自動(dòng)控制輪椅

自動(dòng)控制輪椅一、摘要為了方便老人出行，特此設(shè)計(jì)出該自動(dòng)控制輪椅。該自動(dòng)控制輪椅設(shè)有操縱桿來(lái)接受老人的輸入信號(hào)，操縱桿將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到比較計(jì)算單元，通過(guò)信號(hào)的處理，再送到執(zhí)行元件及被控對(duì)象，即兩個(gè)動(dòng)力輪和兩個(gè)方向輪，在這部分中，又將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成了機(jī)械信號(hào)。在該輪椅中，安裝有諸多傳感器，比如位移傳感器用來(lái)檢測(cè)前方是否有障礙，速度傳感器及加速度傳感器用來(lái)控制整體的速度和加速度不致過(guò)大等等。關(guān)鍵詞：傳感器，控制系統(tǒng)，輸入量，輸出量目錄TOC\o"1-3"\h\u一、摘要 1二、目錄 2三、正文 31.結(jié)構(gòu)圖 32.概述 33.操縱桿 44.執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控對(duì)象 44.1直流伺服電動(dòng)機(jī) 44.2液壓系統(tǒng) 55.傳感器 65.1超聲波傳感器 65.2電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器 75.3壓電式加速度傳感器 8四、結(jié)論 9五、參考文獻(xiàn) 9六、組員名單及分工 10三、正文1.結(jié)構(gòu)圖輸出量輸入量輸出量輸入量執(zhí)行比較計(jì)算被控對(duì)象操縱桿執(zhí)行比較計(jì)算被控對(duì)象操縱桿傳感器傳感器2.概述該自動(dòng)控制輪椅由控制系統(tǒng)，計(jì)算元件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及傳感器反饋和機(jī)械框架五部分組成?？刂葡到y(tǒng)主要是通過(guò)操縱桿從使用者中獲取輸入量，然后送給計(jì)算元件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再將處理結(jié)果送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)即左右兩個(gè)電機(jī)和方向控制輪，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。最后，通過(guò)位移傳感器，速度傳感器以及加速度傳感器的檢測(cè)，將檢測(cè)信號(hào)反饋到比較計(jì)算單元，重新算出控制信號(hào)。3.操縱桿該輪椅用于人機(jī)交互的界面僅僅是一個(gè)操縱桿。老人們可以通過(guò)操縱桿來(lái)控制輪椅的前進(jìn)、后退、剎車以及控制方向。操縱桿的基本原理是將塑料桿的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的電子信息。這種基本的設(shè)計(jì)包括一個(gè)安放在帶有彈性橡膠外殼的塑料底座上的操縱桿。在底座中操縱桿正下方位置裝有一塊電路板。電路板由一些“印刷線路”組成，并且這些線路連接到幾個(gè)接觸觸點(diǎn)。然后，從這些觸點(diǎn)引出普通電線連接到計(jì)算機(jī)。當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測(cè)到特定線路上的電流后，便會(huì)了解操縱桿當(dāng)前所處的位置需要接通相關(guān)的電路。向前推操縱桿將會(huì)閉合“前進(jìn)開關(guān)”，而向左推則會(huì)閉合“左移開關(guān)”，依次類推。在某些設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)還能在操縱桿閉合兩個(gè)開關(guān)時(shí)識(shí)別出對(duì)角線位置（例如，同時(shí)閉合前進(jìn)開關(guān)和左移開關(guān)意味著向左前方的對(duì)角線運(yùn)動(dòng)）。4.執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控對(duì)象4.1直流伺服電動(dòng)機(jī)該輪椅左右兩個(gè)動(dòng)力輪由兩個(gè)直流伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以下講一下直流伺服電機(jī)的工作原理及特性。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，電機(jī)功率有局限做不大。容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)不存在碳刷損耗的情況，效率很高，運(yùn)行溫度低噪音小，電磁輻射很小，長(zhǎng)壽命，可用于各種環(huán)境。