基于FPGA的双轴自平衡监护系统

摘 要 本文设计了一个双轴自平衡监护系统。轮椅主体采用Altera公司Cyclone II系列FPGA作为系统的控制核心。利用高灵敏的姿态传感器来检测轮椅的俯仰和轨迹状态，通过FPGA计算，输出控制信号驱动电机控制轮椅保持平衡。在安全监护方面，采用传感器监控用户及轮椅的安全状态，并通过蓝牙模块把实时信息和异常信息发送给用户手机上的管理软件；如发生异常情况用户手机上的管理软件发送报警短信给监护人。本文设计的双轴自平衡轮椅有稳定性高、安全性强等特点，具有较强的市场推广价值。

【关键词】FPGA 双轴自平衡 姿态传感器 蓝牙模块 管理软件

1 引言

众所周知，轮椅已成为了许多病人和老年人的不可或缺的工具，它不仅是一种代步工具，更重要的是用户可以借助轮椅锻炼身体和参与社会活动。传统的轮椅通过两个大轮和两个小轮来保持平衡，这样虽然可以在平地上平稳行进，但是在遇到上下坡和颠簸路面时则很难提供平稳舒适的用户体验；同时对于乘坐轮椅的弱势群体，在发生突发状况时他们往往无法应对，如没有及时得到救助可能会有生命危险，所以对于这个群体的监护是必不可少的。

本文提出了一种基于FPGA的双轴自平衡监护系统的设计方案，一则通过自平衡系统的特殊设计应对复杂路面的平衡问题，另一则通过监护软件实时监控用户的状态。该系统的主体采用双轴自平衡技术以维持轮椅的平衡，并加装安全监控装置，使监护人通过手机就可以实时了解用户的安全及位置信息。

2 系统总体设计方案

双轴自平衡监护系统主要由双轴自平衡轮椅和轮椅监护软件组成。系统框图如图1所示。

双轴自平衡轮椅的操作与一般的轮椅相同，其不同点是在座椅部分使用电机驱动的十字支撑的双轴来维持座椅的平衡状态；同时用户手机上的监护软件实时监控着轮椅的运行状态和使用者此时所处的地理位置。一旦轮椅出现故障或使用者主动按下报警按钮，轮椅监控软件就会将此时使用者所处的地理位置和出现的危险情况以短信的形式发送至监护人的手机上。并且监护人还可以通过向用户手机放松信息，得到老人当前所处的位置及轮椅的状态。

2.1 双轴自平衡原理

本系统中轮椅的自平衡主要由座椅下的十字支撑双轴的自平衡来保证，这需要使用两个步进电机、姿态传感器和主控制器协同完成。

已横轴为例，即保持座椅的纵向平衡。座椅下的横轴与一个步进电机的轴承直接相连，主控制器通过从姿态传感器传回的座椅的位置数据，产生控制信号驱动步进电机进行角度补偿来维持座椅纵轴方向的平衡。

当座椅出现前后偏移时，由姿态传感器来扑捉偏移量，通过串口传至主控制器，并申请中断处理信号，接收到中断信号，主控制器接收到座椅的偏移信息，并应用PID算法计算出控制信号驱动步进电机进行纵向的偏角补偿，从而维持座椅的前后平稳。座椅的横向平衡与此相同。

2.2 数字PID算法

数字式PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID控制算法。

2.2.1 位置式PID

位置PID算法是以T作为采样周期，k作为采样序号，则离散采样时间kT对应着连续时间t，用矩形法数值积分近似代替积分，用一阶后向差分近似代替微分，经过近似变换：可以得到离散的PID表达式为

（1）

其中Kp表示控制器的比例系数；k表示采样序号；uk表示第k次采样时刻的计算机输出值；ek表示第k次采样时刻输入的偏差值；ek-1表示第k-1次采样时刻输入的偏差值。

2.2.2 增量式PID

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量uk。增量式PID控制算法可以通过（式1）推导出。由（式1）可以得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：

（2）

将（式1）与（式2）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为：

（3）

由（式3）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（式3）求出控制量。

而位置式PID控制算法也可以通过增量式控制算法推出递推计算公式：

（4）

（式4）就是目前在计算机控制中广泛应用的数字递推PID控制算法，也是本文主要使用的算法。

3 双轴自平衡轮椅硬件系统设计

双轴自平衡轮椅的硬件系统主要包括，主控制器、姿态传感器、电机系统、蓝牙通信系统等。

3.1 主控制器

自平衡需要的硬件电路复杂度适中，数据计算量较复杂，如果进行最基本、最粗糙的自适应平衡，普通的单片机也能做到。但考虑到系统的实时性和高灵敏性，需要运行PID算法来调整车体状态，且要与手机进行通信。从系统性能和未来可改进空间上综合考虑选择使用Altera公司的Cyclone II系列的芯片EP2C50，主频50MHz。

