流刷电机缺点便需外配置驱动器驱动电机配置减速机构达设计需速度样设计整体成便会升控制求相提高
开始两种电机间进行选择文软件设计时两种电机进行设计通两种电机效果展示确定终适合该设计电机
两种电机进行较综合素考虑设计组位机动驾驶电机求需通编码器识轮椅整体位置姿态通左右电机调速实现差速控制终设计选择直流刷电机57BL115S21230tf9作终驱动电机
刷电机说想arduino控制需通驱动器通控制驱动器终实现电机方变换转速种功根选择直流刷电机设计选择ZM6615（图33示）作次电机驱动器减速机构应前面计算出数匹配电机型号选择减速96行星减速机（图34示）
图33 电机驱动器ZM6615 图34 行星减速机
312直流刷电机驱动设计
直流刷电机驱动驱动器模块组成proteus元件库中找直接应元件文仿真设计中驱动器原理概L298作模拟（图35示）芯片通电机两端信号控制电机正反转通PWM信号控制电机转速基模拟电机运转情况
图35 L298驱动电机
图35知电机驱动方案中前查阅资料时发现直流电机说时候出现问题电机正反转没控制导致电机容易磨损甚烧坏开始电路设计设计设计图H桥式驱动电路（见图36）解决电机正反转时发生问题
图36 H桥式驱动电路
H桥式电机驱动电路4三极电机组成电机运转时导通角线三极根三极导通情况电流会左右右左流电机控制电机转驱动电路重点保证H桥两侧三极会时导通三极Q1Q2时导通时电流会正极穿两三极直接回负极时电路中三极外没负载电流达值会容易烧坏三极控制侧三极会时导通极重设计中通非门实现侧三极时导通终实现问题
实际电机驱动器ZM6615控制驱动器状态终实现电机状态控制设计选择位机控制驱动器信号方信号控制电机运转方驱动器模拟信号端口位机输出PWM端口相连通端口输出05V模拟信号实现电机调速驱动器具体端口功连接表34示
表34 驱动器端口功连接
32继电器模块
次设计中继电器模块实运两方电机方案选择永磁式直流电机时利继电器模块实现轮椅整体行进外推杆电机设计需通继电器模块实现伸缩直流永磁式电机时电机电压24V利继电器弱电控制强电特质次设计继电器电常开端闭合实现电机电源间连接时通实现控制两继电器通断终实现控制电机正反转根原理设计proteus原理图（图37示）proteus原理图设计中元件库中没11脚继电器设计通8脚继电器5脚继电器联代11脚继电器
图37 继电器驱动永磁式直流电机电路
图37知次设计中需继电器触点较查阅相关资料分析继电器作实物选择时选择LEF驱动电压24V驱动电流3A14脚中间继电器（图38示）该继电器接线图图39示设计中考虑继电器驱动电流3AarduinoIO口输出电流mA级继电器驱动方面开始文设计两方案
图38 LEF中间继电器
图39 中间继电器接线图
方案开始文算行设计IO电流扩流模块利mos三极电阻等种原件通行设计电流放模块终实现继电器驱动方案二5V光耦微型继电器微型继电器正负两端接电源利微型继电器控制中间继电器电源通断终实现中间继电器驱动两种方案选择中设计终方案二微型继电器驱动方案较简单成较低直接中间继电器电源连接驱动更加稳定避免实验时元件焊接等问题法驱动设计中选择图310示光耦继电器
图310 微型光耦继电器
