一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计 126页

'一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计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mmiAbstractII 1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14 2.4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46 5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化社会跨越不到20年，据有关机构预测，到21世纪中叶，我国65岁及以上人口比例将高达25%，如图1.2所示。未来很长一段时间内，我国仍将面临人口老龄化的严峻挑战。全国总人口达"13.7亿人j一一—^"‘"““136…60岁以上.人口（亿人）t…-?■以±1人口（彳：^人》 60岁及以上人口比例（56).27+655^及以上人口比例（)￡)3 1：9qLT.1。65岁及以上人口近1.19彳Z?人^<34^=?图1.1第六次全国人口普查图1.2未来我国人口老龄化预测与此同时，受到遗传与发育、外伤与疾病、环境污染及人口老龄化等因素的影响，下肢残障人士的数量逐年增长。第二届全国残疾人抽样数据显示，当前我国残疾人口总数约为8300万，多出1987年3100多万。其中最显著的特点是，由于工伤、交通事故、体育运动及自然灾害等原因，肢体残障人数大幅度上升，约占残疾人总人口31.81%[5]。为了方便老年人和下肢残障人士的日常生活，各种助行装置应运而生，轮椅因其灵巧便捷、操作简单成为是应用最广泛的一种助行装置。然而当前市场上的轮椅大多只能行驶于平地或缓坡，不具备爬楼和翻越路障的功能。但是我国现有住宅仍以无电梯的多层楼房为主，因而普通轮椅无法实现老年人和下肢残障人士的安全出行。另一方面，绝1硕士论文AbstractInordertouseofthelimitedlandresourcesinthepercapitalandareawhichisonlyequivalenttotheworldaverageofonethird"sChinamorefully,familyhomeoftheresidents mainlytomultistorybuildingswithoutelevators,however,whichseverelylimitsthefreedomoftheelderlyandlowerlimbdisabilities.AccordingtothebasicnationalconditionsofChi?na"slowlevelofpercapitaconsumption,withthespiritofpeople-orientedvalues,todevelopacompact,lightweight,simplemanipulation,cost-effectiveflat-staircasebiservicewheelchairisthepaper"smainwork.Firstofall，theinitialpositionangleofthestairclimbingmechanism,theheightrangeofstairstepsforwheelchairtoclimbandthelimitspeedwhendrivingonthestairssteeringplatformarebasedonthemechanicaldimensions.Secondly,verifytheimportanceoftheexternalenvironment-awaresystemaccordingtoflat-staircasebiservicewheelchair"skinematicmodel.Comparethemulti-ultrasonicsensorinformationfusionbasedonfuzzyinferencewiththemultipleultrasonicsensors,infrareddistancesensorinformationfusionbasedonmeasurementdataonlineadaptiveweightedfu?sionbyMATLAB.CompletethesystemkinddebuggingwithDSPchipTMS320F28335.Then,accordingtoBLDCmotor"smathematicalmodelbuildaBLDCcontrolsystemsimulation.BuildaBLDCcontrolsystembasedoninertialidentificationandaBLDCcontrolsystemwithloadtorquecompensationforfurtherimprovement.Thesoftwaredesignusesmodulardesignmethod.Finally,aimingattheloadtorqueunbalancedphenomenonofdouble-motorsynchroni?zationcontrolinflat-staircasebiservicewheelchairmotorservesystem,amethodofdouble-motortorquesynchronizationcontrolhasbeenpresented.ResultshowsthatPIDandfuzzy-PIDswitchingcontrolismuchbetterthanPIDcontrolandfuzzy-PIDcontrol.Keyword：Flat-staircasebiservicewheelchair,Sensor，BLDCmotor,Fuzzycontrol,Syn? chronizationcontrolII一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计背对楼梯台阶的上楼方式，不便于观测前方路况，容易造成乘坐者的心理恐慌。a)平地模式b)直立模式C)爬楼模式图1.4IBOT4000的三种运行模式国内对爬楼梯轮椅的研究起步较晚，大多仍处于研究学习、幵发试用阶段，市场上暂时还未出现技术较为成熟的产品。图1.5(a)为武汉市领普科技有限公司研制的智能爬楼助行轮椅Wheelingchair;图1.5(b)为2012广州国际家用医疗康复护理展览会上展出的新型电动轮椅车；图1.5(c)为荣获美新杯2011年国际大学生物联网创新创业大赛中国区特等奖的郑州大学机械系同学研制的一款智能轮椅模型。a)Wheelingchairb)新型电动轮椅c)郑州大学智能轮椅图].5国内轮组式爬楼梯轮椅轮组式爬楼梯轮椅运动方式灵活便捷、轮子配置形式可调、结构紧凑传动效率较高，平地行驶时可作为普通电动轮椅使用。但是装置的重心波动较大，容易产生颠凝感，同时随着轮组中轮子个数的增加，轮椅的体积也会同比例大幅度增加，使得轮椅结构更加复杂、占用空间更大。1.2.2履带式爬楼梯轮椅履带式爬楼梯轮椅被认为是轮组式爬楼梯轮椅的变形，将轮组式爬楼梯轮椅的轮半径放至无限大，即变形为履带式。履带式爬楼梯轮椅一般可分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履带复合式等⑴]。商业上己经推出的履带式爬楼梯轮椅 以单节双履带结构为主。由于履带式爬楼助行装置原理简单、技术成熟，所以国内外市场上的成品较多。图1.6(a)为坦克轮椅ActionTrackchair，该坦克轮椅的行动力不管是雪地、越野山路、树3硕士论文大多数具有爬楼梯功能的轮椅装置，其设计方案主要针对的是欧美日等发达国家，价格过于昂贵，很难在我国推广。综上所述，研制一种结构紧凑、小巧轻便、操纵简单、性能稳定、性价比高的平地-楼梯两用轮椅，使他们能自尊自立自由的融入社会显得尤为重要。1.2平地-楼梯两用轮椅国内外研究状况当今世界公认的轮椅发展历史中，最早的记录要属中国南北朝（公元525年）石棺上带轮子、椅子的雕刻[6]。直到如今我国对轮椅的分类仍然没有一个统一的标准，人们约定成俗的将其分为手动轮椅、电动轮椅、儿童轮椅、运动轮椅、定制轮椅五大类。然而这些普通轮椅并不能实现攀爬楼梯和越障的功能，这就为平地-楼梯两用轮椅的研发与应用带来了契机。分析总结国内外各种平地-楼梯两用轮椅产品与专利，根据轮椅爬楼梯机构的运行机理，可分为轮组式、履带式、复合式三种[7-8]。1.2.1轮组式爬楼梯轮椅人类最早使用有轮结构的代步工具可以追溯到公元前3000年底格里斯河一幼发拉底河流域，图1.3为一幅车轮壁画。随着时代的发展与变迁，远古时代体积庞大的有轮交通工具，逐渐演变为如今的汽车、电动车、自行车、轮椅等。图1.3远古时代的车轮图 轮组式爬楼梯轮椅结构最简单直观、适用性最强，几乎适用于各种规格的楼梯及普通障碍。在轮组式爬楼梯轮椅中应用最广泛的是行星轮式爬楼梯轮椅，其运动执行机构由在“Y”形或十字形系杆上成正规几何图形安放的小轮构成。各小轮既可绕自身轴线旋转，也可随着系杆绕中心轴公转。平地行驶时，各小轮处于自转状态；爬楼和越障过程中，各小轮处于公转状态[9]。美国人DeanKamen设计的IBOT系列体现了轮组式爬楼梯轮椅的最高水平，几乎适用于包括沙滩、砂碌小路、高低不平的路面、高达25°的斜坡以及楼梯台阶在内的所有环境_。