本發(fā)明涉及一種輪椅車(chē)，尤其涉及一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)及其控制方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的電動(dòng)輪椅車(chē)或老年休閑車(chē)等雖然靠?jī)蓚€(gè)電機(jī)和控制器能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退左右轉(zhuǎn)彎，但控制方式簡(jiǎn)單，無(wú)法辨別復(fù)雜路況，安全性低；特別是在上斜時(shí)候，不能根據(jù)路況給予駕駛者提醒和車(chē)輛智能控制，同時(shí)也無(wú)法根據(jù)車(chē)輛負(fù)載和路況智能調(diào)整轉(zhuǎn)彎參數(shù)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎靈敏度差異很大，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的電動(dòng)輪椅車(chē)和老年休閑車(chē)在負(fù)載多變、路況復(fù)雜的環(huán)境情況下，安全性和體驗(yàn)感都會(huì)大打折扣，不利于老年人的駕駛。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)及其控制方法，通過(guò)陀螺儀智能識(shí)別路況，根據(jù)不同的負(fù)載和路況智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎參數(shù)以及速度，大大提高行駛安全。

本發(fā)明提供一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)控制方法，包括以下步驟：

采集速度預(yù)期值，采集搖桿模塊的速度控制信號(hào)，轉(zhuǎn)化為輪椅車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值，所述的轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值為轉(zhuǎn)彎速度差的目標(biāo)值；

陀螺儀采集姿態(tài)信息，采集輪椅車(chē)行駛過(guò)程中陀螺儀的姿態(tài)信息，并將姿態(tài)信息傳入陀螺儀姿態(tài)解算模塊；

解算速度實(shí)際值，陀螺儀姿態(tài)解算模塊根據(jù)姿態(tài)信息解算得到輪椅車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值；

反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值與轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值進(jìn)行pid閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，直至轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值與轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值偏差值為零，得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)彎輸出速度。

進(jìn)一步地，所述的步驟解算速度實(shí)際值包括以下流程：陀螺儀端口初始化、陀螺儀寄存器配置、讀取姿態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算、角度變換、輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)彎速度控制信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述的步驟解算速度實(shí)際值還包括重新標(biāo)定判定，所述的重新標(biāo)定判定位于所述的數(shù)據(jù)濾波之后；所述的重新標(biāo)定判定的判定結(jié)果為是，則對(duì)陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)后進(jìn)行陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算；所述的重新標(biāo)定判定的判定結(jié)果為否，則直接進(jìn)行陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算。

進(jìn)一步地，所述的陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算采用四元素法對(duì)俯仰角、航偏角、橫滾角以及角速度進(jìn)行解算。

進(jìn)一步地，還包括步驟坡度檢測(cè)，所述的坡度檢測(cè)包括設(shè)定坡度與輪椅車(chē)速度值映射關(guān)系、設(shè)定坡度范圍、檢測(cè)輪椅車(chē)俯仰角、判定輪椅車(chē)俯仰角是否超出坡度范圍，若輪椅車(chē)俯仰角超出坡度范圍，發(fā)出提醒。

進(jìn)一步地，還包括步驟轉(zhuǎn)彎?rùn)z測(cè)，所述的轉(zhuǎn)彎?rùn)z測(cè)包括設(shè)定航偏角與輪椅車(chē)轉(zhuǎn)彎速度值映射關(guān)系、設(shè)定最大轉(zhuǎn)彎速度值、判定輪椅車(chē)轉(zhuǎn)彎速度是否超出最大轉(zhuǎn)彎速度，若超出則發(fā)出提醒。

一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)，包括輪椅車(chē)本體；所述的輪椅車(chē)本體包括動(dòng)力輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)向輪、椅身、運(yùn)動(dòng)控制器、陀螺儀、運(yùn)動(dòng)控制模塊；所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)向輪與所述的椅身連接；所述的動(dòng)力輪通過(guò)所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述的椅身連接；所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊包括主控模塊、陀螺儀姿態(tài)解算模塊、搖桿模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊；所述的陀螺儀姿態(tài)解算模塊、搖桿模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊與所述的主控模塊連接通信；所述的陀螺儀與所述的陀螺儀姿態(tài)解算模塊連接通信；所述的搖桿模塊與所述的運(yùn)動(dòng)控制器連接通信；所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接通信；所述的電源模塊與所述的主控模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器電連接。

