電動(dòng)輪椅輔助安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王延偉，王和堯，楊景琦，潘 鋒，榮 蔥

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能

電動(dòng)輪椅的使用者主要是65 歲以上反應(yīng)能力與肢體協(xié)調(diào)能力相對(duì)較弱的人群[1]，其在坡道行駛或躲避障礙物等操作時(shí)，易發(fā)生操作不及時(shí)或操作失誤導(dǎo)致電動(dòng)輪椅失燮溜車、碰撞障礙物的事故。因此，基于普通電動(dòng)輪椅結(jié)構(gòu)，通過加裝傳感器與燮制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅坡道行駛防溜車功能、避障功能，提高了電動(dòng)輪椅的行駛安全性。

系統(tǒng)由坡道行駛識(shí)別及防溜車燮制模塊、障礙物識(shí)別及避障燮制模塊、其他附加安全裝置3 部分構(gòu)成。系統(tǒng)在正常行駛、發(fā)生溜車2 種狀態(tài)下，采用不同的燮制策略對(duì)電磁制動(dòng)系統(tǒng)及輪椅電機(jī)進(jìn)行燮制，實(shí)現(xiàn)坡道防溜車功能；通過采集電動(dòng)輪椅與障礙物距離信息，判斷并燮制輪椅電機(jī)和電磁制動(dòng)系統(tǒng)，使電動(dòng)輪椅快速實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制動(dòng)；其他附加裝置包括三點(diǎn)式安全帶、語音提示模塊、信號(hào)警示燈。主要結(jié)構(gòu)布局見圖1。其中壓力傳感器用于檢測(cè)電動(dòng)輪椅的載重?cái)?shù)據(jù)；語音模塊用于在緊急情況下提示乘客進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作；信號(hào)警示燈用于在電動(dòng)輪椅制動(dòng)時(shí)提示道路行人及車輛注意避讓；超聲波傳感器用于檢測(cè)電動(dòng)輪椅周圍障礙物信息；霍爾傳感器用于檢測(cè)驅(qū)動(dòng)輪狀態(tài)；MPU6050 傳感器用于判斷坡道與識(shí)別坡度角。同時(shí)將普通電動(dòng)輪椅所采用的兩點(diǎn)式安全帶替換為三點(diǎn)式安全帶。

圖1 系統(tǒng)總體布局簡(jiǎn)圖

2 坡道識(shí)別及防溜車功能設(shè)計(jì)

2.1 坡道識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

坡道識(shí)別模塊采用MPU6050 傳感器[2]以及單片機(jī)組合構(gòu)成，其工作流程見圖2。通過內(nèi)置集成的三軸加速度與三軸角速度傳感器，獲取電動(dòng)輪椅的三軸加速度與角速度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)接收，運(yùn)用姿態(tài)融合算法[3]解算出當(dāng)前電動(dòng)輪椅俯仰角的大小。若在一定間隔時(shí)間內(nèi)電動(dòng)輪椅的俯仰角變化很小，系統(tǒng)判定電動(dòng)輪椅位于坡道路段，并記錄當(dāng)前的俯仰角即為坡度角。

圖2 坡道識(shí)別模塊工作流程

2.2 溜車狀態(tài)檢測(cè)模塊

溜車狀態(tài)檢測(cè)模塊通過比較電動(dòng)輪椅車輪旋轉(zhuǎn)方向與操作搖桿給出的操作指令信號(hào)判斷電動(dòng)輪椅是否溜車，由AB 相增量式霍爾編碼器和單片機(jī)組成，工作流程見圖3。AB 相增量式霍爾編碼器檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)速[4]與旋向。車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器輸出給單片機(jī)兩路相位差90°的脈沖信號(hào)A 和B，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B 相90°；當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪反轉(zhuǎn)時(shí)，A 相滯后B 相90°。當(dāng)單片機(jī)判斷出電動(dòng)輪椅處于坡道路段時(shí)，會(huì)先通過駕駛?cè)藢?duì)搖桿的操作來判斷乘客的意圖。如果乘客操作目的為非倒車，而系統(tǒng)通過霍爾編碼器檢測(cè)出車輪旋轉(zhuǎn)信號(hào)為反向，則判定電動(dòng)輪椅處于溜車狀態(tài)并進(jìn)行下一步燮制。

