第五章全向移动电动轮椅移动控制策略-元智大学最佳化设计实验室.PDF

第 五章 全向移動電動輪椅移動控制策略 作者：張程皓 (2014-07-17) ；推薦：徐業良 (2015-12-08) 。 附註：本文為 102 學年度元智大學機械工程研究所張程皓碩士論文「結合行動裝置之 全向移動電動輪椅控制器開發」第 五章 。 第 五章 全向移動電動輪椅移動控制策略 本章首先將說明全向移動電動輪椅在啟動、停止以及轉向時所進行的速度控制策 略，接著描述全向移動電動輪椅在進行左右平移時，因為滑動摩擦力的關係所導致平 移的不穩定現象所進行的速度補償策略，最後則是實驗測試評估。 5.1啟動停止和轉向之速度控制策略 圖 5-1所示為全向移動電動輪椅在進行移動時，速度控制策略的流程圖。首先電 動輪椅控制器接收搖桿、感知推把訊號或是行動裝置 App的遙控指令，包括移動方 向和速度，並將其轉換成四輪不同之 PWM訊號，分別控制四輪馬達運轉，以達成移 動方向及期望速度。 當電動輪椅控制器判別目前全向移動電動輪椅的速度不等於期望速度時，則電動 輪椅控制器便會進行梯形速度變化的加減速控制（如圖 5-2 ），透過PWM訊號的遞增 遞減演算來達到加減速的控制，目的在於減少全向移動電動輪椅在啟動、停止和轉向 時的頓起頓停不舒適感。當電動輪椅控制器判別目前全向移動電動輪椅的速度等於期 望速度時，全向移動電動輪椅便不會進行PWM訊號的遞增遞減演算，直接以判別的 移動速度轉換成 PWM訊號來控制馬達。 1 .tw/ 第 五章 全向移動電動輪椅移動控制策略 圖 5-1. 全向移動電動輪椅移動速度控制流程圖 圖 5-2. 梯形速度變化示意圖 另外當全向移動電動輪椅要進行左右轉向時，電動輪椅控制器也會進行 PWM訊 號的遞增遞減演算，和啟動停止的速度控制不同的是，當進行左右轉向時是針對左右 兩邊的馬達進行PWM訊號演算，將一邊的馬達轉速降低以達到差速轉向的目的；而 當要從左右轉向調整為前進時，電動輪椅控制器也會進行 PWM訊號的遞增遞減演算， 讓四顆馬達的轉速皆達到一樣的轉速以達到前進的目的。 5.2 平移之速度補償策略 全向移動電動輪椅是採用四組獨立的馬達搭配全向輪來進行移動操控，然而全向 移動電動輪椅在移動時，四組全向輪和地面所產生的滑動摩擦力皆不相同，導致實際 轉速也不相同時，造成全向移動電動輪椅在移動過程中有偏移的現象發生，這現象在 2 .tw/ 第 五章 全向移動電動輪椅移動控制策略 全向輪承受越高負載時會越嚴重。全向移動電動輪椅在進行平移時，完全依靠全向輪 的自由滾子產生側向分力移動，此時全向輪承受極高的負載，導致全向移動電動輪椅 在進行平移時，偏移的現象最為嚴重。 因此當全向移動電動輪椅進行平移時，電動輪椅控制器將會根據回傳的馬達即時 轉速回饋資訊來進行速度補償控制，目的在於讓四顆馬達在平移過程中的轉速相同， 以減少偏移的現象發生。而為了能夠擁有馬達即時轉速資訊，本研究自行設計馬達編 碼器來計算實際轉速，並回傳至電動輪椅控 制器中進行速度補償控制。 5.2.1馬達編碼器和馬達轉速計算 本研究所使用的馬達規格如表5-1所示，齒輪比為 25:1 ，當馬達輸出軸（全向輪） 旋轉一圈時，馬達軸心將會旋轉25圈（如圖 5-3 ），因此可以利用此硬體規格，將由 3D印表機所列印出包含三個缺口的六角形且轉盤（如圖 5-4 ）安裝在馬達頂端的軸心 上（如圖 5-5 ），同時搭配光遮斷式感測器（如圖5-6 ）來偵測六角形轉盤上的缺口， 藉此來模擬為馬達編碼器，以取得實際馬達轉速。 當六角形轉盤旋轉一圈時，馬達輸出端（全向輪）則是旋轉 14.4°，同時光遮斷 式感測器將偵測到三個缺口，因此每當光遮斷式偵測到一個缺口時，馬達輸出端（全 向輪）旋轉 4.8 °。藉由六角形轉盤的解析度(4.8 °)和偵測轉盤上