4.2液壓系統(tǒng)方向的控制也是輪椅的必不可少的一個(gè)部分，此輪椅的前邊兩個(gè)控制方向的小輪由兩個(gè)小型液壓桿來(lái)控制，液壓桿可以用來(lái)接受來(lái)自執(zhí)行系統(tǒng)的信號(hào)，進(jìn)而將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成動(dòng)力信號(hào)，即前進(jìn)的方向。以下說(shuō)明一下液壓動(dòng)力桿的工作原理。液壓桿的工作主要依靠機(jī)油壓力、挺柱體與座孔間隙、氣門桿與挺柱間隙及挺柱內(nèi)止回球閥。液壓挺柱剛開始工作時(shí)，由于腔內(nèi)無(wú)油壓，故挺柱柱塞處在最底部，挺柱與氣門間隙較大，氣門產(chǎn)生短時(shí)異響。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在機(jī)油壓力的作用下，挺柱內(nèi)柱塞腔內(nèi)充注油液，柱塞下行，挺柱有效工作長(zhǎng)度增加，氣門間隙減小。由于挺柱內(nèi)柱塞所產(chǎn)生的力較小，不能產(chǎn)生壓縮氣門彈簧的力量，所以當(dāng)挺柱與氣門間隙達(dá)到很小時(shí)，挺柱不再運(yùn)動(dòng)。同時(shí)又因挺柱內(nèi)止回球閥的作用，挺柱柱塞腔內(nèi)的油壓不能迅速排出，使得柱塞保持在原位不動(dòng)并維持原有長(zhǎng)度形成剛性，從而推動(dòng)氣門打開。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，氣門間隙保持一定間隙。5.傳感器5.1超聲波傳感器該輪椅的一大特色便是可以自行檢測(cè)輪椅前方是否有障礙物，如果在規(guī)定距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)障礙物，輪椅便會(huì)迅速制動(dòng)，以防發(fā)生碰撞，而實(shí)現(xiàn)這一功能的元件便是超聲波距離傳感器。超聲波距離傳感器會(huì)檢測(cè)到前方是否有物體，一旦有的話，便會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)出反饋信號(hào)，即使輪椅停止運(yùn)動(dòng)。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。當(dāng)電壓作用于壓電陶瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電陶瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。5.2電渦流式轉(zhuǎn)速傳感器該轉(zhuǎn)速傳感器以及下節(jié)中的加速度傳感器是為了防止輪椅的速度、加速度過(guò)快給老人帶來(lái)不適。當(dāng)速度或加速度過(guò)快時(shí)，速度傳感器和加速度傳感器便會(huì)向控制系統(tǒng)發(fā)回負(fù)反饋信號(hào)，減弱操縱桿發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)，使速度或加速度迅速降低，保持在一定的范圍內(nèi)。如下圖，當(dāng)敏感線圈中通過(guò)交流電流時(shí)，線圈產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，附近如存在金屬物體（被測(cè)目標(biāo)），則會(huì)感應(yīng)出電渦流。電渦流的流動(dòng)方向與線圈中電流方向相反，因此會(huì)減小線圈內(nèi)的磁通量，即減小線圈的電感。電渦流同時(shí)還會(huì)耗散能量，因此會(huì)增加線圈的電阻。

如下圖，由于被測(cè)金屬體發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，也就使得探頭和被測(cè)體之間的距離發(fā)生了有規(guī)律性的變化，線圈阻抗也隨之周期性的變化，從而產(chǎn)生正比于轉(zhuǎn)速的電壓變化的頻率。其經(jīng)過(guò)檢波、濾波、脈沖轉(zhuǎn)換等電路處理后，最終的輸出為方波信號(hào)，且頻率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。旋轉(zhuǎn)體電渦流傳感器旋轉(zhuǎn)體電渦流傳感器5.3壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將圖中的支座與待測(cè)物剛性地固定在一起。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。

壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。四、結(jié)論在當(dāng)今老齡化日趨嚴(yán)重的中國(guó)，如何讓老人過(guò)的更加安逸將成為一個(gè)熱門話題，衣食住行將成為這個(gè)話題中的焦點(diǎn)。而在于行這一方面，本自動(dòng)控制輪椅可以完美的幫助老人安全舒適的出行，而且操作簡(jiǎn)便，為老人們解決了一大難題