目前该系列已经成功发展到了IBOT4000,如图1.4所示。roOT通过陀螺仪稳定平衡，因而造就了其相当于一辆中档轿车的昂贵售价。此外IBOT必须配有专业辅助人员或者保有至少单侧扶梯且乘坐者至少一只手具备活动能力。同时由于：IBOT采用2硕士论文进行仿真研究，然后进一步改进系统为基于转动惯量辨识的无刷直流电动机调速系统和带负载转矩补偿的调速系统，最后完成无刷直流电动机调速系统软件设计。第五章在自建无刷直流电动机模型的基础上，搭建双电机同步协调控制的仿真模型，研究双电机转矩稱合同步协调控制，对比多种控制策略的效果。最后总结全文内容，提出未来研究的方向及展望。6^一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计2平地-楼梯两用轮椅方案设计针对我国人均消费水平不高的基本国情，研制一款物美价廉、小巧轻便、功能齐全 的平地-楼梯两用轮椅意义重大。2.1平地-楼梯两用轮椅设计要求平地-楼梯两用轮椅作为老年人和下肢残障人士的代步工具，应当具备以下几个基本性能：（1)平地、楼梯两用且操作简便；（2)平地行驶效率高；（3)爬楼时重心波动小，稳定性好；（4)具备完善的外界环境感知系统，确保行驶的安全性；（5)上下楼梯时正对楼梯，避免造成乘坐者心理恐慌。2.2平地-楼梯两用轮椅参数分析平地-楼梯两用轮椅三维结构图如图2.1所示，主要由轮椅车身、组合连杆、4个平地滚轮和4组爬楼梯机构、手柄及控制与驱动系统组成，半自动平地-楼梯两用轮椅三维结构图如图2.2所示。设计轮椅车身时，既要符合人体工程学相关性能指标，又要考虑到轮椅整体结构。手柄可完成平地-楼梯两用轮椅转向、调速等功能。图2.1平地-楼梯两用轮椅三维结构图图2.2半自动平地-楼梯两用轮椅三维结构图平地-楼梯两用轮椅的爬楼梯功能由组合连杆和爬楼梯机构合作实现，是轮椅的核心部件。轮椅根据不同高度的楼梯台阶或不同尺寸的障碍物调节组合连杆，配合爬楼梯机构实现攀爬功能。每组爬楼梯机构由小轮、连杆、驱动轴和驱动电机组成，平地-楼梯两用轮椅侧视图如图2.3所示，爬楼梯机构和组合连杆示意图如图2.4所示，爬楼梯机构三维结构图如图2.5所示。7硕士论文林、沙滩、土堆，甚至是下雪路段均能保持极佳的循迹性且不轻易打滑，速度可到lOkm/h;图1.6(b)为法国的Topchair爬楼轮椅；图1.6(c)为首届低碳专利技术拍卖会上展出的四川发明奇人谭正川发明的的爬楼梯轮椅。 "暴Mwa)坦克轮椅ActionTrackchairb)法国Topchair轮椅c)谭正川发明图1.6履带式爬楼梯轮椅履带式爬楼梯轮椅操作简单，独立性和稳定性较好，传动效率较高，不易打滑，上下楼梯时装置的重心波动较小，提高了乘坐者的舒适性。但是轮椅施加在楼梯边缘的压力较大，极易磨损楼梯和自身履带，同时由于轮椅大多较笨重，平地行驶特别是转向时灵活性较差[〗2]。1.2.3复合式爬楼梯轮椅如何将各类型爬楼梯轮椅的优势集结一体，一直是爬楼梯轮椅研究的一个热门方向。常见的复合式爬楼梯轮椅组合模式有：轮-履复合式、轮-机械腿复合式、轮-履-机械腿复合式等[13]。复合式爬楼梯轮椅中最具代表性的是图1.7所示的日本长崎大学研发的高步幅爬楼梯轮椅。该轮椅平地行驶时采用后轮驱动方式，类似于普通四轮电动轮椅；通过旋转行星轮组实现攀爬功能，其运动执行机构中可折叠伸缩的连杆组能够顺利完成装置座椅的升降，对于跨越高阶楼梯和高大障碍物十分有利[I4]。此外，高步幅爬楼梯轮椅釆用的是面向楼梯的上下楼方式，增强轮椅安全性的同时减轻了乘坐者上下楼梯时的心理负担。___图1.7局步幅爬楼梯轮椅复合式爬楼梯轮椅综合了轮组式、履带式爬楼梯轮椅和机械腿的优点，轮椅运行时的稳定性和灵活性都得到了较大的提升，但是控制系统相对更加复杂，运行速度较慢，4设计硕士论文 ff第一连杆^第二连杆^N车身支架~Z~蛋二小轮图2.3平地-楼梯两用轮椅侧视图图2.4爬楼梯机构和组合连杆示意图嚷』：ifSpa)视图1b)视图2图2.5爬楼梯机构三维结构图轮椅上楼过程中，只有当与前平地滚轮正切面同平面的触碰传感器检测到楼梯台阶边缘信号时，控制器才会驱动与前平地滚轮配套的两组爬楼梯机构的第一、第二小轮连杆同速顺时针转动。随着连杆?的转动，第二小轮逐渐接触地面，随后支撑前滚轮脱离地面。与此同时，第一小轮仍随连杆转动，直至接触台阶面为止。随着第一小轮接触台阶面，轮椅的支撑部件逐渐由第二小轮转换为第一小轮，之前被抬升的前滚轮逐渐接触台阶面。若轮椅完成该次攀爬任务后，前平地滚轮未触及台阶侧边，轮椅则会自动向前滚动至紧挨台阶侧边。只有当触碰传感器再次检测到台阶边缘信号时，爬楼梯机构才会开启下一轮攀爬任务。轮椅下楼过程类似于上楼过程，不同的是测量台阶边缘信号的触碰传感器安放平面与前平地滚轮的后切面同平面。若轮椅向下翻越了一级台阶后，前平地滚轮未触及该级台阶侧边，轮椅则会自动向后滚动至紧挨台阶侧边。同样只有当触碰传感器再次检测到台阶边缘信号时，爬楼梯机构才会开启下一轮翻越任务。完成一次攀爬或翻越任务，爬楼梯机构共旋转360°。爬楼梯机构实物图如图2.6所示，本课题组研制的在普通轮椅上改造而成的半自动平地-楼梯两用轮椅实物图如图2.7所示。8 一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计离商业化尚有一定距离。综上所述，目前技术较为成熟的爬楼梯轮椅产品的研发主要以欧美日等发达国家为对象，价格较为昂贵，且一般采用背向楼梯的上楼方式，容易造成乘坐者心里恐慌。因此，根据我国基本国情，研制一款结构简单、安全性好、性价比高、采用面向楼梯上楼方式的平地-楼梯两用轮椅迫在眉睫。1.3平地-楼梯两用轮椅需要研究的主要问题对于具有爬楼梯功能的助行轮椅，必定有适用的楼梯台阶和障碍物的尺寸范围。根据楼梯台阶尺寸、转弯平台尺寸和电动轮椅的国家标准，结合基于轮椅舒适性、方便性设计的相关机械结构尺寸，确定爬楼梯机构小轮初始角度及轮椅在转弯平台上行驶时的速度限制。不管平地-楼梯两用轮椅是处于平地行驶状态还是爬楼梯状态，安全性都是重中之重。因此需要合理设计轮椅的驱动控制系统和故障保护电路，并重点研究双电动机同步协调控制策略，确保轮椅行驶过程中不会出现意外转向、倾倒甚至侧翻。此外，为了确保平地-楼梯两用轮椅上下楼梯台阶时的安全性，轮椅必须具有相应的传感电路，增强外界环境的感知能力。同时研究多传感器信息融合技术，为轮椅攀爬楼梯台阶提供精确的高度尺寸。为解决上述问题，提高轮椅的智能化水平，需要综合应用人体工程学、传感器技术、电动机控制技术、机器人技术等。导航技术、智能控制技术、模式识别技术的应用更加丰富和完善轮椅的功能。1.4本文主要工作与内容安排本文以获国家专利的平地-楼梯两用轮椅为研究对象，讨论了轮椅的机械结构及 受其限制适用的楼梯台阶高度范围和轮椅行驶于楼梯转弯平台时的速度限制、基于多传感器信息融合技术求取精确的台阶高度尺寸、驱动控制系统等问题，具体章节安排如下：第一章在阐述具有爬楼梯功能的助行轮椅研究意义的基础上，分析讨论国内外爬楼梯轮椅研究状况，并进一步说明亟待解决的研究问题。第二章根据平地-楼梯两用轮椅机械结构设计，确定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，简单介绍了平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统。第三章介绍外界环境感知系统，通过MATLAB仿真综合比较基于模糊推理原理的多超声波传感器信息融合算法和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算法，然后利用DSP芯片TMS320F28335验证测量数据在线自适应加权融估算方法的准确性。第四章在MATLAB/SIMULINK环境下搭建无刷直流电动机模型，并对其调速系统5一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计j.v%.a)视图1b)视图2图2.6爬楼梯机构实物图^哪穩雜a)视图1b)视图2图2.7半自动平地-楼梯两用轮椅实物图2.2.1小轮初始位置角度参数分析为保证平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时的连续性、稳定性及安全性，爬楼梯机构 在攀爬或翻越每一级台阶的过程中，小轮都必须从同一固定角度开始旋转，该固定角度即为小轮的初始位置角度。根据文献[16]中平地-楼梯两用轮椅的机械结构尺寸，可以确定小轮的初始位置角度。参考西班牙人R.Momles提出的模型建立方法[17]，根据平地-楼梯两用轮椅的结构对称性，建立如图2.8所示的平地-楼梯两用轮椅开启爬楼梯模式上楼过程中，第二小轮旋转触地时的示意图。其中，小轮初始位置角度为a,第一小轮连杆与水平轴锐角为第二小轮连杆与水平轴锐角为cr,第一小轮连杆L6与第二小轮连杆-L7值相等，第一小轮与前平地滚轮小轮支撑杆间的垂直距离为h，台阶面与前平地滚轮小轮支撑杆间的垂直距离为hi,第一小轮高于台阶面的垂直距离为h2，平地滚轮半径为R，小轮半径为r，台阶高为H。9设计硕士论文Y“0X图2.8平地-楼梯两用轮椅攀爬第一级台阶示意图根据图2.8可知，当第二小轮旋转至触地时有：sincr=(i?-r)/Z7(2.1)cr=arcsin(—~-)(2.2)L7将及=120ww、r=5Qmm、厂/=120mm带入式(2.2)得cr为35.69。（cr为锐角），即至第二小轮旋转触地止，第二小轮连杆共旋转35.69°+?。由于两小轮是同向同速旋转，所以第一小轮连杆也旋转了35.69°+61?。