智能辅助型电动轮椅系统设计

1　引言

随着社会的发展,人口老龄化问题已经越来越凸显,全球60岁以上的老年人口已达6亿左右[1]。据世界卫生组织的预测,2020年全球老年人口将达到6.9亿[2]。目前中国65岁以上老年人有1亿人,下肢残疾人大约3000万人,医院、疗养院、养老院等需要大量轮椅车为行动不便者提供有效的生活辅助。

据了解,高性能电动轮椅的生产厂家集中在国外[3],而国内的相关研究尚处于初步阶段,绝大多数电动轮椅生产商都是采用国外控制器和自行生产的轮椅组装而成,技术上无法达到零半径转向而且价格上十分昂贵。同时,面对当今石油等能源的日益枯竭,电动车显示了巨大的优势和非常广阔的市场前景[4~5]。

因此,开发高性能、低成本的智能化电动式辅助轮椅有很重要的意义,并将给行动不便者带来极大的人性化帮助[6]。本文将介绍一种智能辅助式的电动轮椅系统,主要设计了高效的供电系统、完善的硬件监测与保护电路以及通信控制协议等方案,使系统具有很高的可靠性,并解决了成本、安全、环保等问题。

2　系统总体设计

整个系统基于32位ARM7 LPC2103微处理器,由机械部分、下位机、上位机和锂电池供电部分组成。以霍尔摇杆和LCD作为人机交互接口,配以安全监控和保障的硬件电路,通过上下位机的通信来控制系统运行。上位机主要进行LCD等弱电控制,下位机主要进行大功率电机等强电控制。这样划分,隔离了强电和弱电,增强了系统的可靠性。硬件部分主要由微处理器核心控制模块及外围的功能模块组成;软件部分由驱动软件和应用软件组成;机械部分由普通轮椅加上大功率直流电机改造而成,并有车背篓、U型车座、爬楼辅助轮等人性化设计。系统结构总图如图1所示。

3　系统硬件设计

3.1　下位机硬件设计

3.1.1　PWM与电机控制

改变直流有刷电机速度的最有效方式是采用脉宽调制(PWM)技术。LPC2103有2个32位定时器和2个16位定时器,每个定时器多达4个匹配寄存器可配置为PWM,并允许使用多达3个匹配输出作为单边沿控制的PWM输出,这使得电机的数字控制非常容易实现。

两路电机的速度与方向控制通过2个H桥电路来实现。H桥由四个耐高压的MOSFETIRF3205和两个半桥驱动芯片IR2104组成,主芯片IO口输出的3.3V PWM波经过两IR2104产生四路15V PWM波,驱动四个MOSFET,形成全桥驱动电路。通过控制四个MOSFET的通断来控制电机的转向,通过设定PWM占空比来调节转速,实现了非常灵活的电机控制。PWM波的频率最高可设置为60MHz,考虑到低于20kHz的频率会导致电机产生人听觉范围内的噪声,而过高的频率又会带来很大的功率消耗,实验中设置为25kHz时效果较好。