光耦继电器光电隔离采贴片式仅仅节省板子空间抗干扰功具性稳定驱动性强特点继电器优点设计高低电触发引脚选择端者通身程序选择决定继电器触发方式外光耦继电器体型承受负载甚达直流30V10A设计中采起弱电控制强电作工作原理通线圈电产生磁力常开端吸引导致常开端闭合常闭端断开DCDC+分接单片机电源IN口接单片机控制端口高电触发IN口接端口高电时继电器会电时继电器COM口NO口连通继电器没电时COM口NC端口连通设计中利微型继电器中间继电器组合 KM1正极端口连接微型继电器NO口负极端口直接连接电源负极微型继电器com口连接24V电源正极微型继电器电时中间继电器电时电机便实现正转时避免电机正反转时进行损坏电机电路设计中设计进行电路正反转互锁电机正转电路中接入电机反转继电器组常闭端点电机反转电路中接入电机正转继电器组常闭端点电机实现正转者反转时必然会出现电机正反转时进行情况保护电机避免电机正反转时出现导致电机磨损
33推杆电机模块
推杆电机模块智轮椅设计中需实现背部分脚架部分位姿变化设计机械结构推杆电机配合方法实现应角度变化推杆电机首先推杆电机体积精度高锁性控制中电机电运动电机停止供电时停止运动停止推杆电机良锁性停止推杆位置背脚架部分约定范围意角度调节实现定角度意位姿变化
实物选择设计选择图311示CLA100MM电路设计图312示CLA100MM推杆电机属直流电机种控制实际前直流电机相执行电路模块没什区通微型继电器控制中间继电器通电终实现电机正反转进实现推杆电机伸缩然直流电机处推杆电机执行方式电运动断电锁者通行选择需位姿外图313知推杆电机控制电路键组成点动控制者轮椅时想椅背放需背部推杆电机伸出应键直着背便会直放直低处果程中者认已达需角度需松开键电机便会停止伸出停留前位置背便会停止前角度果者想收回背需背部推杆直流电机收缩钮直背达合适位置松开脚部推杆电机操作
图311 推杆电机CLA100MM
图312 推杆电机执行模块
图313 推杆电机控制模块
34摇杆模块
智轮椅说部分执行部分外控制部分重者必须通控制部分控制器传输想表达指令控制器根指令做出相应动作智轮椅中时者老残障士相钮推杆起更控制作推杆更加简单明确表达者意图者未智轮椅快学会
实际摇杆质变位器通变位器阻值变化实现形式予控制器信号摇杆选择中通单片机输出信号等分析选择摇杆模块TY2二位摇杆模块（图314示）两电阻 10K电位器拼装成适电压5V电位器两端接5V电源正负中间变端接入控制器便读取相关信号
图314 TY2摇杆模块
模拟摇杆输出中设计时通两变阻器作二维摇杆两方控制（图315示）proteus法实时监测模拟量输入法难确定变位器模拟量具体范围proteus设计时四电位器PWM调速方控制分开利PWM调速模块（图316示）占空设计终实现电机调速实际控制中四摇杆通TY2摇杆模块实现通两电位器实现电机方变换调速
外proteus控制模块仿真时电位器仿真模拟量proteus模拟量仿真灵敏文设计4钮控制分模拟轮椅前进退左转右转（图317示）图317知电路中钮般说实际应中钮会存键抖动问题通常键机械弹性开关机械触点存弹性作键开关闭合时会马稳定接通断开时会子断开闭合断开瞬间会连串抖动设计般需通硬件软件结合进行消抖样子限度降低抖动产生控制端系列影响设计中时串联电阻联电容方法通电阻稳定信号利电容两端电压突变特性联原件消接触抖动产生毛刺电压实现消抖功
图315 摇杆方控制
图316 摇杆PWM调速控制
图317 钮控制
4软件设计
进行软件设计前需前期准备工作做编程烧录程序电脑软件安装编程软件Notepad++DEV C++keilarduino IDE等然arduino程序设计说便arduinoIDE软件Arduino开放源代码集成开发环境语法简单时开源网站拥许开源代码供家交流Arduino程序开发变非常便捷软件集成烧录功设计者需写程序编译烧录时配置arduino板应com口软件便时实现编译传外软件相软件优势处读取端口值设计者程序出现问题时通运行程序读取端口值更快解问题处增强者单片机版交互软件进行熟悉需通子程序实行思路进行概规划查阅相关书籍程序框架制定
41程序流程图
