CN101592947B - 一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及控制方法，控制器包括主控制板、数据采集板、电机控制盒和无线通信模块；无线通信模块与主控制板连接并通信，数据采集板与主控制板连接，电机控制盒与主控制板连接。控制方法如下：(1)采集参数；(2)建立控制模型；(3)建立无线通信；(4)执行控制指令：将步骤(1)中采集的参数输入到步骤(2)中获得的控制模型中获得电动轮椅的运动参数；步骤(3)将电动轮椅的运动参数传递给无线传感网络，无线传感网络发出的语义指令控制电动轮椅的运动。该控制器设计方法降低了无线传感器网络中节点的运算负担，经济有效并满足无线传感器网络对电动轮椅的要求。

Description

一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及控制方法

技术领域

本发明涉及属于无线传感器网络和机器人技术领域，特别涉及一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是当今涉及多学科高度交叉的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术，现代计算机网络技术，嵌入式计算技术及分布式计算和控制技术等。分布于网络中的节点通过各种传感器对周围环境进行实时的感知和信息的采集，节点之间利用无线通信模块2进行协作，信息共享，知识融合，使用分布式计算和控制技术，对网络的下一步行为进行决策。无线传感器网络把物理环境和信息世界有机地融合在一起，大大地提高了认知环境能力，拓展了计算智能在现实环境中的应用。

Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于无线标记技术和BlueTooth之间的技术提案。Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。

电动轮椅是一种使用电力驱动的运动装置，广泛用于医院、疗养中心和老年社区等场所，为行动不便的人士提供了一种有效的代步工具。将电动轮椅用Zigbee技术接入无线传感器网络，可以利用网络的强大环境感知能力获取充分的导航信息，实现电动轮椅在环境中的自主运动，从而为使用者带来极大的方便。目前国内有关电动轮椅控制器设计的相关研究已经出现，部分解决了电动轮椅运动控制、人机交互方面的问题。2008年授予郭永吉等人的发明专利CN101214182“电动轮椅的方向速度控制装置”提出了一种电动轮椅方向速度控制装置的设计方案。该方案的重点在于给电动轮椅安装一种测量装置，用以测量电动轮椅运动过程中的扰动量并在控制器上加以校正，达到控制电动轮椅方向速度的目的。同年授予原魁等人的发明专利CN1830413“一种嵌入式智能电动轮椅控制***及方法”提出了一种电动轮椅智能控制***的设计方案，该方案使用超声波传感器检测环境中的障碍物信息，实现电动轮椅的避障智能。

发明内容

本发明的目的是提供一种Zigbee接入的电动轮椅控制器及方法。该控制器设计方法针对无线传感器网络这一特定环境，通过给电动轮椅安装无线通信模块2、传感器等装置，以Zigbee协议接入无线传感器网络并接收语义指令，在传感器的协助下实现电动轮椅的运动控制及避障等功能。

一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，所述控制器包括主控制板、数据采集板9、电机控制盒12和无线通信模块2；无线通信模块2与主控制板连接并通信，数据采集板9与主控制板连接，电机控制盒12与主控制板连接；在主控制板上还连接有左红外接近开关1、右红外接近开关3、第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7、第四超声波传感器8和电子罗盘11；在电机控制盒12还连接有左轮直流电机14和右轮直流电机15；左轮直流电机14通过左码盘13与数据采集板9连接，右轮直流电机15通过右码盘16与数据采集板9连接；左红外接近开关1、右红外接近开关3、第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7、第四超声波传感器8、电子罗盘11和数据采集板9采集到的电动轮椅运动参数输入到主控制板，主控制板通过输出指令调整左轮直流电机14和右轮直流电机15的转速；在数据采集板9上连接有陀螺仪，陀螺仪测量电动轮椅转动的角速率。

所述主控制板由CPU和在CPU周围设置的I2C接口、第一RS232接口18、第二RS232接口22、第一IO口17、第二IO口19和SPI总线20构成。

(1)采集参数：左红外接近开关1和右红外接近开关3检测电动轮椅周围的障碍物；第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7和第四超声波传感器8测量电动轮椅与周围的障碍物的距离；电子罗盘11测量电动轮椅的绝对朝向；数据采集板9采集左轮直流电机14和右轮直流电机15的转速；

