本實用新型屬于電動輪椅技術領域，具體涉及一種電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)。

背景技術：

我國人口老齡化的趨勢日益加重，各種疾病如腦血管疾病、糖尿病等老年并發(fā)癥導致了老年人行動障礙。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，在生活中對這些人士的日常出行和生活有著重要的作用。普通的手動輪椅需要人力協(xié)助，比較費力，而且不能長距離行駛。市面上的電動輪椅大多數(shù)為兩輪驅動，存在著在差的路況下容易打滑、側傾、啟動制動差的問題，并且不方便老年人或殘疾人士在小面積空間的行進使用。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于解決上述的技術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輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)，包括：

用于完成輪椅的運行速度控制的萬向操縱手柄、功能按鍵、DSP控制器、四個分別用于控制電動輪椅的左后輪電機、右后輪電機、左前輪電機、右前輪電機的四個電動驅動控制器；所述電動驅動控制器通過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；所述功能按鍵設在操作面板上，包括用于啟動整個系統(tǒng)的電源開關、用于實現(xiàn)控制輪椅行駛或自轉的輪椅運動模式選擇按鈕、用于實現(xiàn)控制輪椅逆時針或順時針自轉的自轉模式選擇按鈕和用于實現(xiàn)控制輪椅前進或后退的行駛模式選擇開關。

所述萬向操縱手柄內(nèi)部X、Y方向有兩個電位器，電位器兩端分別連接 3V電壓，操縱手柄時會產(chǎn)生對應的0-3V的模擬電壓信號以輸出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CAN總線模塊連接，四個所述CAN 總線模塊連接電動驅動控制器，所述電動驅動控制器連接車輪驅動器。

所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述電動驅動控制器采用 MSP430G2553單片機控制器，所述控制器接口采用TJA1050；該單片機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單片機實現(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控制器以實現(xiàn)CAN通訊。

本實用新型實現(xiàn)了在不同路況下動力分布比較均勻，減少了車身打滑和側傾，相對兩輪驅動更加安全具有更強的驅動能力，在啟動加速和制動上更快速有效，使得輪椅可以協(xié)調(diào)四輪獨立轉動，實現(xiàn)繞中心旋轉的功能，方便在小空間轉彎。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)的原理框圖；

圖2是本實用新型實施例提供的電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)CAN 總線通信框圖；

圖3是本實用新型實施例提供的電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)的控制流程圖；

圖4是本實用新型實施例提供的單片機的控制流程圖；

圖5是本實用新型實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是本實用新型實施例提供的DSP控制器的CAN總線模塊電路圖；

圖7是本實用新型實施例提供的單片機的CAN總線模塊電路圖。

具體實施方式

下面，結合實例對本實用新型的實質性特點和優(yōu)勢作進一步的說明，但本實用新型并不局限于所列的實施例。

參見圖1、4所示，一種電動輪椅的四輪獨立驅動控制系統(tǒng)，包括：

用于完成輪椅的運行速度控制的萬向操縱手柄1、功能按鍵、DSP控制器、四個分別用于控制電動輪椅的左后輪電機、右后輪電機、左前輪電機、右前輪電機的四個電動驅動控制器；所述電動驅動控制器通過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；所述功能按鍵設在操作面板上，包括用于啟動整個系統(tǒng)的電源開關5、用于實現(xiàn)控制輪椅行駛或自轉的輪椅運動模式選擇按鈕3、用于實現(xiàn)控制輪椅逆時針或順時針自轉的自轉模式選擇按鈕4和用于實現(xiàn)控制輪椅前進或后退的行駛模式選擇開關 2，如圖4所示。

需要說明的是，本實用新型中，所述萬向操縱手柄和功能按鍵，用于提供電動輪椅的運動信號，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定和速度檔位，確定信號是否有效和安全，最終給定此刻電動輪椅的速度和方向信息。

具體實現(xiàn)上，所述萬向操縱手柄內(nèi)部有兩個電位器(X、Y方向均有一個)，電位器兩端分別連接3V電壓，操縱手柄時會產(chǎn)生與之位置對應的模擬電壓信號{0-3V)，可輸出X、Y兩種模擬量，起始位置(中心位置)電壓輸出設為X,Y(1.5V,1.5V)，其輸出信號經(jīng)A/D轉換電路轉換為數(shù)字型電壓信號，由DSP控制器接收并進行處理判斷，控制輪椅的前后行進方向和速度。

優(yōu)選的，本實用新型中，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，本實用新型中，所述功能按鍵電路與功能按鍵一起可用于設置電動輪椅的前進和后退、行駛以及自轉，自轉方向，高、中、低三速度以及停止、電源開關，所述操作面板上設有高速度調(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。