令6>为第一小轮连杆与水平轴间的锐角， 则：(9=180-a-(a+a)=180"-cr-2a(2.3)代入相关数据得，0=144.31-2?。根据图2.8所示的几何关系有：sin0=(2.4)L6h=L6xsm0(2.5)h=H—R(2.6)h2二h—h(2.7)攀爬过程中两小轮的理想状态为：当第二小轮落地时，第一小轮尚未触及第一级台阶面，且第一小轮连杆不能触碰楼梯边沿。确定小轮初始位置角度最根本的要求是使平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮始终保持理想状态。根据平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮的理想状态对小轮初始位置角度进行如下分析。①第一小轮未触及台阶面的理想状态令第一小轮刚触及台阶面的临界状态下，第一小轮连杆与水平轴间锐角为#，如图2.9所示。10一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计Y- Pg0X图2.9第一小轮刚触及台阶面的临界状态为了当第二小轮旋转触地时，第一小轮尚未触及第一级台阶面，必然有：h2>r(2.8)联立式（2.4)?式（2.8),得：sin0">H+卜尺(2.9)L6代入相关数据得：沒">61.04(2.10)为了使两小轮保持理想状态，式（2.3)中0必须大于《。将不等式（2.10)代入式(2-3)得《<41.64,即若想当第二小轮触地时，第一小轮尚未触及第一级台阶面，小轮的初始位置角度必须小于41.64。②第一小轮连杆未触碰楼梯边沿的理想状态令第一小轮连杆刚触碰楼梯边沿的临界状态下，小轮支撑杆右端点到楼梯边沿的水平距离为1，第一小轮连杆与水平轴间锐角为a’，小轮支撑杆为L5，如图2.10所示。Y“A#TOX图2.10第一小轮连杆刚触碰楼梯边沿的临界状态根据图2.10所示的几何关系有： htan沒”=——(2.11)I11设计硕士论文l=R-~L5(2.12)2联立式（2.11)和式（2.12),代入相关数据得化=61.39°。为了使两小轮保持理想状态，式（2.3)中0必须大于沒”，艮口：沒>『=61.39(2.13)将不等式（2.13)代入式（2.3)得a<41.46。即若想当第二小轮触地时，第一小轮连杆尚未触碰第一级台阶边沿，小轮的初始位置角度必须小于41.46。综上所述，只要小轮初始位置角度小于41.46,平地-楼梯两用轮椅攀爬楼梯台阶时两小轮始终保持理想状态，即轮椅始终安全行驶。为了降低攀爬的风险、提高安全性，设定小轮初始位置角度为38。2.2.2楼梯台阶尺寸参数分析表2.1楼梯台阶尺寸国家标准[18]楼梯类型最小宽度(m)最大高度(m)坡度(。)步距(m)住宅共用楼梯0.260.175 33.940.61幼儿园、小学等0.260.1529.980.56电影院、商场等0.280.1629.740.60其他建筑等0.260.1733.180.60专用疏散楼梯0.250.1835.750.61服务楼梯、住宅套内楼梯0.220.2042.270.62表2.1为民用建筑设计准则中规定的楼梯台阶尺寸国家标准。为确保轮椅乘坐者的安全性和舒适性，同时考虑到平地-楼梯两用轮椅主要针对的是居民家用住宅，默认标准的楼梯台阶尺寸如下：宽度260wm，高度175mw，坡度33.94、受轮椅爬楼梯机构的结构尺寸和小轮初始位置角度的限制，平地-楼梯两用轮椅只适用于一定高度范围内的楼梯台阶和障碍物，因此必须核准默认的标准楼梯台阶高度是否适用。 以如图2.8所示的平地-楼梯两用轮椅攀爬第一级台阶为例，当小轮初始位置角度设定为38=时，至第二小轮旋转触地止，小轮连杆一共旋转了76.39、0为68.31、h为1l.5mm。此时有：h2=h-h=h-{H-R)(2.14)根据平地-楼梯两用轮椅爬楼梯行驶时两小轮理想状态的临界状态对楼梯台阶高度尺寸进行如下分析。12,一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计①第一小轮刚触及台阶面的临界状态第一小轮刚触及台阶面的临界状态如图2.9所示。联立不等式（2.8)和式（2.14)，代入相关数据得//<181.5mm。即若想当第二小轮触地时，第一小轮尚未触及台阶面，楼梯台阶的高度必须小于181.5ww。②第一小轮连杆刚触碰楼梯边沿的临界状态第一小轮连杆刚触碰楼梯边缘的临界状态如图2.10所示。联立式(2.11)和式(2.12)，代入相关数据得M<75.42wff7。此时有：H=R+hi(2.15)将hi代入式（2.15)得/I<195A2mm。即若想当第二小轮触地时，第一小轮连杆尚未触碰第一级台阶边沿，楼梯台阶的高度必须小于195.42WW。综上所述，平地-楼梯两用轮椅可以攀爬的楼梯台阶最大高度为181.5mm。轮椅设计时默认的标准楼梯台阶高度为，能够满足轮椅安全行驶的要求。2.2.3楼梯段转向平台参数分析 平地-楼梯两用轮椅采用驱动轮差速转向，简化了转向部件的结构，提高了转向的安全性和效率。然而，受楼梯段转弯平台的尺寸影响，轮椅行驶于此处时的转弯半径受到了约束，即转向时左右两驱动轮的速度差必须满足一定关系。平地-楼梯两用轮椅动力学分析俯视图如图2.11所示，轮椅左右两滚轮间距为W,假设轮椅转向时的线速度、角速度分别为V和Q，转向半径为R,内侧滚轮线速度、角速度分别为r?,和6>,?，外侧滚轮线速度、角速度分别为和6^，转向平台宽度为L。tc-z,—一-—^^-I—J,,z"i丄，VIwVB丨DI^丨Q,一j—"0‘图2.11平地-楼梯两用轮椅动力学分析俯视图13一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计^1+^2=90"(3.4) Ya=L+R,Yb=r+Llxsin(/?-a)+LA(3.5)sin(^l)=Jhzh(3.6)Z3联立以上各式可得：Z7xsin|l80°-arcsin(今)-or+r-Rm=aicsin^/2xL6xcosal(3.7)L3J^2=90-^1(3.8)由式（3.7)和式（3.8)可知，爬楼梯机构中第一、第二连杆的旋转角度与楼梯台阶的高度直接相关，因此在攀爬每一级台阶之前都必须预先获知传感器精确测得的楼梯台阶高度尺寸。3.2传感器的安放与选型为确保轮椅爬楼梯行驶时的安全性，针对平地-楼梯两用轮椅中传感器的主要作用是在启动爬楼梯机构前获知精准的楼梯台阶高度尺寸，需要合理的设计传感器安放位置、选择合适的传感器类型。3.2.1设计传感器安放位置由于在启动平地-楼梯两用轮椅爬楼梯机构前，传感器就必须测量到楼梯台阶的高度尺寸，因此传感器应安放于左右两个前平地滚轮正切面前方一定距离的位置。综合考虑平地-楼梯两用轮椅的外观及尺寸，将传感器安置于图3.2所示的轮椅脚踏板底面。 i^,C)gSrairKdgcSensorI图3.2传感器安放位置示意图为了求取楼梯台阶高度尺寸，至少需要两组传感器，外界环境感知系统工作原理如17硕士论文3外界环境感知系统设计受到未知和不确定环境因素的影响，平地-楼梯两用轮椅需要利用传感器收集外界环境相关数据，然后通过一定的控制算法对其进行融合、分析，最后以此作为控制系统正确决策的依据。3.1平地-楼梯两用轮椅中传感器的作用为了确保平地-楼梯两用轮椅在爬楼梯过程中的安全性，爬楼梯机构在每次执行攀爬动作之前，轮椅的控制器都必须预先获知传感器测量到的精确的楼梯台阶高度尺寸。楼梯台阶的高度不仅限制了平地-楼梯两用轮椅的攀爬能力，还与爬楼梯机构中第一、第二连杆驱动电动机的选型密切相关。轮椅下楼过程是上楼过程的逆运动，运动学分析类似，仅以图3.1所示平地-楼梯两用轮椅上楼攀爬第一级台阶的运动过程为例进行说明。图中U~L7为轮椅爬楼梯机构中各连杆的几何示意；第一小轮刚触及第一级台阶面时，小轮连杆的旋转角度为/?;小轮初始位置角度为a;第一小轮连杆与水平轴间的锐角为x2;第二小轮连杆与水平轴间的锐角为xl;XI、x2对应的直角边分别为HI、H2;爬楼梯机构第一连杆与水平轴间的锐角为仍；第一连杆与垂直轴间的锐角为沒2。 Y个hOX图3.1平地-楼梯两用轮椅攀爬第一级台阶示意图如图3.1所示，第二小轮旋转触地后，两个小轮继续旋转直至第一小轮触及第一级台阶面，此过程中前平地滚轮逐渐被抬升，后平地滚轮始终保持在地面上滚动前进。根据图中几何关系有：x=P-a,x2=2>0°-P-a(3.1)sin(xl)=互sin(x2)=(3.2)LIL6m+H2^r=H+r(3.3)16一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计梯机构工作；反之当前平地滚轮离幵台阶在地面上滚动，仅后平地滚轮仍在台阶上时，只有后爬楼梯机构工作。因此前、后爬楼梯机构不能共受同一台电动机驱动，应分别受控于第三、第四电机。第五、第六电机分别控制组合连杆一和组合连杆二，两组合连杆配合实现前平地滚轮的提升。轮椅车身底座下方的水平仪负责检测车体是否水平，位于脚踏板底部的测距传感器负责测量楼梯台阶高度，控制器根据接收到的水平仪信息或台阶高度尺寸，产生控制信号，驱动组合连杆一和组合连杆二，调整其连接角度，保证轮椅车身水平或确保平地-楼梯两用轮椅以最佳状态攀爬楼梯台阶。调速转向手柄负责调整轮椅行驶速度和转向。 a—B功器后;地浓轮1T~第—屯机ii仪~[=7|：i丨"""1.1制“".…：；—一i—‘丨iI器.=z|)j"”"?!—“~—j~1；---.