Development of M3S-Based Power Wheelchair Controller and Safety Feedback System

老年人或重度殘障者在電動輪椅操控上或反應上遠不及一般人，往往需要依靠看護或其他人的協助，才能避免一些不必要的危險發生，如可以發展一套具有安全回授系統之電動輪椅，將可以降低人為操作的疏忽，讓老年人或重度殘障者擁有更加獨立自主的行動力。 本系統利用感測器電路配合美國德州儀器公司所生產的TMS320LF2407A 數位信號處理器控制做為核心。此數位訊號負責辨識搖桿訊號能量大小，來控制馬達轉向與速度。超音波方面，本系統利用此感測器來偵測障礙物之距離，當後方有障礙物時，則不讓輪椅後退。在旋轉編碼器部分，主要是利用此裝置作為安全回授系統的信號來源，依照此訊號可將控制輪椅參數做調整，讓其輪椅空轉時，可以讓馬達降速，或者是不同體重者坐於輪椅上時，輪椅會做等速處理，以加強輪椅的安全性。 為了達到整合輔具於同一介面上，故使用M3S(Multiple Master Multiple slave)系統做為本系統的運作核心，藉由此方式可降低系統之複雜性，以提升此輪椅系統的安全性。The purpose of this study is to develop a safety feedback control system of a power wheelchair for the improvement of self-reliance in personal ambulation and the reduction of system errors due to operational faults. The core processor is a Texas Instrument TMS320LF2407A DSP (digital signal processor). The DSP reads the signal received from the joystick and carries out computations for the control of driving motors, both in direction and speed. An ultrasound module is used for the detection of obstacles in the rear side for safety. Optical encoders generate feedback signals in order to compensate the speed of the two motors by a PD control algorithm, which makes the speed of the power wheelchair independent of the weight load. This system is designed according to M3S (Multiple Master Multiple Slave) standards for a straightforward integration of additional modules and better expansion of a power wheelchair system.第一章 緒論 1 1.1 簡介 1 1.2 電動輪椅的介紹 2 1.3 研究背景 3 1.4 研究動機與目的 5 1.5 相關論文回顧 6 1.6 論文架構 8 第二章 多主多從系統(M3S) 9 2.1 M3S 背景 9 2.1.1 M3S系統沿革 9 2.1.2 M3S系統規格 10 2.1.3 M3S系統架構 11 2.2 M3S Bus 12 2.2.1 CAN Bus 13 2.2.2主要特點 13 2.2.3 CAN BUS資料框架 16 2.2.4 SAF Bus 17 2.2.5 POW Bus 18 第三章 系統架構與系統設計 19 3.1軟體開發設備 19 3.1.1 Code Composer Studio 2000(CCS 2000) 19 3.1.2 Visual basic 6.0 21 3.2.1 電動輪椅機構規格 23 3.2.2光學編碼器規格 24 3.3硬體開發平台 25 3.3.1數位訊號處理器 25 3.3.2單晶片89C51 26 3.4 系統簡介 28 3.5 馬達控制設計 30 3.5.1馬達動力規格 30 3.5.2馬達種類 32 3.5.3波寬調變（PWM）模組換器 34 3.6超音波安全回授裝置 38 3.6.1超音波定義 38 3.6.2超音波原理 39 3.6.3超音波感測器的種類與應用 40 3.6.4超音波感測器元件 41 3.6.5超音波安全回授裝置成果 42 3.7 旋轉編碼器安全回授裝置 45 3.7.1旋轉編碼器內部原理 45 3.7.2旋轉編碼器安全回授裝置之原理 47 3.7.3旋轉編碼器安全回授裝置成果 47 3.8數位控制器原理與設計 50 3.8.1搖桿裝置 50 3.8.2系統處理器 52 3.8.3類比轉數位轉換器 55 3.8.4波寬調便模組（pulse width modulation PWM） 61 3.8.5通用輸入輸出埠 65 3.8.6輸入與輸出裝置成果 66 3.9安全監控裝置(KEY Line與 DMS Line) 68 3.10 DSP軟體程式設計 70 3.10.1程式設計流程 70 3.10.2看門狗計時器 74 3.11系統電源偵測 75 3.11.1低電源偵測電路 75 3.11.2系統電源偵測成果 76 3.12輪椅記錄器 77 3.13電動輪椅控制模型 78 第四章 實驗結果 79 4.1 結論 79 4.1.1原地旋轉實驗 79 4.1.2直線測試實驗 81 4.1.3 Ｕ型路徑測試實驗一 86 4.1.4 Ｕ型路徑測試實驗二 88 第五章 總結 91 5.1 結論 91 5.2 未來展望 91 參考文獻 93 附錄 A 台灣人口年齡分佈與身心殘障者統計表 97 附錄 B 旋轉編碼器資料手冊 98 附錄 C M3S整合型計畫工作分配表 9