進(jìn)一步地，所述的運(yùn)動(dòng)控制模塊還包括藍(lán)牙模塊；所述的主控模塊與藍(lán)牙設(shè)備通過(guò)所述的藍(lán)牙模塊連接通信；所述的藍(lán)牙模塊采用藍(lán)牙芯片nrf51822。

進(jìn)一步地，所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括正弦波控制器，所述的正弦波控制器與所述的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電連接。

進(jìn)一步地，所述的運(yùn)動(dòng)控制器安裝于所述的椅身扶手處；所述的運(yùn)動(dòng)控制器包括360°霍爾搖桿、按鍵、警示擴(kuò)音器。

相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)采用陀螺儀技術(shù)，自動(dòng)判斷車(chē)子的路面的狀態(tài)，比如平地、上坡、下坡、轉(zhuǎn)向等，和當(dāng)前行駛狀態(tài)，比如轉(zhuǎn)彎，加速等，從而對(duì)電機(jī)輸出的扭矩輸出精細(xì)控制，進(jìn)而達(dá)到在不平整的路面行走與走平地一樣的效果；當(dāng)上坡坡度太大,或電量低，或者當(dāng)前負(fù)載超出電機(jī)輸出最大扭矩，輪椅車(chē)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示操作危險(xiǎn)。在下坡時(shí)輪椅車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)降低速度，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)輪椅車(chē)斜坡駐車(chē)，大大提高輪椅車(chē)的安全性能。

本發(fā)明通過(guò)藍(lán)牙與相對(duì)應(yīng)的手機(jī)app進(jìn)行連接，通過(guò)手機(jī)端查看到車(chē)輛的各個(gè)參數(shù)，比如速度，溫度，坡度，里程數(shù)等；根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)置輪椅車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)端對(duì)輪椅車(chē)進(jìn)行遙控控制，輕松實(shí)現(xiàn)遙控前進(jìn)，后退轉(zhuǎn)彎等各種操作。

上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。本發(fā)明的具體實(shí)施方式由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明的一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)控制模塊內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的陀螺儀傳感器電路圖；

圖5為本發(fā)明的一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)控制方法流程圖；

圖6為本發(fā)明的陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算流程圖；

附圖中，100、輪椅車(chē)本體；1、動(dòng)力輪；2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3、導(dǎo)向輪；4、椅身；5、運(yùn)動(dòng)控制器。

具體實(shí)施方式

下面，結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，需要說(shuō)明的是，在不相沖突的前提下，以下描述的各實(shí)施例之間或各技術(shù)特征之間可以任意組合形成新的實(shí)施例。

一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)，如圖1、圖2所示，包括輪椅車(chē)本體100；輪椅車(chē)本體100包括動(dòng)力輪1、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、導(dǎo)向輪3、椅身4、運(yùn)動(dòng)控制器5、陀螺儀、運(yùn)動(dòng)控制模塊；驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、導(dǎo)向輪3與椅身4連接；動(dòng)力輪1通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2與椅身4連接；如圖3所示，運(yùn)動(dòng)控制模塊包括主控模塊、陀螺儀姿態(tài)解算模塊、搖桿模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊；陀螺儀姿態(tài)解算模塊、搖桿模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊與主控模塊連接通信；陀螺儀與陀螺儀姿態(tài)解算模塊連接通信；搖桿模塊與運(yùn)動(dòng)控制器5連接通信；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與驅(qū)動(dòng)電機(jī)2連接通信；電源模塊與主控模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、運(yùn)動(dòng)控制器5電連接；優(yōu)選地，在一實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)控制模塊還包括藍(lán)牙模塊；主控模塊與藍(lán)牙設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙模塊連接通信；藍(lán)牙模塊采用藍(lán)牙芯片nrf51822，通過(guò)藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)app等藍(lán)牙設(shè)備的連接與通信，通過(guò)手機(jī)端查看到車(chē)輛的各個(gè)參數(shù)，比如速度，溫度，坡度，里程數(shù)等；根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)置輪椅車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)端對(duì)輪椅車(chē)進(jìn)行遙控控制，輕松實(shí)現(xiàn)遙控前進(jìn)，后退轉(zhuǎn)彎等各種操作。

在一實(shí)施例中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括正弦波控制器，正弦波控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)2電連接，使用正弦波驅(qū)動(dòng)電機(jī)，雙電流環(huán)閉環(huán)控制，使電機(jī)運(yùn)行更準(zhǔn)確細(xì)膩。

