【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能控制，更具体地涉及一种智能节能电动轮椅平衡系统。
技术介绍
1、随着人口老龄化问题的加剧，越来越多的行动不便者需要使用电动轮椅作为代步工具；市场上能够购买的轮椅，基本上分为了低中高三档，低档就是普通的手推式轮椅，中档是电动式轮椅，高档轮椅又分了各种特有的功能，有专用于上楼的，有可以变形平躺的；总体而言，目前电动轮椅的成品并不够完善，价格还是过于昂贵，更多智能化的功能没有体现。
2、公开号为cn116300900a的公开文件中公开了一种电动轮椅的坡度自动避障及速度控制系统和方法，包括：驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块和中央处理模块；所述驱动模块、自动避障模块、自平衡控制器模块、速度传感器模块、心率检测模块、报警模块、减速模块均与中央处理模块电连接；可以提醒乘坐人提前规避电动轮椅不能爬坡的路段，通过测得加速度和实时速度，估算2s后的速度，在达到轮椅爬坡速度上限前提前降速，通过超声波传感器和红外线传感器测得障碍物的距离，通过模糊控制算法实现自动避障，通过自平衡控制模块，实现轮椅的坡度维稳。
3、但这些方法在能耗、稳定性和智能化方面仍有待提升，传统电动轮椅在不平坦的地面上行进时可能会因失去平衡而导致用户摔倒，存在一定的安全风险，让电动轮椅保持平衡是保障电动轮椅安全的关键；同时传统电动轮椅随着使用时间的增加，电动轮椅系统的平衡控制能力会逐渐下降，因此需要及时对电动轮椅的平衡控制性能进行监测并采取相应修复措施以保障电动轮椅的控制性能，提高对电
技术实现思路
1、为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术提供了一种智能节能电动轮椅平衡系统，以解决上述
技术介绍
中存在的问题。
2、本专利技术提供如下技术方案：一种智能节能电动轮椅平衡系统，包括驱动层、控制层、数据层以及显示层；
3、所述驱动层用于根据相应控制指令驱动电动轮椅操作与运行；
4、所述控制层用于向驱动层发送相应控制指令，并对电动轮椅进行智能控制；
5、所述数据层用于对电动轮椅的数据进行采集与分析，包括：
6、基础数据采集模块：用于采集电动轮椅的基础数据，并传输至数据预处理模块进行预处理操作；
7、数据预处理模块：用于接收基础数据采集模块与控制数据采集模块的数据，对数据进行预处理操作，得到能直接使用的数据；
8、平衡判定模块：用于接收数据预处理模块预处理后的数据，基于构建好的平衡预测模型获取电动轮椅的平衡稳定值，并进行平衡稳定判定，基于判定结果向控制层发送相应控制指令；
9、控制数据采集模块：用于采集控制层的控制数据，并传输至数据预处理模块进行预处理；
10、影响因子获取模块：用于获取影响电动轮椅平衡性能的影响因子，所述影响因子包括控制补偿因子与能源贡献因子，并传输至综合平衡性能分析模块；
11、综合平衡性能分析模块：用于对电动轮椅的综合平衡性能进行分析，获取综合平衡性能指数；
12、性能判定模块：用于对电动轮椅的综合平衡性能指数进行判定，并依据判定结果向显示层发送预警指令，同时将数据传输到显示层；
13、所述显示层用于对数据层的分析结果进行可视化显示并进行智能预警。
14、优选的，所述控制层包括pid控制模块与轮椅主体控制模块；所述pid控制模块用于采用pid控制器对电动轮椅参数数据进行智能控制；所述轮椅主体控制模块用于对电动轮椅实体进行智能控制；
15、所述数据预处理模块包括基础数据预处理单元与控制数据预处理单元，所述基础数据预处理单元用于对基础数据进行预处理后传输至平衡判定模块；所述控制数据预处理单元用于对控制数据进行预处理后传输至影响因子获取模块。
16、优选的，所述基础数据包括电动轮椅的重量、实时速度、受力情况、倾斜角度、电机功率、输出扭矩、电动轮椅加速度以及角速度；
17、所述控制数据包括实际控制数据、预定控制数据、控制时间以及控制能耗；所述实际控制数据为电动轮椅实际控制值，即驱动层根据控制指令对电动轮椅进行操作与运行后所达到的实际值；所述预定控制数据为电动轮椅的预定控制值，即控制层对电动轮椅的控制值；控制值包括速度控制值、电机功率控制值以及输出扭矩控制值；所述控制时间为完成对电动轮椅控制所需要的时间；所述控制能耗为对电动轮椅实施控制时所产生的能源消耗。
18、优选的，所述pid控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，pid控制根据给定输入值和实际输出值来计算出控制偏差，公式表示为：，其中，e(t)为t时刻的控制偏差，r(t)为t时刻的给定输入值，y(t)为t时刻的实际输入值；
19、pid控制器的控制算法表达式为：，其中，u(t)为控制输出，kp为比例系数，ti和td分别为积分时间常数和微分时间常数。
20、优选的，所述平衡预测模型的构建方式为：
21、将基础数据作为分析数据，预先收集d组分析数据，d为大于1的整数，将分析数据与对应的平衡稳定值转换为对应的一组特征向量；每组分析数据即为每组基础数据，将第a个时刻的基础数据作为第a组基础数据；
22、分析数据对应的平衡稳定值可通过平衡稳定值计算公式计算得出，收集d组分析数据，将每组特征向量作为平衡预测模型的输入，所述平衡预测模型以每组分析数据对应的一组预测平衡稳定值作为输出，以每组分析数据对应的实际平衡稳定值作为预测目标，实际平衡稳定值为预先收集的与分析数据对应的平衡稳定值；以最小化所有分析数据的预测误差之和作为训练目标；
23、所述预测误差的公式表示为：，其中，εp为预测误差，p为分析数据对应特征向量的组号，θp为第p组分析数据对应的预测平衡稳定值，μp为第p组分析数据对应的实际平衡稳定值，对平衡预测模型进行训练，直至预测误差之和达到收敛时停止训练。
