一种爬楼助行装置控制系统的设计与实现

摘要

我国老龄人口越来越多，同时还有大量因交通事故、工伤等导致的下肢残疾者。目前国内各大城市依然有很多没有电梯的多层楼房，而且大多数电动轮椅没有攀爬楼梯的功能。基于此，本文给出了一种爬楼助行装置控制系统的设计方案并对助行装置爬楼驱动电机的转速控制进行了深入研究。
　　本文首先介绍了助行装置的机械结构和其爬楼的原理与过程，设计了系统的总体控制方案，并对系统需要的传感器进行了选型。为了保证助行装置上下楼过程的平稳性和乘坐者的舒适性，设计了助行装置爬楼驱动电机的速度给定曲线。
　　针对助行装置在上下楼过程中有诸多不确定性因素，常规控制策略控制效果不佳的问题，建立了助行装置爬楼驱动系统的数学模型，设计了转速、电流双闭环控制系统，其中转速环采用模糊PID控制，电流环采用PI控制。同时搭建了助行装置爬楼驱动系统的Simulink仿真模型并进行了仿真实验。仿真结果表明:与转速环采用PID控制、电流环采用PI控制的系统相比，本文所用的方法能够获得更好的控制效果。
　　设计并实现了助行装置的软件系统，主要分为主控制模块和人机交互模块。主控制模块包括初始化模块、双闭环控制模块、台阶高度测量模块以及A/D转换模块;人机交互模块包括触摸屏界面编程模块及从设备串口通信模块。
　　介绍了助行装置硬件系统的搭建，并对重要模块进行了单独测试，主要包括DSP控制器最小系统电路、脉宽调制模块、爬楼驱动电机及其驱动电路、平地驱动电机及其驱动器和触摸屏串口通信。最后采用课题组设计的助行装置进行了上下楼试验，结果表明本文设计的控制系统和速度给定曲线能较好地满足系统要求，验证了助行装置运行的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 助行装置国内外研究现状

1．2．1 履带式

1．2．2 轮组式

1．2．3 腿式

1．2．4 复合式

1．3 助行装置控制系统研究现状及展望

1．4 本文的研究内容与结构安排

2 助行装置控制系统总体方案设计

2．1 机械结构及工作原理分析

2．1．1 机械结构分析

2．1．2 爬楼原理分析

2．2 控制系统总体设计方案

2．2．1 总体设计方案

2．2．2 爬楼驱动系统软件设计方案

2．3 传感器选型

2．3．1 倾角传感器

2．3．2 测距传感器

2．4 助行装置爬楼驱动电机速度给定曲线设计

2．4．1 某载人装置速度曲线分析

2．4．2 爬楼驱动电机速度给定曲线设计

2．5 本章小结

3 助行装置爬楼驱动系统控制器设计与仿真

3．1 爬楼驱动系统数学模型建立

3．2 模糊PID控制简介

3．3 模糊PID控制器设计

3．3．1 模糊PID控制器结构确定

3．3．2 变量模糊化及隶属度函数确定

3．3．3 模糊PID控制器控制规则设计

3．3．4 量化因子和比例因子确定

3．3．5 模糊决策和反模糊化

3．4 爬楼驱动系统仿真模型搭建

3．4．1 电机本体模块和逆变电路模块

3．4．2 逻辑换相模块

3．4．3 电流计算模块

3．4．4 电流PI控制器模块

3．4．5 转速模糊PID控制器模块

3．5 仿真结果分析

3．5．1 空载仿真结果

3．5．2 固定负载仿真结果

3．5．3 可变负载仿真结果

3．6 本章小结

4 助行装置软件系统的设计与实现

4．1 软件系统开发环境简介

4．2 软件系统总体设计及功能模块划分

4．3 TM320F28335主控制模块设计

4．3．1 主程序

4．3．2 脉冲宽度调制模块

4．3．3 A／D转换模块

4．3．4 台阶高度测量模块

4．3．5 换相与捕获中断模块

4．3．6 转速计算模块

4．3．7 转速电流控制算法模块

4．4 触摸屏人机交互模块

4．4．1 Modbus通信协议及传输方式简介

4．4．2 触摸屏界面编程模块

4．4．3 从设备串口通信模块

4．5 本章小结

5 实验平台搭建与系统调试

5．1 实验平台搭建

5．2 系统调试

5．2．1 DSP控制器最小系统电路测试

5．2．2 脉宽调制模块测试

5．2．3 电机及驱动电路测试

5．2．4 触摸屏串口通信测试

5．2．5 整体联合调试

5．3 本章总结

6 总结和展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文情况