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作者:張程皓 (2014-07-17);推薦:徐業良(2015-12-08)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所張程皓碩士論文「結合行動裝置之全向移動電動輪椅控制器開發」第五章。

第五章   全向移動電動輪椅移動控制策略

本章首先將說明全向移動電動輪椅在啟動、停止以及轉向時所進行的速度控制策略,接著描述全向移動電動輪椅在進行左右平移時,因為滑動摩擦力的關係所導致平移的不穩定現象所進行的速度補償策略,最後則是實驗測試評估。

5.1    啟動停止和轉向之速度控制策略

5-1所示為全向移動電動輪椅在進行移動時,速度控制策略的流程圖。首先電動輪椅控制器接收搖桿、感知推把訊號或是行動裝置App的遙控指令,包括移動方向和速度,並將其轉換成四輪不同之PWM訊號,分別控制四輪馬達運轉,以達成移動方向及期望速度。

當電動輪椅控制器判別目前全向移動電動輪椅的速度不等於期望速度時,則電動輪椅控制器便會進行梯形速度變化的加減速控制(如圖5-2),透過PWM訊號的遞增遞減演算來達到加減速的控制,目的在於減少全向移動電動輪椅在啟動、停止和轉向時的頓起頓停不舒適感。當電動輪椅控制器判別目前全向移動電動輪椅的速度等於期望速度時,全向移動電動輪椅便不會進行PWM訊號的遞增遞減演算,直接以判別的移動速度轉換成PWM訊號來控制馬達。

圖片2

5-1. 全向移動電動輪椅移動速度控制流程圖

5-2. 梯形速度變化示意圖

另外當全向移動電動輪椅要進行左右轉向時,電動輪椅控制器也會進行PWM訊號的遞增遞減演算,和啟動停止的速度控制不同的是,當進行左右轉向時是針對左右兩邊的馬達進行PWM訊號演算,將一邊的馬達轉速降低以達到差速轉向的目的;而當要從左右轉向調整為前進時,電動輪椅控制器也會進行PWM訊號的遞增遞減演算,讓四顆馬達的轉速皆達到一樣的轉速以達到前進的目的。

5.2    平移之速度補償策略

全向移動電動輪椅是採用四組獨立的馬達搭配全向輪來進行移動操控,然而全向移動電動輪椅在移動時,四組全向輪和地面所產生的滑動摩擦力皆不相同,導致實際轉速也不相同時,造成全向移動電動輪椅在移動過程中有偏移的現象發生,這現象在全向輪承受越高負載時會越嚴重。全向移動電動輪椅在進行平移時,完全依靠全向輪的自由滾子產生側向分力移動,此時全向輪承受極高的負載,導致全向移動電動輪椅在進行平移時,偏移的現象最為嚴重。

因此當全向移動電動輪椅進行平移時,電動輪椅控制器將會根據回傳的馬達即時轉速回饋資訊來進行速度補償控制,目的在於讓四顆馬達在平移過程中的轉速相同,以減少偏移的現象發生。而為了能夠擁有馬達即時轉速資訊,本研究自行設計馬達編碼器來計算實際轉速,並回傳至電動輪椅控制器中進行速度補償控制。

5.2.1   馬達編碼器和馬達轉速計算

本研究所使用的馬達規格如表5-1所示,齒輪比為25:1,當馬達輸出軸(全向輪)旋轉一圈時,馬達軸心將會旋轉25圈(如圖5-3),因此可以利用此硬體規格,將由3D印表機所列印出包含三個缺口的六角形且轉盤(如圖5-4)安裝在馬達頂端的軸心上(如圖5-5),同時搭配光遮斷式感測器(如圖5-6)來偵測六角形轉盤上的缺口,藉此來模擬為馬達編碼器,以取得實際馬達轉速。

當六角形轉盤旋轉一圈時,馬達輸出端(全向輪)則是旋轉14.4°,同時光遮斷式感測器將偵測到三個缺口,因此每當光遮斷式偵測到一個缺口時,馬達輸出端(全向輪)旋轉4.8°。藉由六角形轉盤的解析度(4.8°)和偵測轉盤上兩缺口之間的時間差,便可以換算出馬達輸出端(全向輪)的實際轉速。