(2)建立控制模型：先建立两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型，再建立直流电机数学模型，最后结合两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型与直流电机数学模型获得电动轮椅的控制模型；

(3)建立无线通信：无线通信模块2与主控制板连接，主控制板通过无线通信模块2接入无线传感网络，无线通信模块2将无线传感网络发出的语义指令转发给主控制板，主控制板解析语义指令并驱动左轮直流电机14和右轮直流电机15转动，从而控制电动轮椅的运动；

(4)执行控制指令：将步骤(1)中采集的参数输入到步骤(2)中获得的控制模型中获得电动轮椅的运动参数；步骤(3)将电动轮椅的运动参数传递给无线传感网络，无线传感网络发出的语义指令控制电动轮椅的运动。

所述步骤(2)按照以下步骤：

(A)两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型

两轮差动驱动电动轮椅的两个后轮为驱动轮，各用一个直流电机驱动；另外两个前轮为从动轮，支撑电动轮椅并跟随后轮运动；M为电动轮椅的总质量，J为电动轮椅总的转动惯量，r为驱动轮半径，l为驱动轮间距的一半，f₁，f₂为左右驱动轮的驱动力，v₁，v₂为左右驱动轮的线速度，F为电动轮椅的合成推力，τ为电动轮椅的转矩，v为电动轮椅的合成速度，ω为电动轮椅的合成角速度。根据动力学公式，下列关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}F=f_1+f_2\\ \mathrm{\τ}=l(f_1-f_2)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=v+\mathrm{l\ω}\\ v_2=v-\mathrm{l\ω}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}M\stackrel{\·}{v}=F=f_1+f_2\\ J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\mathrm{\τ}=l(f_1-f_2)\end{array}\right.$

(B)直流电机数学模型

电动轮椅的后轮由直流电机驱动；其中，减速箱减速g＜1，

为第i个直流电机转速，k_m为直流电机机电常数，k_e为直流电机电磁常数，E_ai为第i个直流电机电动势，R_a为直流电机电枢电阻，I_i为第i个直流电机电枢电流，u_i为第i个直流电机电枢电压；由直流电机原理，驱动轮上的驱动力为：

$f_i=\frac{1}{\mathrm{rg}}\·k_m{I}_i$

驱动轮的线速度可推导如下：

(C)电动轮椅的控制方程

由步骤一(A)和(B)可得，

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1+f_2=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1+u_2)-2\frac{k_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}v\\ f_1-f_2=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1-u_2)-2\frac{{\mathrm{lk}}_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}\mathrm{\ω}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}M\stackrel{\·}{v}+2\frac{k_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}v=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1+u_2)\\ J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+2\frac{l^2{k}_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{lk}}_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1-u_2)\end{array}\right.$

即，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{r^2{g}^2{R}_{a}M}{{2k}_e{k}_m}\stackrel{\·}{v}+v=\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}(u_1+u_2)\\ \frac{r^2{g}^2{R}_{a}J}{{2l}^2{k}_e{k}_m}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{rg}}{{2\mathrm{lk}}_e}(u_1-u_2)\end{array}\right.$

$T\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{v}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}v\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{u}}_1\\ {\stackrel{\→}{u}}_2\end{array}\right]$

其中，

为左右电机电枢电压之和，为左右电机电枢电压之差，T为控制方程输出向量系数，T₁、T₂为T的分量，K为控制方程输入向量系数，K₁、K₂为K的分量。

${\stackrel{\→}{u}}_1=u_1+u_2$

${\stackrel{\→}{u}}_2=u_1-u_2$

$T=\left[\begin{array}{cc}{T}_1& 0\\ 0& T_2\end{array}\right]=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\left[\begin{array}{cc}M& 0\\ 0& J/l^2\end{array}\right]$

$K=\left[\begin{array}{cc}{K}_1& 0\\ 0& K_2\end{array}\right]=\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1/l\end{array}\right]$