程序控制设计前需画出体流程图通直观形象易理解流程图设计者程序设计更加方效率更高基确定设计流程便画出设计流程图次智轮椅设计基流程：摇杆发出信号单片机会判断摇杆发出信号属种时根信号做出反应继电器通断终实现直流刷电机运动直流推杆电机通钮回馈控制器时控制器根反馈信号判断端口信号终实现背部推杆电机伸缩脚步推杆电机伸缩具体流程图图41示
图41 程序设计原理
42继电器模块程序设计
智轮椅永磁式电机控制方案继电器算设计中极重环设计需根单片机端口者端口赋予信号单片机进行判断发出指令控制应微型机电器终微型继电器控制中间继电器通断实现电机运行实继电器处作作开关控制电机通电便开关闭合断电便断开通开关闭合实现电机正反转处程序设计需程序中判断语句判断控制模块状态进赋予执行模块定功延时函数通消耗CPU运算时间确保继电器控制避免继电器延迟终执行时出现问题微型继电器设计继电器模块设置高电效初始化低电继电器信号1时应LED会亮红灯继电器会发出咔声时表示继电器已电
总体思路清晰处便开始分配单片机引脚设计中涉直流电机推杆电机两种单片机分配包括直流电机端口分配推杆电机端口分配
程序中永磁式电动机设计分配输出端口arduino2560数字口46812直流推杆电机分配输出端口数字端口25293337通判断条件输出继电器通电情况时直流电机中存正反转时运行导致终电机损坏甚烧掉情况前面电路设计中设计设计电机正反转时电时电机会动停止运转具体继电器通电情况表4142示
表41 永磁式直流电机继电器通电情况
表42 直流推杆电机继电器通电情况
43摇杆程序设计
摇杆程序设计前面电路设计中讲摇杆实Y方X方两电位器电位器程序设计中作模拟量存里想摇杆模块作程序控制端需通读取摇杆位置模拟量根模拟量数值确定时摇杆位置终做出相应反馈次摇杆模块程序设计先硬件摇杆中电位器两端接入电源中电位器活动端接入arduino单片机模拟端口程序中接入模拟端口A0A1时利程序中analogRead()子函数读取摇杆位位置模拟量实现模拟量读取模拟量读取图42示
图42 摇杆模块模拟量读取
通程序中模拟量读取发现X轴Y轴模拟量01023范围具体程序设计中首先设计通判断摇杆方控制轮椅整体行进次设计通Y方摇杆控制电机速度通Y方摇杆位置改变应输出PWM占空终实现电机调速时通读取XY方摇杆应输出PWM占空通Y方X方PWM占空相减相加两电机间产生速度差终实现轮椅整体转面控制中文模拟量变化范围分区间实现轮椅整体前进退左转右转控制
44直流电机控制程序设计
开始电机选型永磁式电机直流刷电机间选择设计开始程序设计两种电机进行设计
441直流永磁式电动机程序设计
永磁式直流电机前面介绍控制端利读取摇杆模块信号终实现轮椅种行进执行程序设计中首先电动机程序定义输出端口数字端口341112程序具体思路XY方分3部分摇杆位（0300）（300650）（6501030）摇杆位两边时电机会根单片机指令做出相关动作摇杆位中间时电机会停止等指令例摇杆X轴位400650时Y位6501023时两电机会正转时轮椅整体会实现前进具体摇杆位置电机运动表42示
表42 直流永磁式电机继电器通电情况
arduinoIDE应程序控制图43图44示
图43 轮椅前进退
图44 轮椅左转右转
程序设计中程序思路摇杆位程序设定位置时应端口赋予高电摇杆位中间时电机应端口清零保证电机会次赋值终影响次运行应摇杆位中间程序图45示
图45 摇杆位中间
442 直流刷电机程序设计
直流刷电机程序设计中前面介绍驱动器通控制端方端控制电机整体行进通Ve 端口输入pwm信号控制速度里设计直接定义端口68分左右电机PWM输出端口时412311两电机控制端方控制端PWM输出设计通电位器位置控制单片机赋予端口05V模拟量进实现控制前进退方通Y方摇杆实现调速左右方通X方摇杆实现调速具体前进程序设计图46示