5-1. 全向移動電動輪椅馬達規格

項目

規格

齒輪比

25:1

電壓/電流

DC24V/3.0A(MAX)

轉速

4700±150RPM

NOISE

65dB(MAX)

5-3. 當全向輪旋轉一圈時,馬達軸心旋轉25

5-4. 六角形encoder轉盤

5-5. 安裝在馬達軸心上的三缺口六角形轉盤

5-6. 光遮斷式感測器

5.2.2   以比例控制為基礎進行速度補償

在有關全向移動載具的移動控制研究中,許多研究採用模糊控制理論(Fuzzy Control)[Park et al. 2010; Shing et al. 2006] 或是PID控制理論[Tsai et al. 2011]。然而考量到全向移動電動輪椅的平移功能主要是提供乘坐者進行極短距離的碎動控制,並不需要進行長距離的移動,同時乘坐者本身可以不斷地藉由搖桿來進行修正,因此本研究僅以比例控制(Proportional control)的概念,進行全向移動電動輪椅平移時的速度補償控制。

比例控制最常用來控制當前的行為反應,根據即時反應所產生的誤差值來進行補償控制,藉由一個比例常數Kp來進行補償,因此是PID控制中最簡單且直觀的控制方式。比例控制當中誤差值是即時反應的輸出值和參考基準之間的比較值,以紅外線循跡車為例,參考基準為地面上的軌跡線,即時反應是判斷紅外線循跡車是否處在軌跡線上,而比例控制便會依據這兩者之間的誤差值進行補償,讓紅外線循跡車儘可能地沿循黑線行走。

然而全向移動電動輪椅在進行平移時,並不像紅外線循跡車有軌跡線作為參考基準,減少全向移動電動輪椅平移時偏移量最直接的方式便是確保其四顆馬達的轉速皆相同,因此本研究藉由馬達編碼器回傳的四顆馬達即時轉速資訊來相互比較,如圖5-7所示,當後方的馬達即時轉速小於前方的馬達即時轉速時,則電動輪椅控制器將會增加後方馬達的PWM訊號以提高馬達轉速,同時也會減少前方馬達的PWM訊號以降低馬達轉速;當後方的馬達即時轉速大於前方的馬達即時轉速時,則電動輪椅控制器將會增減少後方馬達的PWM訊號以降低馬達轉速,同時也會增加前方馬達的PWM訊號以提高馬達轉速。

5-7. 以比例控制為基礎進行速度補償控制

藉由前後輪反覆地相互比較來不斷地調整前後輪的實際轉速以讓四顆馬達的轉速達到一致,讓全向移動電動輪椅在進行平移時的偏移現象減少。

5.3    速度補償控制實驗分析

為了驗證速度補償控制在全向移動電動輪椅進行平移時的可行性,本研究以實驗方式來對速度補償控制進行測試,並藉由記錄下的全向移動電動輪椅左右前輪偏移量和偏移角度來進行ANOVA分析。

本實驗測試方式是根據有無負載,有無速度補償控制來進行左右平移測試,以下將說明整體實驗相關參數設定、實驗方法設計和實驗結果。

5.3.1   實驗相關參數設定

(1)       測試條件:

Ÿ   地面:水平磁磚地板

Ÿ   移動速度:25 m/mim

Ÿ   移動距離:160cm

(2)       實驗參數:

    負載:無負載和有負載80kg

    移動方向:左平移和右平移

    速度補償控制:無速度補償控制和有速度補償控制

(3)       實驗量測數據:

    左前輪偏移量

    右前輪偏移量

    全向移動電動輪椅角度偏移量

5.3.2   實驗設計

根據三組實驗參數(六項實驗參數)來進行實驗設計,每項組合都將進行五次實驗測試,共計40次實驗測試。而由於同樣組合一次完成五次實驗測試有可能會造成實驗結果的不準確性,為了降低實驗測試時所可能造成的影響,本研究利用Minitab來將六項實驗參數隨機排列組合並產生實驗順序。

Minitab是由賓州州立大學所研發的統計製程分析軟體,其不僅擁有基本統計的功能,同時也可以進行迴歸和變異數分析、實驗設計和ANOVA等分析,同時簡易操作介面,受到各大企業及研究單位所使用。