由上述推导可知，可以通过控制电动轮椅线速度v，

控制电动轮椅角速度ω；

(D)控制方程参数的测定

由电机和电动轮椅的参数可知：

$K_1=\frac{v_1}{u_1}$

$K_2=\frac{K_1}{l}$

$T_1=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\·M=2\left(\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}\right)\left(\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_m}\right)R_{a}M=2{\left(K_1\right)}^2{R}_{a}M$

$T_2=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\·\frac{J}{l^2}=2{\left(K_1\right)}^2{R}_a\frac{J}{l^2}.$

本发明电动轮椅的控制器设计方法降低了无线传感器网络中节点的运算负担，经济有效并满足无线传感器网络对电动轮椅的要求。

附图说明

图1本发明电动轮椅的控制***电路框图。

图2本发明电动轮椅动力学模型。

图3本发明电动轮椅的直流电机电枢电路。

图4本发明无线传感器网络下的电动轮椅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，所述控制器包括主控制板、数据采集板9、电机控制盒12和无线通信模块2；无线通信模块2与主控制板连接并通信，数据采集板9与主控制板连接，电机控制盒12与主控制板连接；在主控制板上还连接有左红外接近开关1、右红外接近开关3、第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7、第四超声波传感器8和电子罗盘11；在电机控制盒12还连接有左轮直流电机14和右轮直流电机15；左轮直流电机14通过左码盘13与数据采集板9连接，右轮直流电机15通过右码盘16与数据采集板9连接；左红外接近开关1、右红外接近开关3、第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7、第四超声波传感器8、电子罗盘11和数据采集板9采集到的电动轮椅运动参数输入到主控制板，主控制板通过输出指令调整左轮直流电机14和右轮直流电机15的转速；在数据采集板9上连接有陀螺仪，陀螺仪测量电动轮椅转动的角速率。所述主控制板由CPU和在CPU周围设置的I2C接口、第一RS232接口18、第二RS232接口22、第一IO口17、第二IO口19和SPI总线20构成。

(1)采集参数：左红外接近开关1和右红外接近开关3检测电动轮椅周围的障碍物；第一超声波传感器4、第二超声波传感器5、第三超声波传感器7和第四超声波传感器8测量电动轮椅与周围的障碍物的距离；电子罗盘11测量电动轮椅的绝对朝向；数据采集板9采集左轮直流电机14和右轮直流电机15的转速；

(2)建立控制模型：先建立两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型，再建立直流电机数学模型，最后结合两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型与直流电机数学模型获得电动轮椅的控制模型；

(3)建立无线通信：无线通信模块2与主控制板连接，主控制板通过无线通信模块2接入无线传感网络，无线通信模块2将无线传感网络发出的语义指令转发给主控制板，主控制板解析语义指令并驱动左轮直流电机14和右轮直流电机15转动，从而控制电动轮椅的运动；

(4)执行控制指令：将步骤(1)中采集的参数输入到步骤(2)中获得的控制模型中获得电动轮椅的运动参数；步骤(3)将电动轮椅的运动参数传递给无线传感网络，无线传感网络发出的语义指令控制电动轮椅的运动。

步骤一的具体处理方式：

(A)传感器的加入

两轮差动驱动的电动轮椅执行无线传感器网络发出的语义指令和避障需要获取自身运动状态和环境中障碍物的距离及形状等信息。使用如下传感器扩充电动轮椅的感知能力：采用码盘测量电动轮椅驱动轮的转速，进而可以计算出电动轮椅的线速度和角速度；采用超声波传感器测量电动轮椅与周围障碍物的距离；采用红外接近开关快速检测电动轮椅周围突然出现的障碍物；采用陀螺仪测量电动轮椅转动的角速率；采用电子罗盘11测量电动轮椅的绝对朝向。

码盘与电动轮椅驱动轮的直流电机同轴安装，此时测得的码盘计数需要经过变速箱的变速比换算成驱动轮的转速。超声波传感器安装在电动轮椅的侧面，可以获取电动轮椅侧面离墙面的距离并可据此推算出墙面的突变，这些数据可以用于电动轮椅自主沿墙行走。红外接近开关安装在电动轮椅的前后，检测电动轮椅运动过程中突然出现的障碍物。作为电动轮椅角速率测量备份器件，陀螺仪可以在电动轮椅打滑导致码盘失效的情况下发挥作用。电子罗盘11可以测量电动轮椅的绝对朝向，防止角度误差积累。

