智能电动轮椅控制系统的研究

摘要

智能电动轮椅作为移动机器人在医疗领域的一种应用形式，有着重要的社会意义和学术意义。面对人口老龄化日趋严重、意外伤害致残人数不断上升的社会现状，开发一款功能完善、运行可靠的智能电动轮椅，帮助老年人和残障人士恢复正常生活，回归社会，具有着深刻的社会意义。同时，智能电动轮椅综合了人工智能、电子计算机、控制科学、信息科学、机械科学、材料科学等多个学科，汇集了当今最尖端的技术，对其进行深入的研究，不仅可以加深学科的纵向深度，更为重要的是可以在多学科交叉融合方面获得突破，学术意义重大。
　　本课题从模块化的角度展开对智能电动轮椅的设计。整个系统分为机械模块、人机交互模块、运动模块、主控模块，各模块之间即相对独立又密不可分。机械模块是以普通轮椅为基础，通过加装电子设备而成。人机交互模块包含了摇杆、按钮和液晶显示屏，可以很好的满足用户的需求。运动模块是以直流无刷轮毂电机为核心，通过设计合理的控制方案，使轮椅实现平稳运行。主控模块是整个系统的灵魂，主控核心由STC12C5410AD-32单片机来担任，凭借其自身的丰富资源和完善的外围环境感知系统，主控模块可以出色完成对车体的控制任务。GPS定位和GSM通信以辅助功能的角色出现，提高了用户的安全系数和使用便捷程度。自动避障功能的是基于环境感知系统，以强化学习控制算法为理论依据实现的。
　　整体上看，本设计涵盖了机械设计、电子电路设计、传感器技术、软件设计、先进控制算法设计等多方面，构成了完整的智能电动轮椅设计。研究重点是在人机交互、运动机构、主控系统、自动避障四个方面。通过深入的研究，获得了理想效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及实际意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 课题意义

1．2 国内外研究现状及趋势

1．2．1 国外研究现状分析

1．2．2 国内研究现状分析

1．2．3 发展趋势

1．3 课题主要研究内容

第2章 智能电动轮椅系统模块化设计概述

2．1 机械模块

2．2 人机交互模块

2．3 运动模块

2．4 主控模块

2．5 本章小结

第3章 运动模块及其特性分析

3．1 移动机构分析

3．2 力学特性分析

3．2．1 动力分析

3．2．2 运动分析

3．3 动力设备分析

3．3．1 轮毂电机的特点分析

3．3．2 轮毂电机的运行特性

3．3 本章小结

第4章 主控模块的设计与分析

4．1 主控芯片

4．2 环境感知

4．2．1 超声波传感器

4．2．2 红外传感器

4．2．3 接触传感器

4．2．4 温度传感器

4．3 GPS定位与GSM通信

4．3．1 GPS定位

4．3．2 GSM通信

4．4 人机交互模块控制

4．4．1 摇杆部分

4．4．2 按钮部分

4．4．3 显示屏部分

4．5 运动模块控制

4．5．1 轮毂电机部分

4．5．2 电源部分

4．6 本章小结

第5章 智能电动轮椅控制系统的软件设计

5．1 系统软件设计总体方案

5．2 摇杆控制软件设计

5．3 单片机PWM输出软件设计

5．4 环境感知部分软件设计

5．5 GPS定位软件设计

5．6 GSM通信软件设计

5．7 本章小结

第6章 基于强化学习理论的自动避障设计

6．1 强化学习

6．1．1 原理与模型

6．1．2 组成要素

6．1．3 主要算法

6．2 神经网络

6．2．1 产生与发展

6．2．2 在机器人技术中的应用

6．3 控制算法设计

6．3．1 Saras学习算法

6．3．2 Elman网络

6．3．3 避障算法设计

6．4 仿真实验

6．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