24、优选的，所述平衡稳定值计算公式的表达式为：，其中，pwt为第t个时刻的平衡稳定值，ljwt为第t个时刻的稳定力矩，ljft为第t个时刻的倾覆力矩；所述稳定力矩为使物体保持平衡的力矩，所述倾覆力矩为使物体发生倾覆的力矩。
25、优选的，所述平衡稳定判定模块进行平衡稳定判定的具体过程为：
26、当预测的平衡稳定值大于等于0时，判定结果为平衡，此时不向控制层发送控制指令；
27、当预测的平衡稳定值小于0时，判定结果为不平衡，此时向控制层发送控制指令，若电动轮椅处于运动状态，仅发送pid控制指令，此时对电动轮椅参数数据进行智能控制，若电动轮椅处于非运动状态时，则发送pid控制指令与主体控制指令，同时对轮椅实体进行智能控制。
28、优选的，所述控制补偿因子的计算公式表示为：其中，bk为控制补偿因子，ykit为第i类基础数据在第t个时刻预定控制值，skit为第i类基础数据在第t个时刻实际控制值，n为基础数据类别总数，u为总时刻，i=本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：包括驱动层、控制层、数据层以及显示层；
2.根据权利要求1所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述控制层包括PID控制模块与轮椅主体控制模块；所述PID控制模块用于采用PID控制器对电动轮椅参数数据进行智能控制；所述轮椅主体控制模块用于对电动轮椅实体进行智能控制；
3.根据权利要求2所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述基础数据包括电动轮椅的重量、实时速度、受力情况、倾斜角度、电机功率、输出扭矩、电动轮椅加速度以及角速度；
4.根据权利要求3所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，PID控制根据给定输入值和实际输出值来计算出控制偏差，公式表示为：其中，e(t)为t时刻的控制偏差，r(t)为t时刻的给定输入值，y(t)为t时刻的实际输入值；
5.根据权利要求4所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述平衡预测模型的构建方式为：
6.根据权利要求5所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其
7.根据权利要求6所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述平衡稳定判定模块进行平衡稳定判定的具体过程为：
8.根据权利要求7所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述控制补偿因子的计算公式表示为：，其中，BK为控制补偿因子，Ykit为第i类基础数据在第t个时刻预定控制值，Skit为第i类基础数据在第t个时刻实际控制值，n为基础数据类别总数，U为总时刻，i=1、2、3、…、n，t=1、2、3、…、U；
9.根据权利要求8所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述综合平衡性能分析模块中综合平衡性能指数的计算公式为：，其中，ZH为综合平衡性能指数，vit为控制次数中控制成功的次数，J为总控制次数。
10.根据权利要求9所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述性能判定模块对电动轮椅的综合平衡性能指数进行判定的具体方式为：
...【技术特征摘要】
1.一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：包括驱动层、控制层、数据层以及显示层；
2.根据权利要求1所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述控制层包括pid控制模块与轮椅主体控制模块；所述pid控制模块用于采用pid控制器对电动轮椅参数数据进行智能控制；所述轮椅主体控制模块用于对电动轮椅实体进行智能控制；
3.根据权利要求2所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述基础数据包括电动轮椅的重量、实时速度、受力情况、倾斜角度、电机功率、输出扭矩、电动轮椅加速度以及角速度；
4.根据权利要求3所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述pid控制器由比例单元、积分单元和微分单元组成，pid控制根据给定输入值和实际输出值来计算出控制偏差，公式表示为：其中，e(t)为t时刻的控制偏差，r(t)为t时刻的给定输入值，y(t)为t时刻的实际输入值；
5.根据权利要求4所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述平衡预测模型的构建方式为：
6.根据权利要求5所述的一种智能节能电动轮椅平衡系统，其特征在于：所述平衡稳定...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩金伯，王吉宇，黄威，林阜，李文丽，曾明睿，
申请(专利权)人：深圳市微岚达机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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