(B)无线通信模块2的加入

电动轮椅使用无线通信模块2接入无线传感器网络，无线通信模块2采用CC2420作为射频收发器件，以实现对Zigbee协议的支持。无线通信模块2接收网络发出的语义指令，并将其转发给电动轮椅的控制***。控制***将语义指令解析，在传感器的协助下执行。

下面将详细叙述步骤二的具体处理方式：

(A)主控电路实现

主控电路板通过第一RS232接口18和无线通信模块2相连，此模块与无线传感器网络通信并将收到的语义指令转发给主控电路板。主控电路板接收传来的语义指令信息，并集中处理超声波传感器、电子罗盘11、红外接近开关以及传感器数据采集板9获取的数据，控制电动轮椅运动。主控制电路板包括如下几个部分：主控制芯片电路的CPU采用Atmega128即可满足要求；超声波传感器接口电路，使用I2C接口；电子罗盘11接口电路，使用第二RS232接口22；无线通信模块2接口电路，使用第一RS232接口18；红外接近开关接口电路，根据红外接近开关的个数，占用主控制芯片不同的IO口；数据采集接口电路，使用SPI总线20。

(B)数据采集电路实现

数据采集电路可以缓解主控制电路的负担。数据采集板9对码盘的脉冲信号进行计数同时将陀螺仪的模拟输出信号数值化，最后将采集到的数据通过SPI总线发送给总控制电路。

参见图1。

下面将详细叙述步骤三的具体处理方式：

(A)两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型

两轮差动驱动是目前电动轮椅使用得最为普遍的一种驱动方式。两轮差动驱动电动轮椅的两个后轮为驱动轮，各用一个直流电机驱动。另外两个前轮为从动轮，支撑电动轮椅并跟随后轮运动。参见图2，其为两轮差动驱动电动轮椅的动力学示意图，M为电动轮椅的总质量，J为电动轮椅总的转动惯量，r为驱动轮半径，l为驱动轮间距的一半，f₁，f₂为左右驱动轮的驱动力，v₁，v₂为左右驱动轮的线速度，F为电动轮椅的合成推力，τ为电动轮椅的转矩，v为电动轮椅的合成速度，ω为电动轮椅的合成角速度。根据动力学公式，下列关系成立：

$\left\{\begin{array}{c}F=f_1+f_2\\ \mathrm{\τ}=l(f_1-f_2)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_1=v+\mathrm{l\ω}\\ v_2=v-\mathrm{l\ω}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}M\stackrel{\·}{v}=F=f_1+f_2\\ J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\mathrm{\τ}=l(f_1-f_2)\end{array}\right.$

(B)直流电机数学模型

电动轮椅的后轮由直流电机驱动。直流电机的电路参见图3所示。其中，减速箱减速g＜1，

为第i个直流电机转速，k_m为直流电机机电常数，k_e为直流电机电磁常数，E_ai为第i个直流电机电动势，R_a为直流电机电枢电阻，I_i为第i个直流电机电枢电流，u_i为第i个直流电机电枢电压，

表示对v进行求导。由直流电机原理，驱动轮上的驱动力为：

$f_i=\frac{1}{\mathrm{rg}}\·k_m{I}_i$

驱动轮的线速度可推导如下：

(C)电动轮椅的控制方程

由步骤一(A)和(B)可得，

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1+f_2=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1+u_2)-2\frac{k_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}v\\ f_1-f_2=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1-u_2)-2\frac{{\mathrm{lk}}_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}\mathrm{\ω}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}M\stackrel{\·}{v}+2\frac{k_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}v=\frac{k_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1+u_2)\\ J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+2\frac{l^2{k}_m{k}_e}{r^2{g}^2{R}_a}\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{lk}}_m}{\mathrm{rg}{R}_a}(u_1-u_2)\end{array}\right.$