：—""”“"‘—‘‘」_^￥7rmiFiw;组合连奸二"]图2.12平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统框图2.4本章小结本章首先介绍了平地-楼梯两用轮椅的设计要求，然后根据轮椅爬楼梯机构的工作机理，确定了爬楼梯机构中小轮的初始位置角度、轮椅适用的楼梯台阶高度范围及楼梯段转向平台行驶时内外侧滚轮角速度差的限制。最后简单介绍了平地-楼梯两用轮椅的驱动控制系统。15设计硕士论文根据图2.11所示的几何关系，有：y= (2.16)^=(2.17)VWV+v及二上X(2.18)Q2Ku,-V,?又由图2.11可知，若想实现轮椅在楼梯段转向平台上的成功转向，转弯半径与半个轮椅车身之和必须小于楼梯段转向平台宽度，即：WR+—/2,则表明轮椅即将下楼。1！^B_,IL11I 病病“H!"HL_图3.3外界环境感知系统工作原理楼梯台阶高度计算公式如下：H=n-12(3.9)市面上常见的轮椅脚踏板长、宽一■般在189aw/w~207/nw和135ww?159ww之间，文中默认轮椅脚踏板尺寸为190?^7140/7^7。为了尽可能扩大传感器测量范围，确保当轮椅接近楼梯台阶边沿时，A、B两组传感器的测量距离不同，将传感器以180m/?xl20wm矩形的形式均勻安置于脚踏板底面上。若每组仅一个传感器，当遇到传感器失灵、损毁等不可逆因素影响时，外界环境感知系统将无法正常工作。因此为确保外界环境感知系统能够时刻正常工作，应使用多个传感器对同一距离进行测量。从降低平地-楼梯两用轮椅价格、提高轮椅外界环境感知能力出发，在传感器安置矩形的长边共安放3个传感器，每个相距60m/w;宽边共安放2个传感器，二者相距60mw，如图3.4所示。以轮椅前进方向将图中传感器1、2、3划分为A组，传感器4、5、6划分为B组。丨190mmIr"，,脚踏板底面I^"‘-(? AI123|广十-,0I4561法S图3.4脚踏板底面传感器具体安放示意图18一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计3.2.2选择传感器类型因为平地-楼梯两用轮椅由乘坐者自行操纵，对轮椅导航、避障等功能的要求较低，传感器仅需测量楼梯台阶高度尺寸，所以传感器的选型应从测量量程、精度和性价比三个方面进行考虑。?传感器测量量程由于传感器安放于脚踏板底面，且只用于测量楼梯台阶高度尺寸，因此传感器的测量量程至少要大于楼梯台阶高度值。根据2.2.2小节平地-楼梯两用轮椅适用的楼梯台阶尺寸范围分析可知，轮椅能够攀爬的楼梯台阶高度最大值为181.5_，留取适当余量，则传感器至少需要具备能够测量20cm距离的能力。此外，平地-楼梯两用轮椅的脚踏板最多高出楼梯台阶面5crn，留取适当余量要求传感器的测量量程至少应为3cm~20cm。?传感器精度根据楼梯台阶国家标准中台阶高度的规定楼梯台阶，当计量单位为米时台阶高度有效位数为小数点后2位，即Imm，因此综合考虑传感器测量精度至少应为Imm。③传感器性价比理论上一次性获取信息量大且直观的视觉类传感器应为最佳选择，但是此类传感器 图像处理运算量较大、能耗较高、实时性较差，对光照条件有着较严格的要求[19]。而且平地-楼梯两用轮椅的外界环境感知系统仅需进行简单的距离测量，所以选用非视觉类专用测距传感器即可。常用的测距传感器有激光测距传感器、红外测距传感器和超声波.测距传感器三种。3种专用测距传感器的性价比如表3.1所示。表3.]3种常用测距传感器性价比 传感器类型指向性测量量程价格备注激光测距传感器极好范围广昂贵精密测量红外测距传感器好范围小一般近距离测量超声波传感器较好范围中等低廉性价比高激光测距传感器虽然测量精度较高，但是价格较昂贵，且平地-楼梯两用轮椅外界环境感知系统中传感器需要的探测距离较小，所以选择性价比更高的超声波传感器、红外测距传感器更适宜。首先利用MATLAB仿真测试若仅采用超声波传感器或红外测距传感器，能否实现平地-楼梯两用轮椅外界环境感知系统功能。3.3基于模糊推理原理的多传感器信息融合 平地-楼梯两用轮椅行驶时安全性是所有问题的重中之重，而安全性的确保很大程度上依赖于传感器测量到的楼梯台阶高度尺寸的精准度。传感器选型时，要求选用的传感器测量精度至少为1mm,为了确保楼梯台阶测量值的准确度，规定多传感器测量数据信息融合结果的精度至少为1mm。为使多传感器信息融合结果符合平地-楼梯两用轮19硕士论文椅外界环境感知系统规定的要求，仿真选用融合精度较高的基于模糊推理原理的多传感器信息融合算法。该算法原理如下：以传感器测量数据为输入变量，信息融合结果为输出变量，在一定区间范围内，按照一定步长移动输出变量的位置，得到多组输出变量与各输入变量的兼容度，对所有兼容度进行AND或OR运算，将得到输出变量位置与总兼容度的关系曲线，总兼容度最大值对应的输出变量位置即为所求的多传感器信息融合结果[2。]。考虑到传感器测量数据的随机性和工程实现的简易性，选用三角形隶属度函数为输入变量的隶属度函数。设三角形隶属度函数以各传感器的测量数值m,为中心，对称宽度为2(7,，其中￠7,.为各传感器的测量标准方差。输出变量模糊化同样选用三角形隶属度函数，三角形对称点位置为待测参数，输出隶属度函数中心位置值应大于输入变量最小值且小于输出变量最大值。为验证信息融合算法效果，以1为标准值，假定传感器的6组测量数据与方差如表3.2所示。表3.26组测量数据与方差 序号1 23456测量值1.00^^1.00方差^^^^^0.05设置仿真步长为0.01，仿真结果如图3.5所示。输出变量位S与总兼容度的关系0.8I111111 。"-0-6-j^05-/1-I丨.4_1I-I-/\I-0.1-Z/"V-/一」、.QZJ 1I1I1 00.2040.50811.214输出变量位S图3.5基于模糊推理原理的多传感器信息融合仿真结果根据图3.5可知，总兼容度最大值出现在1.01位置处。相比于最基本的算术平均值融合方法处理得到的结果0.92，基于模糊推理原理的多传感器信息融合方法处理得到的结果更加精准。此外仿真结果显示，当测量数据有效位数为小数点后两位时，融合结果20^一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计同样为小数点后两位。由此可推测，在传感器测量精度符合要求的前提下，若釆用该方法进行数据融合，其融合结果的精度符合平地-楼梯两用轮椅外界环境感知系统的规定。因此理论上仅采用超声波传感器或红外测距传感器是可行的。但是实际工程应用中，红外测距传感器的测量精度无法达到轮椅外界环境感知系统要求的测量精度1mm;而超声波传感器对温度、湿度、环境噪声等有着较严格的要求。为了确保平地-楼梯两用轮 椅在多种环境下的安全行驶，最终选定超声波传感器和红外测距传感器组成的传感器对作为距离测量的传感器。考虑到随着轮椅的移动行驶，传感器对测量的数据也将随之时刻变化，而多传感器信息融合必须以这些时刻变化的测量数据为基础，这就要求多传感器信息融合算法必须具有自适应的特性，同时融合结果的精度还必须达到平地-楼梯两用轮椅外界环境感知系统规定的要求。综合考虑选用可实时进信息融合的多传感器数据在线自适应加权融合算法。3.4基于数据在线自适应加权融合的多传感器信息融合自适应加权融合算法的基本原理如下：对不同的传感器赋予不同的加权因子，根据各传感器的测量数据以自适应的方式寻找与该传感器匹配的最优加权因子，从而实现融合结果最优化121]。融合算法基本思路如下：首先由时间域估算当前k釆样时刻的测量方差；然后将其与k-l采样时刻的测量方差综合考虑，得到当前测量方差的实时估算；接着根据附加条件下多元函数的求值理论求得此时测量方差对应的加权因子；最后累加各传感器测量数值与加权因子的乘积。设“y为两个不同的传感器，对应的测量值分别为X,、X”对应的测量误差分别为V丨、Vj.，且V,、为零均值平稳噪声；X为测量真值，贝Ij:X.=X+V.；Xj=X+Vj(3.10)a"=E[v"]；=￡[v/](3.11)由于V,、Vy.互不相关且均值为零，也不与X相关，因此X,、；Cj.的互协方差为：R,j=E[x,xj]=E[x"](3.12)Xj的自协方差i?,为：R“E[x,x,]=E[x^]+ (3.13)根据时间域估计值可得/?,、R,,所以￠7,2为：丨‘=E[v.■]=E[x.X,]-E[x,xj]=R“-R丨丨(3.14)设一共个采样时刻，即传感器共测量得到个数据，i?,的时间域估计值为Ry的时间域估计值为R”(k)，则：213外界环境感知系统设计硕士论文Ru⑷=士土X,"K(0=?(0^,(0+X,(k)x丨⑷]^/=1欠/=1=R,,(k-1)+-X,(k)x,(k)(3.15)kkRyik)=^R,^ik-)+jX,ik)x^⑷(3.16)又Ry=Rjk)=-^Ix⑷（3.17)因此￠7,2⑷=i?,,⑷⑷(3.18)万—1J=l,J关i以a严⑷的算术平均值为k采样时刻传感器测量方差的估计值，则第/个传感器在第A釆样时刻的测量方差估计值为：cr,"(^-1)+70-,"ik)?t；]KZ)一Iintfigralo-*4=—<3^—QD?+卜、只I—II?十〉f]kZD?一■HL-M广Integra^CD*-*rm._, ucI——一-j1?COI1I；II1lrn?3"a..:r:I HKp~^ "“^s-=urai=n1K^Z)E:图4.7转子位置与三相绕组反电动势关系仿真模型BLDCM模块设计的另一个重点为转矩计算。根据无刷直流电动机电磁转矩表达式和转矩平衡表达式建立如图4.8所示的转矩计算仿真模型。结合图4.7和图4.8得到图4.9所示的BLDCM模块。GD——?门-jf"“-* IsXI I^^(■^_ISaturstirnFenEs1II(3^_?