如圖2所示，運(yùn)動(dòng)控制器5安裝于椅身4扶手處；運(yùn)動(dòng)控制器5包括360°霍爾搖桿、按鍵、警示擴(kuò)音器；360°霍爾搖桿實(shí)時(shí)控制輪椅車(chē)前進(jìn)后退或轉(zhuǎn)彎，按鍵包括方向鍵與駐車(chē)鍵，實(shí)現(xiàn)輪椅車(chē)斜坡駐車(chē)。

如圖4所示，采用lsm6ds3tr傳感器實(shí)現(xiàn)陀螺儀的信號(hào)采集，信號(hào)采集更加快速精準(zhǔn)。

如圖5所示，一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)控制方法，包括以下步驟：

采集速度預(yù)期值，采集搖桿模塊的速度控制信號(hào)，轉(zhuǎn)化為輪椅車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值，所述的轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值為轉(zhuǎn)彎速度差的目標(biāo)值；

陀螺儀采集姿態(tài)信息，采集輪椅車(chē)行駛過(guò)程中陀螺儀的姿態(tài)信息，并將姿態(tài)信息傳入陀螺儀姿態(tài)解算模塊；

解算速度實(shí)際值，陀螺儀姿態(tài)解算模塊根據(jù)姿態(tài)信息解算得到輪椅車(chē)的轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值；

反饋調(diào)節(jié)，通過(guò)轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值與轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值進(jìn)行pid閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，直至轉(zhuǎn)彎速度預(yù)期值與轉(zhuǎn)彎速度實(shí)際值偏差值為零，得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)彎輸出速度。

在一實(shí)施例中，主控模塊計(jì)算360°霍爾搖桿的左右方向信號(hào)采樣值，得到動(dòng)力輪1的左右輪速度差值，該速度差值為預(yù)期的轉(zhuǎn)彎左右輪速度差，同時(shí)為pid閉環(huán)調(diào)節(jié)的預(yù)期目標(biāo)值。如圖4、圖6所示，采用lsm6ds3tr傳感器采集的陀螺儀姿態(tài)信息傳入陀螺儀姿態(tài)解算模塊，通過(guò)對(duì)陀螺儀姿態(tài)解算模塊內(nèi)的陀螺儀端口初始化，并對(duì)陀螺儀寄存器進(jìn)行配置，隨后讀取姿態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算、角度變換、輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊速度控制信號(hào)。優(yōu)選地，步驟解算速度實(shí)際值還包括重新標(biāo)定判定，重新標(biāo)定判定位于數(shù)據(jù)濾波之后；重新標(biāo)定判定的判定結(jié)果為是，則對(duì)陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)后進(jìn)行陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算；重新標(biāo)定判定的判定結(jié)果為否，則直接進(jìn)行陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算。

在本實(shí)施例中，陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)解算采用四元素法對(duì)俯仰角、航偏角、橫滾角以及角速度進(jìn)行解算，具體的椅車(chē)本體100內(nèi)還包括加速度傳感器，對(duì)加速度傳感器中的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行四元素法得到加速度實(shí)際值，再對(duì)陀螺儀的位姿信息進(jìn)行四元素法得到角速度實(shí)際值；對(duì)加速度實(shí)際值與角速度實(shí)際值進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過(guò)坐標(biāo)變換與角度換算，得到位姿信息的歐拉角，即俯仰角、航偏角、橫滾角，對(duì)連續(xù)時(shí)段的歐拉角信息求導(dǎo)，即得到俯仰角、航偏角、橫滾角的對(duì)應(yīng)的角速度。

下面詳細(xì)介紹反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，通過(guò)上述解算得到航偏角速度，該角速度為實(shí)際的車(chē)輛轉(zhuǎn)彎的的旋轉(zhuǎn)角速度，并作為pid閉環(huán)的實(shí)際反饋值；下面對(duì)預(yù)期目標(biāo)值和實(shí)際反饋值計(jì)算誤差，首先對(duì)誤差進(jìn)行比例控制得到比例控制量p，誤差一旦產(chǎn)生，反饋調(diào)節(jié)立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化。然后對(duì)誤差進(jìn)行積分控制得到積分控制量i，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)誤差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零；然后作微分控制得到微分控制量d，在誤差信號(hào)出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用，有利于提高輸出響應(yīng)的快速性，減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；后將比例控制量p，積分控制量i，微分控制量d相加，形成pid控制的輸出量作為左右兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)彎控制量t；主控模塊同時(shí)將360°霍爾搖桿的前后方向的信號(hào)采樣值作為行駛的速度，并計(jì)算出行走控制量r；最后左輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)2輸出量為行走控制量r+轉(zhuǎn)彎控制量t，右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)2的輸出量為行走控制量r-轉(zhuǎn)彎控制量t。優(yōu)選地，本pid閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的靈敏度還可通過(guò)手機(jī)app來(lái)根據(jù)個(gè)人情況自行調(diào)節(jié)。通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使車(chē)輛左右輪氣壓不一致、路面不平整、負(fù)載多變等復(fù)雜情況下仍可以保持靈敏的車(chē)輛控制。

