[发明专利]一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置

权利要求书

1.本申请提出的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制装置包括以下组成部件：控制计算机（1），电动轮椅（2），IMU-GPS组合测量装置（3），伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7），激光雷达（8）；电动轮椅（2）包括转向-速度操纵杆（21）、电动轮驱动器（22）、左电动轮（23）和右电动轮（24）；控制计算机（1）、IMU-GPS组合测量装置（3）和激光雷达（8）均安装在电动轮椅（2）上；伺服驱动器（4），舵机x（5），舵机y（6），摇杆滑块机构（7）安装在转向-速度操纵杆（21）上，构成十字形平面运动机构；在控制计算机（1）中编制控制软件调用电子地图软件，建立本地计算机与电子地图之间的接口连接，在电子地图中设定好起点与终点位置，通过距离最优计算方法，获得规划路径，并提取出规划路径的位置经纬度值；根据电动轮椅（2）的当前位置与规划路径的位置，计算出电动轮椅（2）沿规划路径行进的最优轨迹，并获得电动轮椅（2）可实现沿最优轨迹行进的控制方位角和速度值；控制计算机（1）通过串口2发送控制方位角和速度控制指令，提供给伺服驱动器（4），控制舵机x（5）和舵机y（6）带动摇杆滑块机构（7）控制转向-速度操纵杆（21）的位置变化，转向-速度操纵杆（21）是一个万向摇杆，其前后位置变化控制电动轮椅（2）的速度，左右位置变化控制电动轮椅（2）的方位角转向，进而通过电动轮驱动器（22）差动控制左电动轮（23）和右电动轮（24）的转动速度，从而控制电动轮椅（2）按照期望的控制方位角和速度行进；电动轮椅（2）的实际控制方位角、位置和速度信息由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并通过串口1提供给控制计算机（1）形成闭环反馈控制，提高对控制方位角和速度的控制精度；另外，电动轮椅（2）沿最优轨迹实际行进过程中，采用激光雷达（8）对电动轮椅（2）的周围环境进行实时扫描，获得激光点云，通过串口3传输给控制计算机（1），通过对相邻激光扫描帧点云的配准和坐标转换，构建周围环境的三维地形图，获得道路周围环境信息，并提取出前方障碍物的位置速度和方位信息，进而通过控制电动轮椅（2）的控制方位角和速度，实现实时避障控制。

2.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，规划路径由一系列时间间距相同的离散点组成，通过对各个离散点进行组合分析，将规划路径分为直线段和曲线段，并标记出各直线段与曲线段的转折点进行顺序编号；电动轮椅（2）的控制也分为直线行进控制与曲线行进控制两种；在轨迹的每个段上，其切线方向与x轴之间的夹角为控制方位角，行进速度与该段的曲率有关，曲率为曲率半径r的倒数，曲率越大，则速度越慢；直线行进控制时的控制方位角为零；曲线行进控制时控制方位角为常数且与曲率成正比；电动轮椅（2）实际位置由IMU-GPS组合测量装置（3）获得并输出一个坐标点，当电动轮椅（2）的实际位置与最近的规划路径的转折点位置在0.1m误差内时，舍弃该点，开始下一个阶段的行进控制，跟踪下一个转折点坐标，直到跟踪到最后一个转折点后停止跟踪。

3.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，在转向-速度操纵杆（21）上加装两个相互垂直的舵机x（5）和舵机y（6），在舵机x（5）和舵机y（6）的输出轴上分别装上一个L形的光轴摇杆：x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72），并分别套上一个直列滚珠轴承：x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74），另外在转向-速度操纵杆（21）上套装两个直列滚珠轴承：操纵杆直列轴承y（75）和操纵杆直列轴承x（76），将舵机x（5）和舵机y（6）输出轴上x轴摇杆（71）和y轴摇杆（72）分别与x轴直列轴承（73）和y轴直列轴承（74）采用橡皮筋垂直铰接；当舵机x（5）和舵机y（6）转动时，可驱动转向-速度操纵杆（21）同时在前后和左右两个方向自由转动，实现对电动轮椅（2）的转向方位角和前进速度的控制。

4.按照权利要求1所述的一种基于电子地图给定轨迹的电动轮椅路径跟踪控制方法与装置，其特征在于，在控制计算机（1）用VC++软件编制控制界面程序对电子地图进行调用和运行，在控制界面左侧为MFC与HTML交互，加载OSM离线瓦片地图，用鼠标点击右键可设置起点和终点，然后点击运行，软件会自动在电子地图上绘制出规划路径；在控制界面的右上方为IMU-GPS组合测量装置（3）的数据采集工作区，在MFC中通过串口通信将IMU-GPS组合测量装置（3）与MFC关联起来，然后根据IMU-GPS组合测量装置（3）的通信协议得到当前位置的GPS经纬度信息以及X、Y、Z轴的三轴加速度和欧拉角；在控制界面的右下方为舵机控制工作区，该区域主要功能是数据处理及控制信号发出，两台舵机相互垂直安装在电动轮椅上，对电动轮椅的控制系统进行建模，当电动轮椅收到相应的控制转动角度时，根据其控制系统传递函数，转换为两个舵机的转动控制信号；同时，此区域也需要处理IMU-GPS组合测量装置（3）收到的信息，与给定的规划路径进行比较分析，转换为电动轮椅的转向和速度控制信号；激光雷达（8）的数据采集与控制过程在程序启动时就开始工作，在界面上无需操作指令。