-CD""“"“I"I丁L.K口IX?+^X~]?+>Tf—^^~>CIDC3)^-rcsuci?1JIntsqrstcr""EC>“h.Frctibal[?-^ CD5BEwP^c.aua2^^)1?图4.8转矩计算仿真模型9^1_Jl."iL-M:l/nejrsfy &□!>^Stcaja-sr.^F^—421?Hfl——￠3￠1-1""“??—~?iiZ]年"“fSH>-—rinil叫，I_I?■■.i.-Ui：l，:*s…=,:^‘——^‘__…I1-1^Kp^r~~1~—…I—>.——I1 “^S-=i^"ai=- 图4.9BLDCM模块34论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计作用[2《25]。调速原理如下：给定转速^9*与反馈的电动机当前实际转速^>进行比较，其差值作为转速调节器的输入，经过转速调节器PI作用后，得到电流调节器的参考电流。参考电流与检测到的电动机相电流进行比较，其差值作为电流调节器的输入，通过电流滞环控制得到电压逆变器的开关信号，电压逆变器最终输出无刷直流电动机三相绕组的 端电压。—转速调节器电流调节器—?电源逆变器HBLDC?^_丫^0)“iiI电流测量1转速测量 图4.5无刷直流电动机控制系统原理图参考文献[26]中BLDCM的数学建模与上述无刷直流电动机控制系统的分析，建立如图4.6所示的基于MATLAB/SIMULINK的双闭环BLDC调速系统仿真模型。采用模块化的思想，根据不同的功能将系统划分为BLDCM模块、电压逆变模块、电流滞环控制模块、参考电流模块、转速控制模块5大功能模块，重点介绍BLDCM模块和电流滞环控制模块。——?p3000~?O—??■‘■，?S.J；_I“1^‘‘‘J—1^■?“la-J?.口^,n.^——?ra S-F-ras!：I——^IS“一“n^^__~———□三——?口EUf-C-lOS-nl"Cl^E?—~—Tl_=:??如=：p,[ID！16:I~Itissm<3^h士Ad32EZh F2图4.6无刷直流电动机控制系统仿真模型4.2.1BLDCM模块BLDCM模块是整个无刷直流电动机控制系统中最重要的一个功能模块，其设计重点为求取精确、理想的三相绕组反电动势。基于较高的精确度、较快的运行速度、较强的适用性的考虑，文中选则分段线性法[27，28]。 理想情况下，以每60°为一个换向阶段，BLDCM的一个运行周期可划分为6个阶334驱动控制系统模型建立硕士论文为便于清晰的观测输出曲线变化趋势，将仿真时间缩短为0.2s，突增负载转矩的时亥ij相应的更改为0.1s，仿真结果如图4.12所示。无商直琉电动机输出拷速曲线350011111i1111"仙]‘I1‘1‘‘‘‘3000?.3000??/V"?2500j92500■-二2000ISW2000■-gI11,I欄.j-I.SI_1|#1000?(-§1I.S/ ?S500■IgJO0-?/“Vr. 0?0?-?500I111‘111111-500I111111111 000200400600801012C.140160180.200.020.040.060.0S010120140160.1S0.2t/St."S(bl)0.2s内输出转速曲线（b2)0.2s内输出转速差曲线图4.120.2s内无刷直流电动机调速系统仿真结果由图4.12可知，电动机输出转速在0.027s内升至2900rpm，转速整体呈现平稳的状态。0.1s突加负载转矩后，电动机转速出现一定程度的下降，最大降速约为275.5rpm，但系统能较快的恢复到稳定状态。分析仿真结果可知，该无刷直流电动机控制系统模型具有较好的动、静态特性，对负载转矩的变化具有一定的抗扰动性能。4.3基于转动惯量辨识的无刷直流电动机控制系统根据电动机转矩平衡方程式可知，转动惯量对电动机控制系统的启制动性能和加减 速性能有着至关重要的影响。平地-楼梯两用轮椅设计时限重80kg，结合4.1.1小节载重对转动惯量的影响，要求当负载变化范围在0kg~80kg之间时，无刷直流电动机控制系统的动态性能都必须良好且彼此之间性能波动不大。利用文献[30]中提及的Landau离散时间递推参数辨识算法对转动惯量进行辨识，参考文献[31]所述的调节器参数自整定步骤，首先将转动惯量辨识值■>赋值给转动惯量期望值J。，得到转速n调节器中参数^^,的整定策略；然后对比E.Chiricozzi等提出的转速控制系统闭环传递函数要求[32]，计算得到调节器中参数尤P的整定策略。由于乘坐者在轮椅上的任何细微晃动都会造成折算到电机侧的转动惯量和负载转矩发生变化，综合考虑乘坐者的晃动及不同乘坐者重心位置的不同，取转动惯量的波动变化范围为±20%。为测试转动惯量辨识与控制的效果，在暂不考虑负载转矩变化、前后两组爬楼梯机构同时工作的条件下，分别对平地-楼梯两用轮椅空载、载重40kg、载重80kg且转动惯量波动±20%时前爬楼梯机构驱动电机控制系统进行仿真。结合4.1小节的分析，当前后两组爬楼梯机构同时工作时，仅针对前爬楼梯机构驱动电机控制系统可得如表4.1所示的转动惯量和负载转矩。36论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计4.2.2电流滞环控制模块传统PWM调制方式中，由于电路中电感的存在，相电流不能发生突变，因此无法得到理想的方波电流。电流滞环控制是一种基于电流瞬时值的比较控制[29]。将三相绕组的参考相电流与反馈的实际相电流进行比较，差值作为滞环调节器的输入，通过电流滞环控制作用产生电压逆变模块的控制信号。合适的滞环调节器环宽，能够较好的实现实 际电流对参考电流的跟踪，减小无刷直流电动机电磁转矩的波动。电流滞环控制模块如图4.10所示。GD??KjDIs-J^1DutiQ3J{s CZ3——?)——KDt"X??Out2①T"化”lb (X)?CDICiI1Out3-TR￡lav2GD1ic 图4.10电流滞环控制模块4.2.3仿真结果分析基于图4.6所示的无刷直流电动机控制系统仿真模型，设置相关参数如下：定子相绕组电阻i?=1.125fl,定子相绕组自感Z=5.5/wif、互感M=0.3m//，转动惯量J=0.006kg-m"，反电动势系数心=0.02257/0，气隙磁感应强度B=l3.6e"^N-m-s/rad,电动机极对数P=2。转速给定值vi^=3000rpw,初始负载转矩TL=QN-m’1=0.53时突加71=2^^7?的负载转矩，仿真时长Is。无刷直流电动机的输出转速曲线、输出转速差曲线如图4.11所示。无岡直法电动机输出转速曲线无刺直琉电动机输出速差曲线3500111111111113500[1111111113000??3000??^2500?-?2500J?I^W,2000‘?m2000?-S?§w- M1500??H1500?-ifW1000..念10QO-供"fflS5。。.I500-1i 0-0■--500I‘111‘1‘‘1i.=001IIIIIIII1 0010.20.30.40.50.60.70.80.5100,10.20.30.40.50.60,70.80.91t"st/s(al)Is内输出转速曲线（32)Is内输出转速差曲线图4.11Is内无刷直流电动机调速系统仿真结果 354驱动控制系统模型建立硕士论文无商直读电动机输出玲速曲线无踊里该电动机输出速曲线3500I111r11111135001IIIII11113000??3000??/”八2500-^2500-/-I/1I^2_?/^2000./-kg/骂1500■IOS150。‘7-B丨g/-fflj1000.w1000?/-/?裡1/烟/S500-/ ?600-/■0?-0丨--500I1111111111-500i111111111 00.02O.W0.060.08010120.14016C.180200.02O.W0OS0OS01012D140160IS02t"St/s(bl)载重40kg时输出转速曲线（b2)载重40kg+20%时输出转速曲线无阁直；宠电动机瑜出转速曲线?.$職滴电动机输出??速曲线35001,,,,,,,,,13?001111111‘‘‘3000??3000.-/、丨/^2500.I?八2oOO?/-I I/^2000■I^2000./-SI^Ig150。?]?fn i^I~~-1lnt^3Tstc.-r Ci:^>C>—^4T1*4)>CDni^Z”■Z^■in。-CeLK2Intsg"stG.rl2-3.J"FiKjZ)TLO?QJ K1intsgratc"3图4.15降维负载转矩观测器仿真模型40士论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计表4.1前爬楼梯机构驱动电机控制系统转动惯量和负载转矩折算到电机侧转动惯量Ckg-m”折算到电机侧负载转矩（TV?m)空载0.00648 空载a+20%)0.007776 空载a-20%)0.004704^ 载重40kg0.00688^ 载重40kg(J+20%)0.008256 载重40kga-20%)0.005504 载重80kg0.00728 载重80kg(J+20%)0.008736 载重80kgg-20%)0.005824 仿真时长Is,0.5s时突增负载转矩1.5A^.w，无刷直流电动机输出转速曲线如图4.13(al)所示。为了得到更加精确、直观的无刷直流电动机输出转速曲线，将仿真时间缩短为0.2s，其中0.1s时突增负载转矩1.5A^-w，仿真结果如图4.13(a2>~4.13(c3)所示。无刷直流电动机输出?？速曲线.