图46 刷电机前进退控制
里摇杆模拟量01023区间便控制设计区间压缩0255时赋予端方端正确信号通读取Y方摇杆输出应PWM信号实现电机调速左右电机相信号行进防止左右电机速度出现转等问题
电机左右转图47示根国家求程序设计时轮椅转弯时外轮速度必须轮速度高保证轮椅会旁边倾倒保证者安全设计通转弯时外侧电机速度根摇杆X轴位置读取侧电机速度零实现差速调节保证者安全
图47 刷电机左右转控制
外程序中考虑时候会意想情况发生导致摇杆失灵设计中加入急停钮目时候控制失灵时者直接急停钮避免出现电机停发生意想意外急停钮应程序图48示
图48 急停钮控制程序
程序钮时arduino单片机优先执行步骤外部中断般说单片机运行时候执行死循环程序没外界干扰时候基处封闭状态种处理特殊情况需中断前执行程序转执行中断子程序般说处理器必须备外部中断端口arduino2560外部中断端口23181920215端口作外部中断端口程序中设计设置数字口2作中断函数触发引脚利attachInterrupt（）设计中断函数函数中程序设计开始数字引脚2赋予高电设置检测数字端口2低电时触发中断时单片机会执行中断子函数blink（）中容中断子函数中设置直流电机输出四端口全赋予低电时电机宏观表现会表现全部电机停止运转轮椅停止运动
45推杆程序设计
推杆电机程序设计设计定义数字口57910作输入端口输入端口初始化低电数字口外接钮电源旦钮数字口赋值高电单片机判断高电会立刻做出反应应输出端口值写高电时端口应继电器会电电机会应运行起电机部分控制判断运行图49图410示
图49 背部直流电机伸出停止
图410 脚部直流电机收缩停止
图中知道判断钮需隔段时间次判定处钮钮前文已提需进行消抖处理硬件进行消抖外必须软件进行消抖通判段次段时间判断次确保钮确实然执行接电路样更避免键抖动产生影响时进行程序设计时键存抖动特性判断键提起时程序判断次方法else函数处else函数时控制器会钮机械抖动状态作键没时处理容易导致抖动阶段电机运转宏观变现控制失控
5软硬件联合调试效果验证
51软硬件联合调试
次设计软硬件联合调试中开始设计时已机械设计学确定元器件安装位置尺寸需前选定元器件装根元器件位置确定线路走线调试应功调试完功功模块学联合通位机树莓派位机arduino调试终实现轮椅构建图动驾驶功图51Gazebo软件室仿真图
图51 Gazebo软件室仿真图
疫情原组法汇合终实现先买应元器件已验证程序行性开始设计软件时候仅仅单纯编译程序否成功果程序编译成功便进行步没进行硬件真正进行调试开始时程序性确定通proteus软件进行调试proteus调试确定程序时绝没问题实物电路板调试调试出现问题时便心找实物问题会知问题出现软件硬件两边找问题浪费时间提高调试效率利更找出问题处
开始proteus仿真时烧入程序发现程序没需方进行设计直接摇杆模块proteus设计简化两电位器电位器电路设计接入电路中然电位器接入发现电机运行实际容易控制电位器控制两极值点0者100会单片机产生电位变化设计中特意proteus中调电压模块接入电位器两端确认电位器两端电压变化确认电位器接入电路中模拟量变化考虑问题原电路中模拟量该软件法确定模拟量法根模拟量确定控制范围确定电机控制面proteus设计中设计四钮分模拟轮椅前进退左转右转功模拟摇杆四范围时应四功通四钮控制少确认执行电路准确性实物控制中需钮控制改摇杆模块改应模拟量数值
