Назад в библиотеку

---

Разработка интеллектуальной системы управления электроприводом инвалидной коляски

Авторы: А.А. Ашибоков, А.П. Фомин
Источник: Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) – 65-я Открытая студенческаянаучно-техническая конференция СНТК УНИВЕРСИТЕТА МАШИНОСТРОЕНИЯ – Сборник работ – 838с. – с. 63 – 68

Аннотация

В настоящее время актуальна задача социальной адаптации людей с ограниченной подвижностью в связи с дефектами опорно-двигательного аппарата. Она решается различными средствами, в том числе использованием инвалидных колясок с электроприводом колес. Такие коляски обеспечивают необходимую подвижность в условиях квартир, на улицах в парковых зонах и иных условиях.

Целью данной работы является, разработка интеллектуальной системы управления электроприводом инвалидной коляски. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

• определение структуры системы управления;
• разработка математической модели поворота коляски и определение закона уравнения электроприводом;
• исследование получаемых траекторий поворота, для принятого закона управления;
• разработка алгоритма управления электроприводом.

В качестве прототипа взят экспериментальный электропривод, собранный на базе инвалидной коляски фирмы Meyra с двумя электродвигателями постоянного тока. Силовая схема электропривода представлена на рис. 1, где, М – это электродвигатели постоянного тока, GB – аккумуляторные батареи, П - мостовой преобразователь постоянного напряжения, ЭТМ – электрические тормоза, S - предохранитель.

Рисунок 1 – Схема электропривода коляски

Регулирование скорости вращения колес осуществляется за счет подводимого к двигателям напряжения питания путем изменения скважности преобразователя напряжения. Формирование скважности для каждого двигателя осуществляется перемещением двухкоординатного джойстика.

Перемещения джойстика можно представить в виде окружности на координатной плоскости (рис. 2), где r – максимальное перемещение джойстика, z – вектор перемещения джойстика. Модуль вектора z определяет скорость движения и ускорения, а угол вектора α определяет координаты по осям х, у, влияющий на величину скважности преобразователя напряжения для каждого двигателя. Значение х задает продольную скорость инвалидной коляски, а у – поперечную.

Рисунок 2 – Плоскость перемещения джойстика

В эксплуатации инвалидная коляска должна иметь возможность осуществлять движение как вперед, так и назад, способна осуществлять как автомобильный поворот с внешним центром поворота, так и карусельное движение (вокруг внутренней оси) в условиях замкнутого пространства. Было принято, что движение вперед и назад соответствует перемещению джойстика по оси х, при этом скорости вращения колес должны быть равны и направлены в одну сторону. Для осуществления карусельного поворота вправо или влево перемещение джойстика должно осуществляться по оси y соответственно, при этом скорости вращения колес равны, но направлены в противоположные стороны. Автомобильному повороту соответствует перемещение джойстика по двум осям одновременно.

Учитывая особенности движения и необходимость получения единого и простого алгоритма управления электродвигателями для всех режимов работы, , был предложен следующий закон формирования скважности для электродвигателей внешнего и внутреннего колес на повороте.

Предполагается что z_внеш и z_внут пропорциональны скважности преобразователя напряжения соответствующих колес.

Предложенные законы были исследованы расчетам изменения z_внеш и z_внут при различных положениях джойстика. Было рассмотрено 2 типа изменения положения джойстика:

• по фиксированной окружности (при неизменном z);
• по перемещению в сторону (при неизменном х=0,5).

В таблице 1 и 2 представлены результаты расчетов. На рис.3 представлен график зависимости z_внут от угла α. Из графика видно, что при перемещении джойстика по окружности величина z_внут изменяется от -1 до 1. График имеет нелинейный, но непрерывный характер. Следовательно предложенный закон позволяет получить все значения z_внеш и z_внут для всех схем поворота.

Таблица 1 – Формирования скорости от положения джойстика по окружности.

Рисунок 3 – График формирования скорости при перемещении джойстика по кругу

Таблица 2 – Формирования скорости от положения джойстика при фиксированном х

Дополнительно при тех же расчетных условиях определено изменение радиуса поворота. Принята следующая расчетная схема (рис. 4) поворота коляски в виде векторов скоростей колес и радиуса поворота. Предполагается, что механические характеристики электродвигателей абсолютно жесткие и величина z однозначно определяет поступательную скорость колеса. Как видно из схемы мы имеем 2 треугольника со сторонами:

• V1, R+k;
• V2, R-k.

Согласно закону подобия треугольников получаем соотношение:

Рисунок 4 – Модель скоростей колес и радиуса поворота

Примем V₁/V₂ = t, отсюда получаем что радиус поворота равен:

Результаты расчета радиуса поворота представлены в таблице 3. На рис.5 представлен график изменения радиуса поворота от перемещения джойстика. Как видно из графика радиус поворота изменяется от 0 до бесконечности, принятых закон управления обеспечивает все схемы движения от движения вперед до карусельного поворота через автомобильный поворот. Варьирование коэффициента интенсивности разгона ki (режим заяц -черепаха) не изменяет схему движения. Как видно из таблицы 4 и 5, при различных z или ki изменяется лишь скорость осуществления маневра.

Таблица 3 – Расчет радиуса поворота

Рисунок 5 – График изменения радиуса поворота

Структурная схема систем, обеспечивающая управление по описанному закону представлена на рис. 6, где ОУ – органы управлении (представлены в виде джойстика и переключателя интенсивности разгона), TMS 320 f2808 – микроконтроллер, IR – драйвера (служат для усиления сигнала и гальванической развязки силовой части и управляющей), A – датчик тока, измерительный шунт (для обратной связи по току), VT – транзисторные ключи. С джойстика на порты микроконтроллера приходят аналоговые сигналы по двум координатам, которые в дальнейшем преобразуются в цифровой код встроенным АЦП. С микроконтроллера на драйверы посылается сигналы вкл/выкл и ШИМ сигналы. Драйвера усиливают сигнал и передают его на затворы транзисторных ключей полупроводникового преобразователя открывая или закрывая их. В качестве обратной связи служит датчик тока (шунт), информация с которого передается на один из портов через усилитель сигнала. Управление осуществляется программным путем.

Рисунок 6 – Структурная схема электропривода

Была разработана блок-схема алгоритма программы управления электроприводом инвалидной коляски, которая в укупленных блоках представленной на рисунке 7.

Рисунок 6 – Блок-схема программы

В настоящий момент осуществляется работа по взаимосвязи джойстика и электродвигателей через микроконтроллер, а так же написание программы управления для микроконтроллера, на основе математической модели управления электроприводом инвалидной коляски при криволинейном движении. Вся элементная база (в том числе и микроконтроллер) была выбрана и изучена, на предмет удовлетворения всех нужд.