无制直流电动机输出传速曲线3500rIII"-I■1I■T■II3。00IIIIIII113000??3000?.！‘[^ ，2500-j-一2500■■J-1"j^2000.-2000-IkI^1500.-骂1500■I-妄^丨黑1000.-￠51000i-?IS60Q?-直500‘y/0‘-G广--600I11‘11‘1‘11.^00t1III,■I.■0010203040.606070S0.91Q0.020.040.05008010120.140160.180.2t"St;.s(al)Is内空载时输出转速曲线（a2)0.2s内空载时输出转速曲线无岡直法电动机输出转速曲线二0C,,,$輸流帥?几船龍鹏 ^.-nr.IIIII1I1III1111111111 3000^：A■I--挪。.-ijs.m2000-叛测。.■塁If§1500I -i■.-1I#1000.-ff1咖■I-in]/姻/E500??500-/-/呢/00‘--500i‘111111111-500I"‘‘111111 0002004006008010120140160180.20002004C050080101201401601802Ust.‘s(a3)空载+20%时输出转速曲线（a4)空载-20%时输出转速曲线37士论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计4.4.2仿真结果分析将负载转矩观测值换算成负载电流添加到电流调节器输入端，与转速调节器输出电 流之和共同作为电流调节器的参考电流。/*=/+/也(4.17)其中，为电流调节器的参考电流；为负载转矩观测值换算得到的负载电流；；=9.55C。[34]为转矩电流比系数。带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统原理结构图如图4.16所示。—Iijk,卜——I负载转矩观测—*? ~？转速调节器"》"0^电流调节器电源逆变器BLDC~f—负载"‘‘一iI电流测量■”1转速测量h 图4.16带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统原理结构图结合图4.15和图4.16，可得带负载转矩补偿的无刷直流电动机控制系统仿真模型如图4.17所示。丁番. IIIT~I_I1>1*Oji^?m_‘“：■“^；a」30oo-p-#^>->v.I,~JI(r?It-r-=?+__、I1^H~~^=a?-|?H~‘^比Ci,ti?i，：i~^^"?PIS-FtraiorI^!=■Lit.：^+*A3d31I__Cull^InsI—*C-?iP.^?，?卜rsfs…一。—II—Hi_hr:n=i-nconw:li?riixvtv_丁-*1SIMI^1Xeiaemvjv,r^— soacfjciDi/<…r~11E:、T=1Gain2Gain^TePDis":PECcmrolieriiSie<■■」_tsw?IAGain!咖「=!2BLDCcontroU 图5.3基于PID的双电动机转矩親合同步协调控制仿真模型5.2.2.2仿真结果为了验证基于PID的双电动机转矩親合同步协调控制的控制效果，对当一台电动机负载转矩发生突变时，另一台电动机能否很好的跟随输出转速发生变化的电动机迅速调 整自身输出转速，进行了仿真验证。设定仿真验证中电动机2的初始负载转矩为1TV.?7，电动机1的初始负载转矩为1.5#.w，0.13时电动机1上突加lA^m的负载转矩；两台电动机给定相同的初始转速3000rpm，设置PID参数Kp为6，Ki为10，Kd为3，得到如图5.4?图5.7所示的仿真结果。PID协调控制下两台无剧直流电动机输出$$矩曲线PID协调控制下两台无嗣直済电动机输出5?矩胡线35111111‘III0.5r111(11111f!jr^"M产機5一J-Ai.*1i.uj、|IflI"I■；"11V^VII-=jIH丨丨-5丨uu丨丨丨IWj！、S-0.5-1--^：卜‘雪^吞」If-■_搜I1/、、A/VW?"v、/WvWW"奮1S” "|(.1^囊。j--i-、！mmmmI——电动机2piI电动机l|J 00.02G.04006C0801C12014C160.180200C20.040.060.060.10120.1401601S0.2t"St"S图5.4PID控制下两台电动机输出转矩曲线图5.5PID控制下两台电动机输出转矩差曲线50论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计5.2转矩親合同步协调控制当前电动汽车电子差速转向主要分为以输出转矩为控制变量和以输出转速为控制变量[42]两种。这也就意味着，在实现双电动机同步协调控制时，既可以选择转矩同步协调控制方式，也可以选择转速同步协调控制方式。然而实际多电机同步协调控制系统中，各台电动机的输出转矩、输出转速、输出功率等均无法实现完全一致。受到调速系统的非线性及外界干扰等因素的影响，运行中的多电机同步协调控制系统往往会出现负载转矩不均衡现象，严重时甚至会导致电机负载及其连接轴受到不同程度的损伤[43]。为了降低系统负载转矩不均衡对同步性能的影响，在带负载转矩补偿的单电机控制系统基础上，将模糊控制理论引入传统的PID控制方法，设计了双电机转矩親合同步协调控制的补偿器，以增强系统同步协调控制的能力。 5.2.1转矩親合同步协调控制策略转矩稱合同步协调控制策略原理结构图如图5.2所示。In*i~-tTLl^ 一~—J转速调节器d电流调节器驱动器“：电动机1^负载1；丨补偿器—(?_|1K2！~^I转速调节器"“-■电流调节器rH驱动器「：电动机2^负载2I‘‘‘e^L2"I 图5.2转矩輔合同步协调控制策略原理结构图将两台电动机的电磁转矩进行比较，二者的差值通过补偿器作用得到一个附加的反馈信号补偿到各电动机的电流调节器输入端。以该附加的反馈信号为跟踪信号，可以反映出系统中任意一台电动机的电磁转矩变化，即负载转矩的变化，从而获得更好的同步性精度。5.2.2PID同步协调控制 5.2.2.1PID控制原理PID控制器是指将给定输入与系统输出反馈值的偏差经过比例（P)、积分（I)和微分（D)控制后作为控制量对被控对象进fx控制[4]，传递函数表达式如式（5.8)所;G(s)=^=K,(1+-J-+K^s)(5.8)￡(s)KjS式中尤,为比例系数，A：,为积分时间常数，Id为微分时间常数。49论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计5驱动控制系统设计安全性是平地-楼梯两用轮椅最重要的一个性能指标，如何确保轮椅不管是平地行驶，还是爬楼梯行驶，都不会出现意外转向甚至倾倒侧翻，就必须加强多电动机的同步协调控制能力。平地-楼梯两用轮椅采用的是后轮驱动、电子差速转向方式，所以两个后轮分别由各自的无刷直流电动机驱动。乘坐者在轮椅上的每一个细微动作都可能影响折算到电机侧的负载转矩和转动惯量发生变化，进而导致两侧驱动电机的输出转速出现偏差，转速偏差较大时可能造成轮椅的意外转向甚至倾倒侧翻。当一台电动机受到干扰，电动机的输出转速发生变化时，如何确保另一台电动机能够很好的跟随受干扰电动机输出转速变化，调整自身输出转速即为本章的研究重点。5.1同步协调控制性能指标平地-楼梯两用轮椅未设置相关机械方式的转向装置，当控制器接收到转向指令后，通过调节轮椅两个后大轮的转速差实现转向。电子差速是在保证车轮不发生滑移或滑动，仅作纯滚动的前提下，通过电控方式控制各个车轮以不同速度转动，产生转速差实 现车体转向[38]。当左侧车轮转速小于右侧车轮转速时，在同等时间内，左侧车轮行驶的距离也必定小于右侧车轮行驶的距离，此时轮椅将向左侧偏转。同理，当右侧车轮转速小于左侧车轮转速时，在同等时间内，右侧车轮行驶的距离也必定小于左侧车轮行驶的距离，此时轮椅将向右侧偏转。低速行驶时，参考Ackerman-Jeantand模型[39]，建立如图5.1所示的轮椅转向模^適丨II11I“1UR！IIII,r"认.！图5.1平地-楼梯两用轮椅转向模型其中，L为轮椅身长（前后两轮轮心距）；W为轮椅身宽（左右两轮轮心距）；R为轮椅转向半径；0为轮椅转向角度。0>0时，左侧车轮转速较小，左转弯；0<0时，右侧车轮转速较小，右转弯。图5.1为轮椅左转弯情况。47论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计riNM NSZ0PSPMPB.mm-?二-2&2~6:图5.9e和ec的隶属度函数图MCp、A&、AKy的隶属度函数选用如图5.10所示的三角函数和高斯函数，其论域为{-3，-2，-1，0，1，2,3}。mNMNSZ0PS-PMPB.mm■J.1：:图5.10AK,.AKy的隶属度函数图根据、A^,、AKd的实际调节原则，建立如表5.1?表5.3所示的、A^,、模糊控制规则表。表5.1控制规则表 ecNBNMNSZQPSPMPBNBPBPBPBPBNSZOZONMPBPBPMPMZONSNMNsPBPMPMPSNSNMNBZOZOZOZOZOZOZOZOPSNBNMNSPSPMPMPBPMNMNSZOPMPBPBPB PBNSZONSPBPBPBPB53论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计图5.4为PID同步协调控制下两台无刷直流电动机的输出转矩曲线，图5.5为PID同步协调控制下两台无刷直流电动机的输出转矩差曲线，其差值为电动机2的输出转矩减去电动机1的输出转矩。