proteus中仿真已成功基确定程序行性接便进入实物调试中接入实物发现开始直接利单片机法驱动继电器继电器会许光亮没闭合趋势时偶尔力敲继电器会开始继电器坏直接继电器正负接入电路时发现继电器闭合表示继电器时测试继电器两端电压发现达驱动求查阅资料发现实继电器驱动电流够导致法闭合通查阅书籍询问老师学终决定微型继电器控制中间继电器方案终成功驱动中间继电器
外面整体调试中发现问题总电路接入支路太形成电流分流研究中设计中间继电器开始单纯接入永磁式直流电机时发现电机正常运转电路接入背部推杆电机中间继电器发现继电器出现灯亮继电器情况开始程序出现问题程序中调试读取端口值确定程序中未出现问题便方转换支路联导致电流分流够电流驱动继电器重新寻找电源继电器重新接电源果然继电器实现闭合然实际设计中轮椅身重量重背负着两电池显然现实期改进中设计增加电源扩流模块电源原基础输出更电流电流分流驱动中间继电器便减轻轮椅总质量时降低产品总成
图52实际接继电器电流足外接电源
图52 继电器图
52软硬件效果验证
述系列调试proteus中基实现需功行进键电机实现行进功急停键电机停推杆电机方面基实现键点动控制键推杆运动松开时推杆停止运行
实物方面基实现需注意方面电压稳压稳流需控制控制电压输出电流输出时电机两驱动轮实现调整速度关系终实现轮椅行进控制优运行
次实际情况中法机械部分学汇合实际展示中负责智轮椅控制系统仿真实物中需元件装载木板便更展示功前面介绍钮需进行硬件消抖设计通电烙铁行焊接关钮需电路（图53示）
图53 行焊接PCB板
实物安装设计中较电路杜邦线较导致开始接完线整版面较乱里设计扎带胶带线固定木板整界面较整洁更易调试推杆电机刷电机实物连接图图54图55示
图54 推杆电机测试图
图55 刷电机测试图
6结展
通次智轮椅设计确实感悟实智轮椅久前已开发设计确实残障士出行益处组开始选择课题初衷然毕业设计设计起简单花精力前时候注重理学实际投入实物设计验较少开始选择单片机型号摇杆模块推杆模块继电器查阅许资料询问许验师兄师姐确定元件控制东西没接触连元件原理熟悉先懂元件线路图查阅元件方法进行简单元件基确定元件
终成品次设计元件较说杜邦线较导致问题终接线会显乱仅会造成视觉舒服会调试找问题会特麻烦时候找问题浪费午午时间前觉PCB板焊接存虚焊问题信号时时找久线路问题转入PCB板焊接解决问题程然极度考察耐性时候会觉点烦考察问题分析力程中仅仅掌握种元器件方法种软件时学学东西真正意义总结吧软件设计硬件选PCB板焊接学里学会东西？通毕业设计仅学校解学生学接收程度学生中知水解前未知潜力学生走出校园走社会际力定定位
次设计总体说觉毕竟第次做实物控制查资料询问老师师兄师姐情况行解决程中确确实实学许东西然某方面该设计非特完美算新体验限时间条件设计出认真努力完美觉通期断改进断优化产品成优秀设计
设计改进方爬梯功手机手机实现数连接轮椅者时家手机实时明确位置防出现意外时时找轮椅者处等未工作中果话设计会方面入手继续完善设计更加完整户更体验度
参考文献
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[11]Yuen Hiu KimAutomatically characterizing driving activities onboard a smart wheelchair from accelerometer data[D]Montreal Quebec CanadaMcGill University2015
附录
附录1
控制电路图
附录2
刷电机控制程序
推杆电机控制程序
7
附录3
实物图
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