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1、-自动控制轮椅-第 9 页自动控制轮椅一、摘要 为了方便老人出行，特此设计出该自动控制轮椅。该自动控制轮椅设有操纵杆来接受老人的输入信号，操纵杆将位移信号转换成电信号送到比较计算单元，通过信号的处理，再送到执行元件及被控对象，即两个动力轮和两个方向轮，在这部分中，又将电信号转化成了机械信号。在该轮椅中，安装有诸多传感器，比如位移传感器用来检测前方是否有障碍，速度传感器及加速度传感器用来控制整体的速度和加速度不致过大等等。关键词：传感器，控制系统，输入量，输出量二、 目录三、正文1.结构图输出量输入量执行比较计算被控对象操纵杆传感器2.概述 该自动控制轮椅由控制系统，计算元件，执行机构以及传感器
2、反馈和机械框架五部分组成。控制系统主要是通过操纵杆从使用者中获取输入量，然后送给计算元件进行数据处理，再将处理结果送到执行机构即左右两个电机和方向控制轮，将电能转换为机械能。最后，通过位移传感器，速度传感器以及加速度传感器的检测，将检测信号反馈到比较计算单元，重新算出控制信号。3.操纵杆该轮椅用于人机交互的界面仅仅是一个操纵杆。老人们可以通过操纵杆来控制轮椅的前进、后退、刹车以及控制方向。操纵杆的基本原理是将塑料杆的运动转换成计算机能够处理的电子信息。这种基本的设计包括一个安放在带有弹性橡胶外壳的塑料底座上的操纵杆。在底座中操纵杆正下方位置装有一块电路板。电路板由一些“印刷线路”组成，并且这些
3、线路连接到几个接触触点。然后，从这些触点引出普通电线连接到计算机。当计算机检测到特定线路上的电流后，便会了解操纵杆当前所处的位置需要接通相关的电路。向前推操纵杆将会闭合“前进开关”，而向左推则会闭合“左移开关”，依次类推。在某些设计中，计算机还能在操纵杆闭合两个开关时识别出对角线位置（例如，同时闭合前进开关和左移开关意味着向左前方的对角线运动）。4.执行机构及被控对象4.1直流伺服电动机该轮椅左右两个动力轮由两个直流伺服电机来驱动，以下讲一下直流伺服电机的工作原理及特性。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本
4、身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。4.2液压系统方向的控制也是轮椅的必不可少的一个部分，此轮椅
5、的前边两个控制方向的小轮由两个小型液压杆来控制，液压杆可以用来接受来自执行系统的信号，进而将电信号转化成动力信号，即前进的方向。以下说明一下液压动力杆的工作原理。液压杆的工作主要依靠机油压力、挺柱体与座孔间隙、气门杆与挺柱间隙及挺柱内止回球阀。液压挺柱刚开始工作时，由于腔内无油压，故挺柱柱塞处在最底部，挺柱与气门间隙较大，气门产生短时异响。随着发动机的运转，在机油压力的作用下，挺柱内柱塞腔内充注油液，柱塞下行，挺柱有效工作长度增加，气门间隙减小。由于挺柱内柱塞所产生的力较小，不能产生压缩气门弹簧的力量，所以当挺柱与气门间隙达到很小时，挺柱不再运动。同时又因挺柱内止回球阀的作用，挺柱柱塞腔内的油
6、压不能迅速排出，使得柱塞保持在原位不动并维持原有长度形成刚性，从而推动气门打开。随着发动机的运转，气门间隙保持一定间隙。5.传感器5.1超声波传感器该轮椅的一大特色便是可以自行检测轮椅前方是否有障碍物，如果在规定距离内发现障碍物，轮椅便会迅速制动，以防发生碰撞，而实现这一功能的元件便是超声波距离传感器。超声波距离传感器会检测到前方是否有物体，一旦有的话，便会向控制系统发出反馈信号，即使轮椅停止运动。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振 动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的， 它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而 定
7、向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不 透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生 显着反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。 5.2电涡流式转速传感器该转速传感器以及下节中的加速度传感器是为了防止轮椅的速度、加速度过快给老人带来不适。
8、当速度或加速度过快时，速度传感器和加速度传感器便会向控制系统发回负反馈信号，减弱操纵杆发过来的信号，使速度或加速度迅速降低，保持在一定的范围内。如下图，当敏感线圈中通过交流电流时，线圈产生交变的磁场，附近如存在金属物体（被测目标），则会感应出电涡流。电涡流的流动方向与线圈中电流方向相反，因此会减小线圈内的磁通量，即减小线圈的电感。电涡流同时还会耗散能量，因此会增加线圈的电阻。 如下图，由于被测金属体发生了转动，也就使得探头和被测体之间的距离发生了有规律性的变化，线圈阻抗也随之周期性的变化，从而产生正比于转速的电压变化的频率。其经过检波、滤波、脉冲转换等电路处理后，最终的输出为方波信号，且频率与
9、转速呈线性关系。旋转体电涡流传感器5.3压电式加速度传感器压电式加速度传感器是基于压电晶体的压电效应工作的。某些晶体在一定方向上受力变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称为“压电效应”，具有“压电效应”的晶体称为压电晶体。实际测量时，将图中的支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时，支座与待测物以同一加速度运动，压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用，在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测
10、量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度。压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。四、结论 在当今老龄化日趋严重的中国，如何让老人过的更加安逸将成为一个热门话题，衣食住行将成为这个话题中的焦点。而在于行这一方面，本自动控制轮椅可以完美的帮助老人安全舒适的出行，而且操作简便，为老人们解决了一大难题。五、参考文献1.自动控制原理 程鹏主编 高等教育出版社2.信号与测试技术 闫蓓 杨波主编 北航出版社3.自动控制元件 刘向群主编 北航出版社4.液压与气压传动 李笑主编 国防工业出版社六、组员名单及分工李汉文 13031169 负责立意以及构思，传感器方面编写；黄亚丁 13031171 负责找材料和操纵杆，执行机构方面编写；池小楷 13031178 负责最后综合，细节的完善以及格式修改。