结合这两幅图可知，由于两台电动机的初始负载转矩不同，所以起始阶段两台电动机的输出转矩也不同。当电动机1上突加lA^m的负载转矩后，电动机1的输出转矩在0.0086s内增至3.33随后在新的稳态值附近波动。几乎同一时刻电动机2输出转矩立即下降，随后重新恢复稳定状态。0.1087s时PID协调控制下两台电动机输出转矩差值最大，约为-1.76A^w。随着两台电动机均恢复稳定状态后，二者的输出转矩差也稳定在-1.6A^w~-1.4A^w范围内波动，波动值为Q2N-m,远小于两台电动机的输出转矩。PiD协调控制下两台无闽直淺电动机输出速曲线RD协调控制下两台无踊直流电动机输出转速曲线3500,,,.,,,,,,160。~jj-..>‘‘‘‘‘‘3000......^?./？棚-- I2500.；1-9^：|mI|2。。。II-I300-I-I-1"■&>■)"瑟，5。--i丨Ws500?"■！UJ[j40；"■‘4[jC?、I人^：1E0ri^：“……电动机2.5001II111I电动机1-15011111111I 0002004006008010120140160180.200020040.06008010120140160180.2t"St."S图5.6PID控制下两台电动机输出转速曲线图5.7PID控制下两台电动机输出转速差曲线图5.6为PID同步协调控制下两台无刷直流电动机的输出转速曲线，图5.7为PID 同步协调控制下两台无刷直流电动机的输出转速差曲线，其差值为电动机2的输出转速减去电动机1的输出转速。结合这两幅图可知，同样由于两台电动机的初始负载转矩不同，两台电动机的启动性能稍有差别。0.1s时，电动机1的输出转速突然下降，0.0032s内降至2709rpin,随后又迅速恢复到稳定状态。电动机2输出转速随之立即下降至2850rpm,随后同样迅速恢复到稳定状态。不算启动阶段600rpm的转速偏差，整个仿真时间内，两台电动机的输出转速差最大值出现在0.103s处约为144rpm，小于规定的安全行驶最大转速差210rpm，符合平地-楼梯两用轮椅安全行驶要求。两台电动机均恢复回稳定状态后，系统也无法完全实现转速无静差，在-3rpm?15rpm间波动。但是启动阶段转速差600rprn远大于210rpm，因此为确保平地-楼梯两用轮椅的安全行驶，进一步将PID控制器改换为模糊PID控制器。515驱动控制系统设计硕士论文5.2.3模糊PID同步协调控制模糊PID不需要建立精确的数学模型，控制器的参数随当前实际控制情形实时调整，被控对象的非线性、时变性对控制效果影响较小，系统鲁棒性较好[45]。5.2.3.1模糊PID控制原理PID控制结构简单、稳定性较好、适用范围较广，但是被控对象的时变性和非线性对系统的控制性能影响较大。模糊PID汲取了PID控制与模糊控制的优点，能够根据当前实际控制效果实时调整PID控制器中参数，确保系统在整个运行过程中始终处于最优控制效果。根据图5.8模糊PID控制器原理结构图可知，模糊控制器以偏差e和偏差变化率ec为输入语言变量，PID的修正参数A^,、为输出语言变量。应用模糊推理规则，结合PID三个初始参数，按照公式（5.9)得到系统最终PID的三个参数[46]。 模糊PID控制器eci1j；”模糊控制器i—1iAK,AK,——‘h-PID控制器H“对控对象~图5.8模糊PID控制器原理结构图"K;=K^+ak^‘K;^K,+AK,(5.9)Ky=K,+AK,模糊PID控制最关键的是模糊控制规则的确定，不同的模糊控制规则对系统的控制效果不同。针对不同阶段的|e|和|ec|，参数整定原则参考文献5.2.3.2模糊PID控制器设计为了对输出转矩差进行更加科学、精准的分析，釆用以输出转矩偏差值e和偏差变化率ec为输入语言变量的二维模糊PID控制器。三个输出语言变量分别为、AK,、AK,,所有语言变量的模糊集均设为{NB，NM，NS,Z0,PS,PM,PB}。偏差值e和偏差变化率ec的隶属度函数选用如图5.9所示的三角函数，其论域为{-6，-5,-4,-3,-2,-1’0,1’2,3,4，5’6}。525驱动控制系统设计硕士论文表5.2AA：,控制规则表 ecNBNMMSZOPSPMPBNBPBPBPBPBNSNMNBNMPBPBPMPMNMNBNBNsPBPMPSPSNBNBNBZOZOZOZOZOZOZOZOPSNBNBNBPSPSPMPB PMNBNBNMPMPMPBPBPBNBNMNSPBPBPBPB表5.3空制规则表ecNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBNBNBNMNSNMPBPBPMNMZONSPMNsPB PMPMNSPMPBPBZOZOZOZOZOZOZOZOPSPBPBNSNSPMPMPBPMPBPSNMNMPMPBPBPBNSNMNBNBPBPBPB54士论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计 基于模糊PID的双电机转矩耦合同步协调控制仿真模型如图5.11所示。<"?la?,lb<3000^,b"ConslanHm~J…… 6->B>门_ru—"kCeDerwattveKec■(Sfji?~v~?p^riKtfi图5.1】基于模糊PID的双电动机转矩耦合同步协调控制仿真模型5.2.3.3仿真结果设定仿真条件与PID同步协调控制仿真条件一致，设置仿真模型中相关量化因子、参数，得到如图5.12~图5.15所示的仿真结果。模栩PID协调控制下两台无蒯直渣电动机输出转矩曲线模糊PID协调控制下两台无刷直流电动机输出砖矩差曲线3s|1‘1‘‘‘‘‘Op,,,,,,,,,hM卜_?_:^mfI2.I.I-08.-ii..ti.,.y_||-1-2■_1j^“i:0.5?-E电动机2*18?■ 电动机10"""""""‘.21iiii■.■■.00020040.060.080.10120.140.160.18000.020040060080.10120140.160.180.2.图5.12模糊PID控制下电动机输出转矩曲线图5.13模糊PID控制下电动机输出转矩差曲线图5.12为模糊PID协调控制下两台无刷直流电动机输出转矩曲线，图5.13为模糊PID协调控制下两台无刷直流电动机输出转矩差曲线，其差值为电动机2输出转矩减去电动机1输出转矩。结合这两幅图可知，由于两台电动机初始负载转矩不同，二者的启动性能差别较大，同时受到模糊PID控制的影响，相比于PID同步协调控制，两台电动机输出转矩的毛刺较大。0.1s电动机1上突加负载转矩后，电动机1输出转矩在0.0095s内迅速升至3.34A^m，随后在新的稳定状态处振动。电动机2输出转矩随之立即下降，0.002s内降至0.78fw。0.105s时，两台电动机输出转矩差值最大，约为。555驱动控制系统设计硕士论文棋糊PI：)协调控洎下两台无商直浅电动机输出铐速曲线播糊AD协调控制下两台无瞬直泫电动机输出圬速S曲线3500[1,,,,,,,156Cp1111111113000--警(I■^；‘？？叫丨“￡2500)￡. I：丨rn3Scm-|2000■；,I2B0.1-11500?；I|2!0|■#：！！1-§1咖.？.1Am?：|7。[-^500"：1S！IE0.：-益公、‘vWvAy?心v……电动机之“、‘■II：II！,._$職-丨-MOlIIIII-！■I000200400?COS010120UC16〔18020002004006008C1C120"U01601602t"St"S图5.14模糊PID控制下电动机输出转速曲线图5.15模糊PID控制下电动机输出转速差曲线图5.14为模糊PID同步协调控制下两台无刷直流电动机输出转速曲线；图5.15为 模糊PID同步协调控制下两台无刷直流电动机输出转速差曲线，其差值为电动机2输出转速减去电动机1输出转速。结合这两幅图可知，受到两台电动机初始负载转矩的影响，整个仿真过程中，两台电动机的输出转速始终略有差别、无法实现完全一致性。电动机1上突增负载转矩后，输出转速在0.0051s内迅速降至2670rpm;电动机2输出转速随之立即降至2775rpm。不算启动阶段514.5rpm的转速偏差，0.105s时两台电动机输出转速差最大，约为126rpm，小于规定的平地-楼梯两用轮椅安全行驶转速差阈值210rpm。但是启动阶段转速差514.5rpm远大于210rpm，因此为确保平地-楼梯两用轮椅的安全行驶，进一步将模糊PID控制器改换为模糊-PID双模态控制器。5.2.4模糊-PID双模态控制5.2.4.1模糊-PID双模态控制原理模糊-PID双模态控制的设计理念为开关控制，结构原理图如图5.16所示。通常在系统过渡过程的初始和中期阶段控制系统采用模糊控制方式，充分利用其响应速度快的优点；而在系统即将进入稳定状态时采用PID控制方式，消除系统的稳态误差。这种控制方式结构简单，实时性好且响应速度快，消除稳态误差能力强。但若切换点选取不当，两者切换时容易产生高频“毛刺”，严重影响系统的控制效果。—?模糊控制器1—?被控对象~^-“JPID调节器~I图5.16模糊-PID双模态控制结构原理图5.2.4.2仿真结果模糊-PID双模态控制中根据系统的具体运行情况，补偿器自动实现模糊PID与PID之间的切换，当转速差值较大时采用模糊PID控制，转速差较小时采用PID控制，从而56 论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计实现在减小系统转速差波动的同时，提高系统的响应速度和同步协调控制精度[5()]。为了尽量消除系统稳态时的转速差，选定lrpm为转速差阈值。