[發明專利]一種基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制方法與裝置

在審

• 申請號: 201910920058.0
• 申請日: 2019-09-26
• 公開（公告）號: CN110716563A
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 王建軍;白崇岳;王田田;范媛媛;張薺勻;胡燕威;盧云鵬
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;A61G5/04;A61G5/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.本申請提出的一種基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制方法與裝置，其特征在于，基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制裝置包括以下組成部件：控制計算機（1），電動輪椅（2），IMU-GPS組合測量裝置（3），伺服驅動器（4），舵機x（5），舵機y（6），搖桿滑塊機構（7），激光雷達（8）；電動輪椅（2）包括轉向-速度操縱桿（21）、電動輪驅動器（22）、左電動輪（23）和右電動輪（24）；控制計算機（1）、IMU-GPS組合測量裝置（3）和激光雷達（8）均安裝在電動輪椅（2）上；伺服驅動器（4），舵機x（5），舵機y（6），搖桿滑塊機構（7）安裝在轉向-速度操縱桿（21）上，構成十字形平面運動機構；在控制計算機（1）中編制控制軟件調用電子地圖軟件，建立本地計算機與電子地圖之間的接口連接，在電子地圖中設定好起點與終點位置，通過距離最優計算方法，獲得規劃路徑，并提取出規劃路徑的位置經緯度值；根據電動輪椅（2）的當前位置與規劃路徑的位置，計算出電動輪椅（2）沿規劃路徑行進的最優軌跡，并獲得電動輪椅（2）可實現沿最優軌跡行進的控制方位角和速度值；控制計算機（1）通過串口2發送控制方位角和速度控制指令，提供給伺服驅動器（4），控制舵機x（5）和舵機y（6）帶動搖桿滑塊機構（7）控制轉向-速度操縱桿（21）的位置變化，轉向-速度操縱桿（21）是一個萬向搖桿，其前后位置變化控制電動輪椅（2）的速度，左右位置變化控制電動輪椅（2）的方位角轉向，進而通過電動輪驅動器（22）差動控制左電動輪（23）和右電動輪（24）的轉動速度，從而控制電動輪椅（2）按照期望的控制方位角和速度行進；電動輪椅（2）的實際控制方位角、位置和速度信息由IMU-GPS組合測量裝置（3）獲得并通過串口1提供給控制計算機（1）形成閉環反饋控制，提高對控制方位角和速度的控制精度；另外，電動輪椅（2）沿最優軌跡實際行進過程中，采用激光雷達（8）對電動輪椅（2）的周圍環境進行實時掃描，獲得激光點云，通過串口3傳輸給控制計算機（1），通過對相鄰激光掃描幀點云的配準和坐標轉換，構建周圍環境的三維地形圖，獲得道路周圍環境信息，并提取出前方障礙物的位置速度和方位信息，進而通過控制電動輪椅（2）的控制方位角和速度，實現實時避障控制。

2.按照權利要求1所述的一種基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制方法與裝置，其特征在于，規劃路徑由一系列時間間距相同的離散點組成，通過對各個離散點進行組合分析，將規劃路徑分為直線段和曲線段，并標記出各直線段與曲線段的轉折點進行順序編號；電動輪椅（2）的控制也分為直線行進控制與曲線行進控制兩種；在軌跡的每個段上，其切線方向與x軸之間的夾角為控制方位角，行進速度與該段的曲率有關，曲率為曲率半徑r的倒數，曲率越大，則速度越慢；直線行進控制時的控制方位角為零；曲線行進控制時控制方位角為常數且與曲率成正比；電動輪椅（2）實際位置由IMU-GPS組合測量裝置（3）獲得并輸出一個坐標點，當電動輪椅（2）的實際位置與最近的規劃路徑的轉折點位置在0.1m誤差內時，舍棄該點，開始下一個階段的行進控制，跟蹤下一個轉折點坐標，直到跟蹤到最后一個轉折點后停止跟蹤。

3.按照權利要求1所述的一種基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制方法與裝置，其特征在于，在轉向-速度操縱桿（21）上加裝兩個相互垂直的舵機x（5）和舵機y（6），在舵機x（5）和舵機y（6）的輸出軸上分別裝上一個L形的光軸搖桿：x軸搖桿（71）和y軸搖桿（72），并分別套上一個直列滾珠軸承：x軸直列軸承（73）和y軸直列軸承（74），另外在轉向-速度操縱桿（21）上套裝兩個直列滾珠軸承：操縱桿直列軸承y（75）和操縱桿直列軸承x（76），將舵機x（5）和舵機y（6）輸出軸上x軸搖桿（71）和y軸搖桿（72）分別與x軸直列軸承（73）和y軸直列軸承（74）采用橡皮筋垂直鉸接；當舵機x（5）和舵機y（6）轉動時，可驅動轉向-速度操縱桿（21）同時在前后和左右兩個方向自由轉動，實現對電動輪椅（2）的轉向方位角和前進速度的控制。

4.按照權利要求1所述的一種基于電子地圖給定軌跡的電動輪椅路徑跟蹤控制方法與裝置，其特征在于，在控制計算機（1）用VC++軟件編制控制界面程序對電子地圖進行調用和運行，在控制界面左側為MFC與HTML交互，加載OSM離線瓦片地圖，用鼠標點擊右鍵可設置起點和終點，然后點擊運行，軟件會自動在電子地圖上繪制出規劃路徑；在控制界面的右上方為IMU-GPS組合測量裝置（3）的數據采集工作區，在MFC中通過串口通信將IMU-GPS組合測量裝置（3）與MFC關聯起來，然后根據IMU-GPS組合測量裝置（3）的通信協議得到當前位置的GPS經緯度信息以及X、Y、Z軸的三軸加速度和歐拉角；在控制界面的右下方為舵機控制工作區，該區域主要功能是數據處理及控制信號發出，兩臺舵機相互垂直安裝在電動輪椅上，對電動輪椅的控制系統進行建模，當電動輪椅收到相應的控制轉動角度時，根據其控制系統傳遞函數，轉換為兩個舵機的轉動控制信號；同時，此區域也需要處理IMU-GPS組合測量裝置（3）收到的信息，與給定的規劃路徑進行比較分析，轉換為電動輪椅的轉向和速度控制信號；激光雷達（8）的數據采集與控制過程在程序啟動時就開始工作，在界面上無需操作指令。