整體實驗測試流程如下:

(1)       左右前輪中心點對準基準線(歸零)。

(2)       實驗參數設定。

(3)       進行160cm平移操控。

(4)       記錄左右前輪和基準線的偏移量。

(5)       計算角度偏移量。

(6)       結束此次實驗測試。

以實驗參數設定為有負載、有速度補償控制以及進行左平移為例,在實驗開始前會先將左右前輪的中心點對準基準線,並根據實驗參數進行設定後開始進行160cm的左平移實驗測試。在實驗測試完成後將記錄左右前輪的偏移量,在基準線上為正值,在基準線下為負值,最後根據左右輪的偏移量計算偏移角度(如圖5-8)。

5-8. 實驗測試流程示意圖

5.3.3   實驗結果

整體實驗測試紀錄如表5-2所示。從實驗結果中可以知道,當沒有速度補償控制時,右前輪的平均偏移量為7.8cm、左前輪的平均偏移量為11.025cm、偏移角度為4.46°;而當有速度補償控制時,右前輪的平均偏移量減少至1.075cm,比沒有速度補償控制時減少了86%、左前輪的平均偏移量減少至1.9cm,比沒有速度補償控制時減少了90%、偏移角度減少至2.18°,比沒有速度補償控制時減少了51%(如表5-3)。

5-2. 實驗結果紀錄表

實驗順序

負載

速度補償控制

平移方向

右前輪偏移量(cm)

左前輪偏移量(cm)

偏移角度()

1

有負載

無速度補償控制

左平移

16.5

0

9.77

2

無負載

無速度補償控制

左平移

-11

-13

1.88

3

有負載

無速度補償控制

右平移

-0.5

1

1.41

4

有負載

有速度補償控制

右平移

-1

-2

0.94

5

有負載

有速度補償控制

左平移

-1.5

4

5.15

6

無負載

有速度補償控制

右平移

4.5

4.5

0.00

7

有負載

有速度補償控制

右平移

4

1.5

2.35

8

無負載

無速度補償控制

右平移

-1

7

7.47

9

無負載

有速度補償控制

右平移

2.5

1

1.41

10

有負載

無速度補償控制

右平移

20

18

1.88

11

無負載

無速度補償控制

左平移

-7.5

-10

2.35

12

無負載

有速度補償控制

右平移

3

4.5

1.41

13

無負載

無速度補償控制

右平移

15

14

0.94

14

無負載

有速度補償控制

右平移

5

1

3.75

15

有負載

無速度補償控制

左平移

6.5

14

7.01

16

有負載

無速度補償控制

右平移

1

0

0.94

17

有負載

有速度補償控制

左平移

1

-1

1.88

18

有負載

有速度補償控制

左平移

5

7.5

2.35

19

有負載

有速度補償控制

右平移

0

2

1.88

20

無負載

有速度補償控制

左平移

-1

0

0.94

21

有負載

無速度補償控制

右平移

22.5

18.5

3.75

22

無負載

無速度補償控制

左平移

15.5

16.5

0.94

23

有負載

無速度補償控制

左平移

23.5

30.5

6.55

24

無負載

無速度補償控制

左平移

10

8.5

1.41

25

無負載

有速度補償控制

左平移

-2

-3

0.94

26

無負載

無速度補償控制

右平移

1

10

8.39

27

有負載

無速度補償控制

左平移

9

22.5

12.48

28

無負載

無速度補償控制

右平移

3

9

5.62

29

無負載

無速度補償控制

右平移

9.5

13.5

3.75

30

無負載

有速度補償控制

左平移

0

-3

2.82

31

有負載

有速度補償控制

右平移

-1

1

1.88

32

無負載

有速度補償控制

左平移

-1

3

3.75

33

有負載

無速度補償控制

左平移

5

9.5

4.22

34

無負載

有速度補償控制

左平移

0

0

0.00

35

有負載

有速度補償控制

右平移

1

1

0.00

36

無負載

有速度補償控制

右平移

1

5.5

4.22

37

有負載

有速度補償控制

左平移

1

3.5

2.35

38

有負載

無速度補償控制

右平移

13

11.5

1.41

39

無負載

無速度補償控制

左平移

5

12.5

7.01

40

有負載

有速度補償控制

左平移

1

7

5.62

5-3. 實驗結果

 