3.2 姿态传感器

采用六轴姿态传感器模块，其中包含有高精度的陀螺加速度计MPU6050，且集成有姿态解算器，并配合动态卡尔曼滤波算法，能在动态环境下准确输出模块当前姿态，且输出直接为串口，波特率为115200，免去开发MPU6050的IIC协议，直接通过串口获取模块当前的姿态信息，方便的判断轮椅车体当前的状态。

3.3 电机系统

自平衡轮椅座椅下的十字支撑轴由两个减速步进电机控制控制。该步进电机为四相五线减速步进电机，驱动电压5V，步进角度为5.625*1/64，减速比为1/64。

直流电机和步进电机均使用电机驱动芯片L298N进行驱动。用该芯片可以驱动两个直流电机或一个步进电机，所以本系统中使用两个L298N。

3.4 蓝牙通信系统

自平衡轮椅与手机上的监护软件通信使用的是蓝牙，所以在主控FPGA上连接有HC-06蓝牙模块。该模块采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准；工作电压5V；波特率有八种可选，本系统中设定为115200；可与蓝牙笔记本、手机、PDA等设备无缝连接。

4 轮椅监护软件设计

本系统的轮椅监护软件是运行于手机上的客户端软件，具有蓝牙通信、GPS地理位置信息获取和短信监听、发送功能。蓝牙通信部分主要实现对轮椅发生意外时的报警和轮椅状态的监控；GPS部分则主要获取到当前手机的地理位置；短信部分则负责在发生突发事件时将地理位置信息、报警信息发送到监护人手机上，同时软件监听手机接收到的短信，如果监护人发来短信想获取使用者的位置，软件就将用户的地理位置发送给监护人。

4.1 建立蓝牙连接

监护软件使用蓝牙与双轴自平衡轮椅进行通信之前，首先要先建立起通信连接，保证双方已可以进行通信，然后才通过蓝牙进行通信。

如图3所示，建立蓝牙通信的过程可以分为五个步骤：

（1）获取手机默认的蓝牙适配器，它是蓝牙交互的入口点，利用它可以发现其它蓝牙设备，查询绑定了的设备，使用已知的MAC地址实例化一个蓝牙设备和建立一个蓝牙服务器端来监听来自其它设备的连接；

（2）开启蓝牙设备，这是建立通信的前提；

（3）搜索 “可见”的蓝牙设备，若设备可被发现，则返回设备的名字、MAC地址等信息；

（4）在上步中搜索到的蓝牙设备中选择要连接的设备，发起连接请求，如果双方已配对，则直接建立好连接；

（5）最后访问已经建立好的蓝牙连接的套接字，就可以进行通信了 。

4.2 地理位置信息获取

本系统的轮椅监护软件具有实时获取手机GPS地理位置信息的功能，开启软件之后，便自动开始获取GPS信息，每隔一段时间刷新一次。其获取流程如图4所示。

地理位置的获取，主要分为两种方式：GPS模块定位和WLAN、移动网络定位。我们主要采用移动网络进行定位，室内GPS无法获取到卫星信息，当在室外时开启GPS模块使用它进行定位。

通过上述两种方式获取到的地理位置信息包括经度、纬度、海拔等，在本软件中只获取经纬度，并通过获取到的经纬度解析为具体地址街道信息，这需要开启网络，所以在软件运行前要保证网络的顺畅。

4.3 短信监听与发送

在4.2中我们通过获取到了地理位置信息，这些信息保存在软件中。当轮椅发生意外或监护人发来请求时，软件通过短信将之前获取到的地理位置信息和报警信息发送给监护人。如图5所示为这部分的软件流程。

5 结语

本文设计的双轴自平衡轮椅能够有效的克服复杂路面环境，为用户提供良好的康复和社会环境，同时也能够为用户着想提供给用户了解自身身体状态信息。并且在发生特殊情况是告知用户监护人。总之，提供给了用户安全可靠和值得信赖的平台。

此外，本文所涉及的安全监控系统软件也可应用于手机对其它设备的监控上，应用前景广泛。

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作者单位

1.中国飞行试验研究院 陕西省西安市 710089

2.西安电子科技大学微电子学院 陕西省西安市 710071

3.安电子科技大学电子信息工程学院 陕西省西安市 710071