即，

$\left\{\begin{array}{c}\frac{r^2{g}^2{R}_{a}M}{{2k}_e{k}_m}\stackrel{\·}{v}+v=\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}(u_1+u_2)\\ \frac{r^2{g}^2{R}_{a}J}{{2l}^2{k}_e{k}_m}\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}+\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{rg}}{{2\mathrm{lk}}_e}(u_1-u_2)\end{array}\right.$

$T\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{v}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}v\\ \mathrm{\ω}\end{array}\right]=K\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{u}}_1\\ {\stackrel{\→}{u}}_2\end{array}\right]$

其中，

${\stackrel{\→}{u}}_1=u_1+u_2$

${\stackrel{\→}{u}}_2=u_1-u_2$

$T=\left[\begin{array}{cc}{T}_1& 0\\ 0& T_2\end{array}\right]=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\left[\begin{array}{cc}M& 0\\ 0& J/l^2\end{array}\right]$

$K=\left[\begin{array}{cc}{K}_1& 0\\ 0& K_2\end{array}\right]=\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1/l\end{array}\right]$

由上述推导可知，可以通过

控制电动轮椅线速度v，控制电动轮椅角速度ω。

(D)控制方程参数的测定

由电机和电动轮椅的参数可知：

$K_1=\frac{v_1}{u_1}$

$K_2=\frac{K_1}{l}$

$T_1=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\·M=2\left(\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_e}\right)\left(\frac{\mathrm{rg}}{{2k}_m}\right)R_{a}M=2{\left(K_1\right)}^2{R}_{a}M$

$T_2=\frac{r^2{g}^2{R}_a}{{2k}_e{k}_m}\·\frac{J}{l^2}=2{\left(K_1\right)}^2{R}_a\frac{J}{l^2}.$

下面将详细叙述步骤四的具体处理方式：

(A)Zigbee接入

参见图4，电动轮椅使用无线通信模块2的CC2420射频收发器以Zigbee接入无线传感器网络。无线传感器网络使用Zigbee协议通信，网络中的每一个节点都被分配一个16位的MAC地址。作为无线传感器网络中的一个节点，电动轮椅在网络中拥有一个独一无二的物理地址。物理地址的位数限制了网络中运行的电动轮椅的个数小于65536。

(B)语义指令的执行

无线传感器网络发出的语义指令主要有走直线、走弧线、沿墙走和停止4种。电动轮椅的控制***将语义指令解析，驱动直流电机转动，控制电动轮椅运动。语义指令的解析执行基于电动轮椅的控制模型。

走直线是电动轮椅运动控制的一种基本行为，同时它也是控制电动轮椅走弧线、沿墙走等的基础。走直线的实现主要依靠对电动轮椅转角的控制。可以用码盘测得直流电机的实时转速，用反馈控制的方式实现对转角的控制。两轮差动驱动电动轮椅走直线时两个轮子转过距离相等，控制电动轮椅使其运动过程中的转角为0即可使之沿直线行走。给定电动轮椅的线速度为v，对角度采用PD控制使其转角θ_d＝0。

走弧线可以在走直线的基础上发展出来。给电动轮椅一边的电机加上校正系数，控制电动轮椅走直线即可使电动轮椅沿弧线行走。弧线角度可以通过控制轮子走过的距离实现。

在较远的距离上，使电动轮椅行走轨迹为一段精确的直线是很困难的。如果能够利用电动轮椅周围的环境信息(如电动轮椅两侧的墙壁、障碍物等)，既可对障碍物进行适当的躲避，又能对电动轮椅的运动进行校正。在结构化的环境(如大楼等)中，当电动轮椅两侧为墙壁、木板等时，让电动轮椅沿着墙壁、木板等保持一定的间距行走，可以有效地校正其运动。电动轮椅在沿墙运动时，同墙面间既有角度误差也有位置误差，可以将这两个误差加权，统一折算成角度，然后控制电动轮椅走直线，即可实现电动轮椅沿墙走。将电动轮椅的线速度和角速度同时设为零时，电动轮椅停止。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，其特征在于：所述控制器包括主控制板、数据采集板(9)、电机控制盒(12)和无线通信模块(2)；无线通信模块(2)与主控制板连接并通信，数据采集板(9)与主控制板连接，电机控制盒(12)与主控制板连接；在主控制板上还连接有左红外接近开关(1)、右红外接近开关(3)、第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)、第四超声波传感器(8)和电子罗盘(11)；在电机控制盒(12)还连接有左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)；左轮直流电机(14)通过左码盘（13）与数据采集板(9)连接，右轮直流电机(15)通过右码盘(16)与数据采集板(9)连接；左红外接近开关(1)、右红外接近开关(3)、第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)、第四超声波传感器(8)、电子罗盘(11)和数据采集板(9)采集到的电动轮椅运动参数输入到主控制板，主控制板通过输出指令调整左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)的转速；在数据采集板(9)上连接有陀螺仪，陀螺仪测量电动轮椅转动的角速率；所述Zigbee接入是指将电动轮椅用Zigbee通信协议接入到无线传感器网络中。