右前輪偏移量(cm)

左前輪偏移量(cm)

偏移角度()

無速度補償控制

7.800

11.025

4.460

有速度補償控制

1.075

1.900

2.180

改善程度

86%

90%

51%

同時本研究也使用Minitab來針對右前輪偏移量、左前輪偏移量和偏移角度的實驗結果進行ANOVA分析(如表5-4,表5-5,表5-6),如果ANOVA的分析結果顯示p-value小於0.05的話,即表示該因子對整體實驗有顯著的影響。從分析結果可以知道,在擁有速度補償控制下,對於右前輪和左前輪的偏移量以及偏移角度的影響是相當顯著,其p-value分別是0.0030.000以及0.002

5-4. 右前輪偏移量實驗結果ANOVA分析(p-value=0.003)

Factorial Fit: R. Differential versus Loading, Speed Control, Direction

Term

Effect

Coef

SE Coef

T

P

Constant

 

4.5625

1.073

4.25

0.000

Loading

3.5250

1.7625

1.073

1.64

0.110

Speed Control

6.9750

3.4875

1.073

3.25

0.003

Direction

1.1750

0.5875

1.073

0.55

0.588

Loading*Speed Control

3.7750

1.8875

1.073

1.76

0.088

Loading*Direction

-1.9250

-0.9625

1.073

-0.90

0.376

Speed Control*Direction

-0.4750

-0.2375

1.073

-0.22

0.826

Loading*Speed Control*Direction

0.4250

0.2125

1.073

0.20

0.844

5-5. 左前輪偏移量實驗結果ANOVA分析(p-value=0.000)

Factorial Fit: L. Differential versus Loading, Speed Control, Direction

Term

Effect

Coef

SE Coef

T

P

Constant

 

6.463

1.080

5.99

0.000

Loading

4.7750

2.387

1.080

2.21

0.034

Speed Control

9.1250

4.563

1.080

4.23

0.000

Direction

-0.6750

-0.338

1.080

-0.31

0.757

Loading*Speed Control

3.6750

1.837

1.080

1.70

0.098

Loading*Direction

-6.5250

-3.263

1.080

-3.02

0.005

Speed Control*Direction

-0.8750

-0.438

1.080

-0.41

0.688

Loading*Speed Control*Direction

-2.8250

-1.413

1.080

-1.31

0.200

5-6. 偏移角度實驗結果ANOVA分析(p-value=0.002)

Factorial Fit: Degree Differential versus Loading, Speed Control, Direction

Term

Effect

Coef

SE Coef

T

P

Constant

 

3.215

0.3081

10.44

0.000

Loading

0.9510

0.475

0.3081

1.54

0.133

Speed Control

2.0680

1.034

0.3081

3.36

0.002

Direction

-1.0900

-0.545

0.3081

-1.77

0.086

Loading*Speed Control

0.4350

0.217

0.3081

0.71

0.485

Loading*Direction

-3.0030

-1.502

0.3081

-4.87

0.000

Speed Control*Direction

-0.2950

-0.148

0.3081

-0.48

0.635

Loading*Speed Control*Direction

-1.7390

-0.87

0.3081

-2.82

0.008

由以上實驗結果可以知道,速度補償控制對於全向移動電動輪椅在進行平移時有相當程度的影響,也因此全向移動電動輪椅在進行平移時的偏移狀況,因為有速度補償控制的關係而改善許多。

參考資料

C.-C. Tsai, F.-C. Tai, and Y.-R. Lee, "Motion Controller Design and Embedded Realization for Mecanum Wheeled Omnidirectional Robots," 9th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp. 546-551, 21-25 June, 2011.

J. Park, S. Kim, J. Kim, and S. Kim, "Driving Control of Mobile Robot with Mecanum Wheel Using Fuzzy Inference System," Int. Conf. on Control Automation and Systems (ICCAS), pp. 2519-2523, 27-30 Oct., 2010.

C. C. Shing, P. L. Hsu, and S. S. Yeh, “T-S Fuzzy Path Controller Design for the Omnidirectional Mobile Robot,” IEEE Industrial Electronics 32nd Annual Conference, Paris, France, pp. 4142-4147, 2006.