|
|
Долматов Владимир Викторович«Электротехнический», «Французский технический факультет»
Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок»
Специальность «Электромеханические системы автоматизации и электропривод»
Гибридное управление инвалидным креслом
Руководители: проф. В.Ф. Борисенко (ДонНТУ), Э. Моначелли (UVSQ)
Консультанты: асп. В.Н. Хоменко, А.А. Мельник
|
Реферат по теме магистерской работы
Развитие в наше время робототехники, средств автоматизации и инновационных математических теорий требует применения этих достижений на практике в тех отраслях, которые направлены на улучшение жизни людей со специальными потребностями.
Приоритетное направление, которому уделяют большое внимание в последние десятилетия ведущие страны мира — это внедрение инновационных технологий в медицину, с целью создания и совершенствования устройств, помогающих в передвижении людей, способность к самостоятельному передвижению которых ограничена.
Показать возможность применения инновационных технологий для создания гибридного управления инвалидным креслом на базе контроллера нечёткой логики и тензодатчиков, что позволит человеку с ограниченными возможностями движения перемещаться на инвалидном кресле даже при малейшем приложении сил.
Человек, чтобы перемещаться, вращает два колеса. Если его собственной силы недостаточно для перемещения, ему начинают помогать электродвигатели. Чем больше человек прилагает усилий, тем большую помощь ему оказывают двигатели. Креслу для полноценной работы необходимо два двигателя: для каждого из двух колес. Если возникнет необходимость развернуться, то тогда человек крутит одно колесо в одну сторону, а другое в другую, поэтому необходимо, чтобы электропривод обеспечивал реверс. Если же человек спускается с наклонной поверхности и ему необходимо замедлить скорость движения, он прикладывает руками усилие к ободам колёс, направленное в противоположное движению направление. Для облегчения данного маневра процесс торможения „подхватывают“ двигатели, увеличивая суммарный тормозной момент. Торможение будет осуществляться переходом двигателей в режим противовключения. Когда человек перемещается на кресле за счет собственной силы (электропривод при этом не задействован), тогда двигатели работают как генераторы, постоянно подзаряжая аккумулятор.
Главной проблемой, связанной с управлением креслом, является определение силы, прикладываемой человеком для вращения колёс. В статье [1] был предложен интересный метод определения этой силы с помощью датчика момента, прикрепленного на главную ось колеса:
Этот способ позволяет с достаточной точностью определить момент, прикладываемый человеком для вращения колеса, но он является сложно реализуемый на практике, поскольку требует замены способа крепления обода к колесу. Нами было принято решение использовать неинвазивный способ получения информации о величине силы и вместо датчика момента использовать датчики силы (тензодатчики), которые крепятся на шпильки, соединяющие обод с колесом:
Тензодатчик (от лат. tensus - напряжённый) — механоэлектрический прибор, преобразующий деформацию твёрдого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал. Принцип работы тензодатчика основан на использовании зависимости физических свойств твёрдого тела от деформации, например тензорезистивного эффекта, связанного с изменением электрического сопротивления металлов или полупроводников в поле внешней деформации. Тензорезистивный датчик представляет собой специальную упругую конструкцию с закреплённым на ней тензорезистором и другими вспомогательными деталями. После калибровки, по изменению сопротивления тензорезистора можно вычислить степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции.
В процессе вращения обода с колесом происходят достаточно сильные деформации изгиба и кручения. Их можно измерить если приклеить к шпильке тензорезисторы в таком порядке: два в один ряд с одной стороны (работают на сжатие) и два строго с противоположной стороны шпильки (работают на растяжение):
Непосредственно шпильку необходимо крепить к ободу таким образом, чтобы резисторы располагались вдоль направляющей вращения, чтобы измерять радиальную деформацию шпильки:
В свою очередь тензорезисторы на шпильке имеют мостовую схему соединения (рис.5), так как именно мостовая схема отвечает требованиям точного измерения величины деформации тензорезисторов и даёт наименьшую погрешность:
Принцип работы мостовой схемы заключается в следующем: резисторы с сопротивлениями R1, R2, R3, R4 образуют так называемые плечи моста, а участки цепи, соединяющие точки а и с, а также b и d — диагонали моста. На диагональ bd (питающая диагональ), подается напряжение U от источника электрической энергии; в другую диагональ ac (измерительная диагональ) включается электроизмерительный прибор. При равенстве сопротивлений R1 = R2 и R4 = R3 напряжения на участках ba и bc от токов I1 и I2 (а также на участках da и dc) будут одинаковыми, поэтому точки a и c будут иметь одинаковые потенциалы. Следовательно, если включить в диагональ ac какой-либо резистор или электроизмерительный прибор, то в диагонали I = 0. Такой мост называется уравновешенным. Для равновесия моста необходимо, чтобы напряжения Uba = Ubc и Uda = Udc; эти условия имеют место не только при равенстве сопротивлений R1 = R2 и R4 = R3, но и при равенстве отношений R1/R2 = R4/R3. Следовательно, мост будет уравновешен при равенстве произведений сопротивлений резисторов, включенных в противоположные его плечи: R1*R3 = R2*R4. При несоблюдении этого условия мост будет неуравновешенным.
Для того, чтобы получать точную информацию о приложенной к ободу силе необходимо использовать как минимум три шпильки из шести возможных с наклеенными на них датчиками. Эти три шпильки будут размещены на ободе следующим образом:
В конечном итоге получится схема соединения:
Мост будет уравновешен, если будет соблюдаться равенство: (R1+R2+R3)*(R10+R11+R12) = (R4+R5+R6)*(R7+R8+R9).