当转速差小于lrpm时，补偿器采用PID同步协调控制；当转速差大于等于lrpm时，补偿器自动切换到模糊PID同步协调控制。搭建如图5.17所示的模糊-PID双模态控制的转矩耦合同步协调控制仿真模型。i?>?1*it?2?咖30DC—,lsKSted,i：|"“^I。k-r-ffl—^~14=*I|3把1Slec2，peB—f-(>uy*o-?— j=n—HTLnAkiw“—I~*J]_(-U|~|1-HQ—K|—?*CI—Mis^—W-K-^■?I1I^4^rccuC.1■t__[41…BLDCccnrcCII1-?au"=-.LI<1,1“■‘IPurs",105"C.-\I"rf...■HDeT.af."eKecCofrrol*""w"“^x」S二：cor>tren9-tfd1"。一K;tnbd""S-?U-5CtKX>I ■KS1图5.17模糊-PID双模态控制的转速同步协调控制仿真模型 设定仿真条件与PID同步协调控制仿真条件一致，设置仿真模型中相关量化因子、参数，得到如图5.18?图5.21所示的仿真结果。模糊-P丨D双横态控制下两台无蒯直滴电动机输出荇矩曲线模糊-PID协调控制T两台无蒯直流电动机输出铐矩差曲线35111111111110r111111111JflJ./L一,V;;i丨佛魔燃hM；.05.)-！25-"v|：!5ZmJ032-^:_洎毒：：:"+.s1131"15"ifI^WWVWWWAW霞”:/-1fU.I-‘-[……电动机2电动机101iiiiiiiI1.2AIiiiiiiiii 000200400600301012014016018020020040060080101201401601802t"sts图5.18模糊-PID控制下电动机输出转矩曲线图5.19模糊-PID控制下电动机输出转矩差曲线图5.18为模糊-PID双模态控制下两台无刷直流电动机输出转矩曲线，图5.19为模糊-PID双模态控制下两台无刷直流电动机输出转矩差曲线，其差值为电动机2输出转矩减去电动机1输出转矩。结合这两幅图可知，相比于PID协调控制，模糊-PID双模态控制下两台电动机的启动性能差别更小；相比于模糊PID协调控制，模糊-PID双模57论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计总结与展望为便于老年人与下肢残障人士自尊自立自由的出行，本着以人为本的价值观念，在学习分析、归纳总结国内外助行轮椅的基础上，结合我国基本国情，以一种己获国家专利的平地-楼梯两用轮椅为研究对象，从机械结构、运动学模型、外界环境感知系统、驱动控制系统等方面进行了详细的研究分析，并设计了驱动控制系统的软件程序。本文围绕平地-楼梯两用轮椅进行的主要工作与研究成果如下：(1)在归纳总结国内外各类助行轮椅优缺点的基础上，给出一种平地-楼梯两用的爬楼梯轮椅装置。(2)根据平地-楼梯两用轮椅的机械结构尺寸，确定爬楼梯机构中小轮的初始位置角度、适宜的楼梯台阶高度范围及轮椅在楼梯段转向平台上的速度限制。为节省有限的 车身空间容量，结合轮椅采用的后轮驱动方式和电子差速转向，设计平地-楼梯两用轮椅的总体驱动控制系统方案。(3)依照平地-楼梯两用轮椅特殊的爬楼机理，确定外界环境感知系统在轮椅控制系统中的主要作用为获取精确的楼梯台阶高度尺寸。介于轮椅较高的性价比和只需采用常见的专用测距传感器测距，仿真试验了基于模糊推理原理的多超声波传感器信息融合算法。为进一步提高融合结果的精确度，改进系统为基于数据在线自适应加权融合的多超声波传感器、红外测距传感器信息融合。(4)为保证平地-楼梯两用轮椅各项性能并减轻其自身重量，选用无刷直流电动机为轮椅爬楼梯机构的驱动电机。分析载重对驱动电机调速系统转动惯量和负载转矩的影响，并在MATLAB/SIMULINK环境下对无刷直流电动机控制系统进行建模与仿真。综合考虑平地-楼梯两用轮椅变负载、变惯量时都必须具备良好的自我调节能力，进一步改进系统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，仿真验证其优越的抗扰性能。(5)由于平地-楼梯两用轮椅采用电子差速转向，为保证轮椅行驶的安全性，轮椅的驱动电机必须具有较高的同步性。根据电子差速转向的特性，确定双电动机同步性性能指标，以该性能指标为标准，综合比较了基于PID的双电动机转矩耦合同步协调控制、基于模糊PID的双电动机转矩耦合同步协调控制和基于模糊-PID双模态控制的双电动机同步协调控制的控制效果，仿真结果表明基于模糊-PID双模态控制的控制效果最好。(6)以DSP芯片TMS320F28335为处理器，在CCS3.3开发环境下，完成基于数据在线加权融合的多超声波传感器、红外测距传感器信息融合软件编写并调试，以及无刷直流电动机调速系统的软件编写并调试。平地-楼梯两用轮椅系统较为复杂，涉及多个领域相关知识，理论上和实践上都必 59总结与展望硕士论文须进行严谨科学的分析验证与不断的完善，限于有限的时间和精力，进一步的研究应从以下几个方面着手：(1)平地-楼梯两用轮椅驱动控制系统共需要6台电动机，过多的电动机数量不仅大大增加了轮椅整车的重量，还不利于轮椅控制系统的综合控制，因此应从改善机械结构的角度考虑能否进一步减少电动机个数。(2)为确保轮椅在行进中仍能测量得到精确的楼梯台阶高度尺寸，外界环境感知系统今后研究的重要方向是，如何通过改良传感器安放位置或使用性价比更好的传感器进行测距，如何利用侧向传感器、陀螺仪等确保轮椅行驶过程中车身平稳。(3)无刷直流电动机控制系统和双电动机同步协调控制系统调试还需在不同环境和条件下进一步验证控制效果。60论文一种可独立操纵的平地-楼梯两用轮椅控制系统设计致谢至此论文完成之际，由衷的感谢从课题选定、幵题报告、设计方案的确定与实现到毕业论文的撰写始终给予我悉心指导的导师陈庆伟教授。导师渊博的学识、严谨的治学态度和富有启发性的建议，让我在学习和生活上都受益匪浅。感谢李胜老师和吴益飞老师在我每次遇到难题时给予的无私帮助。感谢刘娟秀学姐、吴颖学姐、丁潜学长在整个毕设过程中给予我的支持与帮助。非常感谢平地-楼梯两用轮椅设计团队成员周琪同学，一起进行毕设研究的过程中我们合理的分工协作、互相帮助、发挥着绝佳的合作默契，特别在软件调试阶段周琪同学给予了我莫大的帮助。 同时感谢同寝室的刘超、邵珠翠和实验室的高婧婷、周帆等同学，认识你们会是我一辈子的财富。特别感谢我的父母和家人，感谢他们一直以来对我的培养与教育，让我能一直健康快乐的成长。最后，向百忙之中审阅论文的各位专家、教授致以深深的谢意和崇高的敬意！615驱动控制系统设计硕士论文态控制下两台电动机输出转矩的毛刺更小。由此可以判定，模糊-PID双模态同步协调控制性能明显优于PID同步协调控制和模糊PID同步协调控制。棋糊-PID协调控制下两台无刷直该电动机输出拷速曲线摸糊-=>ID协调控制T两台无刷直?电动机输出砖速差曲线3500|,111,111121c|1‘11‘11113000..H|-?IcE2500I|"5C--￡■I^I2000-/-SisflS1600?； g90?I?1运II1^I货10。。■,|60"II.-?！|II|5。C..丨.霊3。JI*EoJ,:K,.IlJ1/iMMMAMAAMiW……电动机21>5。。1111111电机1.-3Q1111iiiii 00020040.06006C10120.140160130.20002004006008010120MC1601802t.s{"s图5.20模糊-PID控制下电动机输出转速曲线图5.21模糊-PID控制下电动机输出转速差曲线图5.20为模糊-PID双模态控制下两台无刷直流电动机的输出转速曲线；图5.21为模糊-PID双模态控制下两台无刷直流电动机的输出转速差曲线，其差值为电动机2输出转速减去电动机1输出转速。结合这两幅图可知，尽管两台电动机的初始负载转矩不 同，但是二者的启动性能差别不大，且均未出现超调的现象。O.ls时电动机1上突加的负载转矩，电动机1的输出转速先下降，随后恢复回稳定状态。受到补偿器中模糊PID或PID的同步协调控制，电动机2的输出转速迅速跟随电动机1的输出转速下降和恢复。不算启动阶段183rpm的转速偏差，0.104s时两台电动机的输出转速差值最大约为109.5rpm，远远小于转向阈值210rpm采用模糊-PID双模态控制时，两台电动机的最大输出转速差109.5rpm小于规定的平地-楼梯两用轮椅安全行驶转速差阈值210rpm，而且启动阶段转速差183rpm也小于210rpm,由此可知模糊-PID双模态控制同步协调性能较优越，系统的同步性精度较高，更适用于平地_楼梯两用轮椅的安全行驶。5.3本章小结本章首先根据电子差速转向工作原理确定平地-楼梯两用轮椅同步协调控制性能指标。然后分别采用基于PID的转矩耦合同步协调控制策略、基于模糊PID的转矩耦合同步协调控制策略及模糊-PID双模态控制策略对双电机进行同步协调控制，并通过MATLAB仿真比较控制效果得出模糊-PID双模态控制策略控制效果最佳。58参考文献硕士论文参考文献[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50096-2011,住宅设计规范[S][2]中华人民共和国国家统计局.第六次全国人口普查主要数据发布[R/OL]http://www.stats.gov.cn/[3]尹景燕，杨涛.老龄化与社会和谐发展一社区居家养老方式[习.河北联合大学学报，2013，1(1):10?14 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