所述電動驅動控制器為四個電機驅動器的控制中心，用于接收CAN總線上的速度和方向命令信息，經(jīng)運算處理后把信號傳送給電機驅動器以驅動電機；采集電機驅動器上傳的電機電流和速度信息，并通過CAN總線發(fā)送到DSP 控制器，由CAP捕獲模塊進行電機的速度的采集。

其中，本實用新型中，所述DSP控制器是整個電動輪椅系統(tǒng)運行的核心，負責采集萬向操縱手柄和功能按鍵發(fā)出的信號(如車速方向給定、正反轉給定、制動給定等)，然后根據(jù)相應算法完成速度和方向的判斷計算，輸出控制輪椅的方向、速度命令，輸出的信息通過CAN總線把每個車輪需要的速度和方向信號傳送到各個電動驅動控制器，然后電動驅動控制器根據(jù)轉矩和速度的雙環(huán)PID控制的算法，發(fā)出PWM控制信號給輪椅的每個車輪的電機驅動器，以驅動輪轂電機，以實現(xiàn)車輪協(xié)同輸出不同方向和速度，完成行進及轉彎任務；同時由電機驅動控制器采集電機的實際轉速和電流值，并通過CAN 總線傳遞給DSP控制器。

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

本實用新型的四輪獨立驅動系統(tǒng)的控制算法可以實現(xiàn)通過一個萬向操縱手柄完成車體的運行控制，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，轉變成四個車輪的速度和方向控制。

其中，具體實現(xiàn)上，作為一個實施例，本實用新型中，所述DSP控制器通過控制器接口與四個CAN總線模塊連接，四個所述CAN總線模塊連接電動驅動控制器，所述電動驅動控制器連接車輪驅動器，參見圖2所示。

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

所述單片機的控制流程如下，參見圖4所示，開始上電后，進行初始化，包括時鐘初始化、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、定時器的初始化、PWM輸出初始化等，初始化后開中斷進入低功耗，CAN總線接收中斷，接收DSP控制器傳輸下來的電機速度和方向信號，驅動電機轉動，打開定時器，通過CAN總線反饋電機速度，驅動電機轉動，通過定時器定時發(fā)出數(shù)據(jù)反饋給DSP控制器，在單片機進行低功耗時且捕獲中斷時，通過CAP捕獲模塊采集電機的速度反饋給DSP控制器。

優(yōu)選的，本實用新型中，所述DSP控制器采用DSPTMS320F28335，所述 CAN總線模塊采用MCP2515，所述電動驅動控制器采用MSP430G2553單片機控制器，所述控制器接口采用TJA1050。

具體的，本實用新型使用CAN網(wǎng)絡完成整車的五個CAN節(jié)點的通信功能，包括一個整車控制器和四個輪轂電機驅動器共五個CAN節(jié)點。DSP控制器作為主控核心，用其內(nèi)部的CAN模塊實現(xiàn)與四個輪轂電機控制模塊通訊；四個輪轂電機控制器采用MCP2515CAN模塊及MSP430單片機的方式實現(xiàn)與主控的數(shù)據(jù)通訊。電動輪椅的CAN總線網(wǎng)絡如圖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實現(xiàn)控制器接口與CAN總線模塊連接，實現(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單片機實現(xiàn)控制，如圖7所示。

控制系統(tǒng)工作時，首先打開電源開關，設定輪椅運動模式。當選擇行駛模式后，通過調(diào)節(jié)速度旋鈕可設定最大運行速度，再用行駛選擇按鈕設定前進或者后退，然后推動萬向操縱手柄即可使輪椅前進或后退行駛。

當設定前進模式時，向后推動萬向操縱手柄，輪椅是不運行的。設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。

當選擇了自轉模式后，通過自轉選擇模式按鈕設定順時針自轉或者逆時針自轉。當設定順時針自轉時，向左推動萬向操縱手柄，即可順時針自轉，推至其他方向萬向操縱手柄不起作用。逆時針自轉同樣如此。

其中，本實用新型中，在限速級內(nèi)，操作時撥動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為停車。當車輛因電量太低或其它故障而無法進行電動行駛時，關斷電源開關車輛即可用手推動。

本實用新型實現(xiàn)了在不同路況下動力分布比較均勻，減少了車身打滑和側傾，相對兩輪驅動更加安全具有更強的驅動能力，在啟動加速和制動上更快速有效，使得輪椅可以協(xié)調(diào)四輪獨立轉動，實現(xiàn)繞中心旋轉的功能，方便在小空間轉彎。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。