2.根据权利要求1所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器，其特征在于：所述主控制板由CPU和在CPU周围设置的I2C接口、第一RS232接口(18)、第二RS232接口(22)、第一IO口(17)、第二IO口(19)和SPI总线(20)构成。

3.根据权利要求1所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器的控制方法，其特征在于：

(1)采集参数：左红外接近开关(1)和右红外接近开关(3)检测电动轮椅周围的障碍物；第一超声波传感器(4)、第二超声波传感器(5)、第三超声波传感器(7)和第四超声波传感器(8)测量电动轮椅与周围 的障碍物的距离；电子罗盘(11)测量电动轮椅的绝对朝向；数据采集板(9)采集左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)的转速；

(2)建立控制模型：先建立两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型，再建立直流电机数学模型，最后结合两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型与直流电机数学模型获得电动轮椅的控制模型；

(3)建立无线通信：无线通信模块(2)与主控制板连接，主控制板通过无线通信模块(2)接入无线传感网络，无线通信模块(2)将无线传感网络发出的语义指令转发给主控制板，主控制板解析语义指令并驱动左轮直流电机(14)和右轮直流电机(15)转动，从而控制电动轮椅的运动；

(4)执行控制指令：将步骤(1)中采集的参数输入到步骤(2)中获得的控制模型中获得电动轮椅的运动参数；步骤(3)将电动轮椅的运动参数传递给无线传感网络，无线传感网络发出的语义指令控制电动轮椅的运动。

4.根据权利要求3所述一种Zigbee接入的电动轮椅控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)按照以下步骤：

(1)两轮差动驱动电动轮椅的动力学模型

两轮差动驱动电动轮椅的两个后轮为驱动轮，各用一个直流电机驱动；另外两个前轮为从动轮，支撑电动轮椅并跟随后轮运动；M为电动轮椅的总质量，J为电动轮椅总的转动惯量，r为驱动轮半径，l为驱动轮间距的一半，f₁，f₂为左右驱动轮的驱动力，v₁，v₂为左右驱动轮的线速度，F为电动轮椅的合成推力，τ为电动轮椅的转矩，v为电动轮椅的合成速度，ω为电动轮椅的合成角速度。根据动力学公式，下列关系成立：

(2)直流电机数学模型

电动轮椅的后轮由直流电机驱动；其中，减速箱减速g＜1， 

为第i个直流电机转速，k_m为直流电机机电常数，k_e为直流电机电磁常数，E_ai为第i个直流电机电动势，R_a为直流电机电枢电阻，I_i为第i个直流电机电枢电流，u_i为第i个直流电机电枢电压， 

表示对v进行求导；由直流电机原理，驱动轮上的驱动力为：

驱动轮的线速度可推导如下：

(3)电动轮椅的控制方程

由步骤一(A)和(B)可得，

即， 

其中，

由上述推导可知，可以通过 

控制电动轮椅线速度v， 

控制电动轮椅角速度ω；

(4)控制方程参数的测定

由电机和电动轮椅的参数可知：

其中， 

为左右电机电枢电压之和， 

为左右电机电枢电压之差，T为控制方程输出向量系数，T₁、T₂为T的分量，K为控制方程输入向量系数，K₁、K₂为K的分量。 

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