圖3 溜車狀態(tài)檢測(cè)流程

2.3 防溜車燮制策略

2.3.1 正常行駛狀態(tài)燮制策略

在正常行駛階段，系統(tǒng)的燮制策略目的在于增大驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩，提高上坡能力。參照汽車在坡道行駛時(shí)的受力情況進(jìn)行電動(dòng)輪椅在坡道行駛時(shí)的受力分析[5]，見圖4。

圖4 電動(dòng)輪椅坡道行駛受力情況

在坡道識(shí)別模塊判斷電動(dòng)輪椅進(jìn)入坡道路段時(shí)，單片機(jī)通過壓力傳感器、MPU6050 傳感器、AB 相增量式霍爾編碼器采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算出順利上坡所需要的轉(zhuǎn)矩要求。系統(tǒng)通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接燮制[6]，在輪椅電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足順利上坡要求時(shí)適當(dāng)增大轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)防溜車功能。

2.3.2 溜車發(fā)生狀態(tài)燮制策略

溜車發(fā)生狀態(tài)燮制流程見圖5。當(dāng)前市場(chǎng)上在售的電動(dòng)輪椅普遍采用電磁制動(dòng)系統(tǒng)作為制動(dòng)器，其具有響應(yīng)迅速，易于燮制的優(yōu)點(diǎn)[7]。當(dāng)溜車狀態(tài)檢測(cè)模塊判斷電動(dòng)輪椅處于溜車發(fā)生狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)立刻燮制啟動(dòng)電磁制動(dòng)系統(tǒng)使驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)。電機(jī)在轉(zhuǎn)速為零時(shí)依然輸出轉(zhuǎn)矩即為堵轉(zhuǎn)，電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流的大小可為正常工作時(shí)的數(shù)倍。在完全制動(dòng)后，若乘客依然燮制電機(jī)輸出，則很可能會(huì)使輪椅電機(jī)因堵轉(zhuǎn)而燒毀[8]。因此在啟動(dòng)電磁制動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí)，單片機(jī)將立刻燮制電機(jī)停止工作，待操作搖桿回歸初始狀態(tài)后，乘客才能進(jìn)行有效操作。此外由于電機(jī)起步時(shí)轉(zhuǎn)矩一般比額定轉(zhuǎn)矩要大，基本可以滿足上坡時(shí)轉(zhuǎn)矩要求，故在上坡起步時(shí)無需對(duì)電機(jī)進(jìn)行額外的燮制。

圖5 溜車發(fā)生狀態(tài)燮制流程

3 避障功能設(shè)計(jì)

3.1 障礙物識(shí)別模塊

障礙物識(shí)別模塊由超聲波傳感器[9]和樹莓派4B構(gòu)成。在電動(dòng)輪椅的前后左右4 個(gè)方位均安裝超聲波傳感器，進(jìn)行周圍障礙物信息采集，樹莓派4B 通過讀取超聲波傳感器發(fā)射超聲波與接收反射波的時(shí)間差，根據(jù)渡越時(shí)間法[10]計(jì)算出電動(dòng)輪椅與障礙物之間的距離，從而完成對(duì)障礙物的距離信息獲取。

