一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计概要.docx

相当于世界平均水平1/3的中国，为了更加充分的利用有限的土地资源，居民家用住宅以无电梯的多层建筑为主，然而这就严重限制了老年人和下肢残障人士的自由出行。本着以人为本的价值观念，针对我国人均消费水平较低的基本国情，本文以研制一款小巧轻便、操纵简单、性价比高的平地-楼梯两用轮椅为工作内容。首先根据平地-楼梯两用轮椅的机械尺寸确定爬楼梯机构小轮初始位置角度、轮椅适用的楼梯台阶高度范围及楼梯段转向平台行驶时的速度限制。其次根据平地-楼梯两用轮椅运动学模型验证外界环境感知系统的重要性，通过MATLAB综合比较基于模糊推理的多超声波传感器信息融合技术与基于测量数据在线自适应加权融合的多超声波传感器、红外测距传感器的信息融合技术，利用DSP芯片TMS320F28335实现多传感器数据在线自适应加权融合。然后依据无刷直流电动机的数学模型建立无刷直流电动机控制系统仿真模型，并进一步改进为基于惯量辨识的无刷直流电动机控制系统和带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统，利用模块化的思想完成无刷直流电动机调速系统软件设计。最后针对平地-楼梯两用轮椅伺服系统中双电机同步运行时负载转矩不均衡的现象，研究了一种双电机转矩耦合同步协调控制方法，仿真结果表明模糊-PID双模态控制的控制效果要优于PID控制和模糊PID控制。关键词：平地-楼梯两用轮椅，传感器，无刷直流电动机，模糊控制，同步控制一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计目录m miAbstractII1躲11.1平地-楼梯两用轮椅的研究意义11.2平地-楼梯两用轮椅国内外研究状况21.2.1轮组式爬楼梯轮椅21.2.2履带式爬楼梯轮椅31.2.3复合式爬楼梯轮椅41.3平地-楼梯两用轮椅需要研究的主要问题51.4本文主要工作与内容安排52平地-楼梯两用轮椅方案设计72.1平地-楼梯两用轮椅设计要求72.2平地-楼梯两用轮椅参数分析72.2.1小轮初始位置角度参数分析92.2.2楼梯台阶尺寸参数分析122.2.3楼梯段转向平台参数分析132.3平地-楼梯两用轮椅驱动控制系统方案设计142.4本章小结153外界环境感知系统设计163.1平地-楼梯两用轮椅中传感器的作用163.2传感器的安放与选型173.2.1设计传感器安放位置173.2.2选择传感器类型193.3基于模糊推理原理的多传感器信息融合193.4基于数据在线自适应加权融合的多传感器信息融合213.5软件实现223.5.1红外测距传感器模块233.5.2超声波传感器模块233.5.3多传感器信息融合模块243.5.4系统调试与结果分析263.6本章小结28in硕士论文4驱动控制系统模型建立294.1驱动控制系统建模要求294.1.1载重对转动惯量的影响294.1.2载重对负载转矩的影响304.2基于MATLAB的无刷直流电动机控制系统仿真模型324.2.1BLDCM 模块334.2.2电流滞环控制模块354.2.3仿真结果分析354.3基于转动惯量辨识的无刷直流电动机控制系统364.4带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统394.4.1无刷直流电动机降维负载转矩观测器设计394.4.2仿真结果分析414.5软件实现424.5.1软件设计424.5.2系统调试444.6本章小结465驱动控制系统设计475.1同步协调控制性能指标475.2转矩耦合同步协调控制495.2.1转矩耦合同步协调控制策略495.2.2PID同步协调控制495.2.3模糊PID同步协调控制525.2.4模糊-PID双模态控制565.3本章小结58总结与展望59致 ii6162IV一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计1绪论1.1平地-楼梯两用轮椅的研究意义随着人口的急剧膨胀，人类赖以生存的公共资源越来越少，活动空间越来越小，社会的矛盾也越来越多，首当其冲的就是住房问题。在有限的资源范围内，为了最大程度的利用土地资源，多层建筑已成为当今建筑结构的一大流行趋势。住宅设计规范规定：十二层及十二层以上的住宅，每栋楼设置电梯不应少于两台，其中应设置一台可容纳担架的电梯⑴。然而，由于种种原因，我国现有居民家用住宅仍以无电梯的多层楼房为主，这就给年老体弱者与下肢残障人士带来了诸多不便。截止至2010年11月1日零时止，第六次全国人口普查登记我国大陆地区人口为1339724852人。其中60岁及以上人口为177648705人，占13.26%; 65岁及以上人口为118831709人，占8.87%,如图1.1所示。相比第五次全国人口普查，60岁及以上人口比重上升2.93%，65岁及以上人口比重上升1.91%[2]。一般认为，65岁及以上人口占总人口超过m或60岁及以上人口占总人口超过10%,则相关国家或地区步入老龄化社会[3，4]。由于我国老龄化速度过于迅猛，从成年型社会迈入老龄