Интересным является вопрос принципа управления креслом. Мною было принято решение составить схему управления воспользовавшись подходом, сделанным авторами [2]:
В работе [2] авторы использовали в своей системе двигатель постоянного тока с редуктором. Мною было принято решение воспользоваться их подходом, но в соответствии со своей системой взять ДПТ с постоянными магнитами на статоре. Этот тип двигателя имеет много преимуществ: простоту устройства и управления, большой пусковой момент, регулирование скорости в широком диапазоне. Торможение такого двигателя будет осуществляться противовключением (осуществляется таким переключением питания обмоток исполнительного электродвигателя, при котором направление тягового усилия изменяется на противоположное. Достигается либо сменой полярности напряжения, подводимого к обмотке вращающегося якоря (ротора) двигателя, либо переключением двух фаз обмотки статора. Величина тормозящего момента регулируется изменением сопротивления в цепи якоря (ротора). При торможении противовключением сразу же после остановки электропривода он должен быть отключен от сети во избежание изменения направления движения исполнительного двигателя на противоположное):
Что касается сигнала, идущего с тензодатчиков на контроллер нечеткой логики, то он является очень слабым, поэтому его необходимо усиливать. В своей работе я пользуюсь усилителем, разработанным аспирантами В.Н. Хоменко и А.А. Мельником имеющем коэффициент усиления 500 и питающемся от двух батареек в 9 В:
Контроллер нечеткой логики формируется на базе аппаратной вычислительной платформы Arduino Mega 2560, основными компонентами которой являются простая плата ввода/вывода и среда разработки на языке Processing/Wiring. Arduino может использоваться как для создания автономных интерактивных объектов, так и подключаться к программному обеспечению, выполняемому на компьютере (например, Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, SuperCollider).
Экспериментальным путем нам удалось установить, что при усилии в 4 кг на контроллер приходит сигнал в 0,1 В, что позволяет в дальнейших расчётах пользоваться коэффициентом пропорциональности: 0,1/4=0,025 (В/кг).
Очень важным для работы всей системы является вопрос, связанный с управлением креслом с помощью нечеткой логики. Нечёткая логика и теория нечётких множеств — раздел математики, являющийся обобщением классической логики и теории множеств. Понятие нечёткой логики было впервые введено профессором Лютфи Заде в 1965 году. В его статье понятие множества было расширено допущением, что функция принадлежности элемента к множеству может принимать любые значения в интервале [0...1], а не только 0 или 1. Такие множества были названы нечёткими. Также автором были предложены различные логические операции над нечёткими множествами и предложено понятие лингвистической переменной, в качестве значений которой выступают нечёткие множества. Предметом нечёткой логики является построение моделей приближенных рассуждений человека и использование их в компьютерных системах. Она основана на использовании таких оборотов естественного языка, как «далеко», «близко», «холодно», «горячо». Диапазон ее применения очень широк — от бытовых приборов до управления сложными промышленными процессами. Многие современные задачи управления просто не могут быть решены классическими методами из-за очень большой сложности математических моделей, их описывающих. Вместе с тем, чтобы использовать теорию нечеткости на цифровых компьютерах, необходимы математические преобразования, позволяющие перейти от лингвистических переменных к их числовым аналогам в ЭВМ.
В работе [3] авторы показали на примере как работает нечеткая логика. В соответствии с этим примером нами была создана своя структура контроллера нечеткой логики:
Здесь основными составляющими являются фаззификация, в которой точные значения входных переменных преобразуются в значения лингвистических переменных посредством применения некоторых положений теории нечетких множеств, а именно — при помощи определенных функций принадлежности и деффазификация, где осуществляется переход от нечетких значений величин к определенным физическим параметрам, которые могут служить командами исполнительному устройству.
На вход контроллера подаётся сила и ее производная (толчок) в вольтах, идущая с тензодатчиков. Выходом является момент двигателя:
Входные и выходные переменные состоят из трёх термов: S (small), M (medium) и B (big):
Контроллер нечеткой логики будет работать в интервале приложенной человеком силы от 10 до 40 кг.
Очень интересным для работы всей системы является вопрос выбора двигателя и редуктора. Ориентируясь на двигатель электрического кресла, стоящего в аудитории 105, я из массогабаритных соображений выбрал себе двигатель: P = 150 Вт, w = 4000 об/мин, Мн = 0,36 Н*м. В соответствии с этим был выбран редуктор с передаточным отношением 100.
Инвалидное кресло с гибридным управлением на базе контроллера нечеткой логики имеет ряд преимуществ по сравнению с инвалидным креслом, управляемым джойстиком: меньшие затраты ресурса аккумуляторной батареи (непостоянная работа двигателей и периодическая подзарядка аккумулятора во время движения), а соответственно в несколько раз меньше массо–габаритные показатели, более простой механизм управления поворотом, интуитивно понятный для пользователя. Единственной проблемой кресла с гибридным управлением являются сложности в реализации интеллектуальной части системы управления.
На момент написания данного реферата магистерская работа еще не окончена. Окончательное завершение работы состоится в декабре 2012 года. В ближайшем будущем я собираюсь смоделировать систему управления креслом в программной среде Matlab и на модели продемонстрировать работу ДПТ от контроллера нечеткой логики, а также реализовать всю эту систему на практике.
|