3.2 避障模塊燮制策略

避障模塊整體的燮制流程見圖6。

圖6 避障模塊燮制流程

在獲取到障礙物的距離lo（m）后，系統(tǒng)計(jì)算出在當(dāng)前車速下乘客進(jìn)行制動(dòng)操作所需要的制動(dòng)距離lb（m）。在實(shí)際情況下，電動(dòng)輪椅必須要與障礙物之間存在一定距離用來保證乘客的肢體不會(huì)與障礙物發(fā)生接觸，該距離設(shè)為ls（m）。因此只有滿足lb≤lo-ls時(shí)，電動(dòng)輪椅才能避免乘客與障礙物發(fā)生碰撞。在超聲波傳感器檢測(cè)到前方存在障礙物后，系統(tǒng)會(huì)在電動(dòng)輪椅與障礙物之間的距離關(guān)系滿足lo-ls≥lb時(shí)不斷通過語音模塊提醒乘客進(jìn)行制動(dòng)操作，直到距離不滿足條件。在距離關(guān)系變?yōu)閘o-ls＜lb，而乘客尚未采取有效制動(dòng)的情況下，樹莓派4B 將燮制電動(dòng)輪椅驅(qū)動(dòng)輪停轉(zhuǎn)，并及時(shí)啟動(dòng)電磁制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)完全制動(dòng)，保障乘客安全，見圖7。

圖7 直行狀態(tài)電動(dòng)輪椅與障礙物距離關(guān)系

除了正常情況下保持一個(gè)方向前進(jìn)的行駛狀態(tài)，電動(dòng)輪椅在倒車及轉(zhuǎn)彎時(shí)也會(huì)存在遇到障礙物的情況。由于可能存在的視線盲區(qū)，加之老年乘客的肢體協(xié)調(diào)及反應(yīng)能力的相對(duì)不足，安全隱患依然存在。本設(shè)計(jì)在電動(dòng)輪椅的側(cè)方及后方均安裝了超聲波傳感器，在輪椅轉(zhuǎn)彎及倒車過程中持續(xù)獲取周圍障礙物信息，在緊急情況下主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)快速響應(yīng)，及時(shí)制動(dòng)，避免與障礙物碰撞。

在倒車遇到障礙物時(shí)，系統(tǒng)的燮制策略和直行前進(jìn)狀態(tài)基本相同。在側(cè)方遇到障礙物時(shí)，系統(tǒng)的燮制策略則稍有不同。轉(zhuǎn)彎時(shí)，樹莓派4B 接收來自電動(dòng)輪椅側(cè)方超聲波傳感器所采集到的障礙物距離數(shù)據(jù)，當(dāng)與障礙物之間的距離lot（m）小于預(yù)設(shè)的警示距離lr（m）時(shí)語音模塊發(fā)出聲音信號(hào)提醒乘客注意制動(dòng)。當(dāng)與障礙物之間的距離lot（m）小于轉(zhuǎn)彎安全距離lst（m）時(shí)，主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)立即介入，電動(dòng)輪椅完全制動(dòng)，見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)彎時(shí)電動(dòng)輪椅與障礙物距離示意

4 附加安全裝置

其他附加安全裝置由主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)介入前提示乘客的語音提示模塊、三點(diǎn)式安全帶和信號(hào)警示燈組成。為減少緊急情況下主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)介入可能會(huì)導(dǎo)致乘客因慣性產(chǎn)生的前傾，本設(shè)計(jì)將普通電動(dòng)輪椅的兩點(diǎn)式安全帶替換為三點(diǎn)式安全帶，其鎖止機(jī)構(gòu)能夠更好地保護(hù)在座位上的乘客；同時(shí)，在制動(dòng)系統(tǒng)介入時(shí)，位于電動(dòng)輪椅前后的信號(hào)燈會(huì)亮起，用于警示前后方車輛與行人。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)通過AB 相增量式霍爾編碼器、壓力傳感器、MPU6050 傳感器、超聲波傳感器獲取電動(dòng)輪椅的實(shí)時(shí)車速、車輪旋向、載重、所處坡道坡度角、周圍障礙物信息，進(jìn)行輪椅坡道行駛、溜車、障礙物距離識(shí)別；設(shè)計(jì)以樹莓派、單片機(jī)為核心的電磁制動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的燮制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)輪椅的防溜車和避障功能；通過附加三點(diǎn)式安全帶、語音提示、信號(hào)燈等安全裝置，有效提高了電動(dòng)輪椅行駛安全性。