在一實(shí)施例中，基于陀螺儀的輪椅車(chē)控制方法還包括步驟坡度檢測(cè)，坡度檢測(cè)包括設(shè)定坡度與輪椅車(chē)速度值映射關(guān)系、設(shè)定坡度范圍、檢測(cè)輪椅車(chē)俯仰角、判定輪椅車(chē)俯仰角是否超出坡度范圍，若輪椅車(chē)俯仰角超出坡度范圍，發(fā)出提醒。行駛中，主控制模塊不停的檢測(cè)當(dāng)前的陀螺儀的俯仰角變化來(lái)判斷當(dāng)前的路面坡度；當(dāng)坡度超過(guò)預(yù)定的坡度，不管上坡下坡行駛，主控模塊都會(huì)通過(guò)警示擴(kuò)音器報(bào)警提示，如果是下坡路面，主控模塊會(huì)根據(jù)坡度來(lái)自動(dòng)降低行駛速度，限速值會(huì)下降，坡度越大，速度越低，確保行駛安全。同理的，基于陀螺儀的輪椅車(chē)控制方法還包括步驟轉(zhuǎn)彎?rùn)z測(cè)，轉(zhuǎn)彎?rùn)z測(cè)包括設(shè)定航偏角與輪椅車(chē)轉(zhuǎn)彎速度值映射關(guān)系、設(shè)定最大轉(zhuǎn)彎速度值、判定輪椅車(chē)轉(zhuǎn)彎速度是否超出最大轉(zhuǎn)彎速度，若超出則發(fā)出提醒。行駛中，主控模塊不停的檢測(cè)當(dāng)前陀螺儀的航偏角速度、橫滾角速度，如果航偏角速度、橫滾角速度超過(guò)預(yù)定值，說(shuō)明車(chē)輛翻轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)彎過(guò)大，主控模塊都會(huì)通過(guò)警示擴(kuò)音器報(bào)警提示，同時(shí)自動(dòng)降低速度，確保行駛安全。

本發(fā)明一種基于陀螺儀的輪椅車(chē)采用陀螺儀技術(shù)，自動(dòng)判斷車(chē)子的路面的狀態(tài)，比如平地、上坡、下坡、轉(zhuǎn)向等，和當(dāng)前行駛狀態(tài)，比如轉(zhuǎn)彎，加速等，從而對(duì)電機(jī)輸出的扭矩輸出精細(xì)控制，進(jìn)而達(dá)到在不平整的路面行走與走平地一樣的效果；當(dāng)上坡坡度太大,或電量低，或者當(dāng)前負(fù)載超出電機(jī)輸出最大扭矩，輪椅車(chē)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提示操作危險(xiǎn)。在下坡時(shí)輪椅車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)降低速度，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)輪椅車(chē)斜坡駐車(chē)，大大提高輪椅車(chē)的安全性能。本發(fā)明通過(guò)藍(lán)牙與相對(duì)應(yīng)的手機(jī)app進(jìn)行連接，通過(guò)手機(jī)端查看到車(chē)輛的各個(gè)參數(shù)，比如速度，溫度，坡度，里程數(shù)等；根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)置輪椅車(chē)的各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)端對(duì)輪椅車(chē)進(jìn)行遙控控制，輕松實(shí)現(xiàn)遙控前進(jìn)，后退轉(zhuǎn)彎等各種操作。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制；凡本行業(yè)的普通技術(shù)人員均可按說(shuō)明書(shū)附圖所示和以上而順暢地實(shí)施本發(fā)明；但是,凡熟悉本專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，利用以上所揭示的技術(shù)內(nèi)容而做出的些許更動(dòng)、修飾與演變的等同變化，均為本發(fā)明的等效實(shí)施例；同時(shí),凡依據(jù)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)技術(shù)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何等同變化的更動(dòng)、修飾與演變等，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。