پیش از کنترل حلقه بسته ابتدا در مورد پایداری دینامیک ثابت صندلی چرخدار، توضیحاتی داده می شود.
البته در اینجا پایداری حول محوری که در امتداد مسیر حرکت است، بررسی خواهد شد که مهمترین حالت پایداری نیز می باشد.
اگر مسیر صاف بوده و در هیچ جهتی شبیه نداشته باشد بدست آوردن حداکثر سرعت صندلی، برای حفظ پایداری، ساده است ولی اگر بخواهیم پایدرای را در سطوح شیب دار بررسی کنیم، آنگاه مسأله قدری پیچیده خواهد بود.
ابتدا برای ساده، حداکثر سرعت را به دست می آوریم: مطابق شکل (2-4) برای حفظ پایداری باید مجموع گشتاور هایی که به مرکز جرم (CG)[1] ، حول خطی که چرخهای عقب و جلو را به هم وصل می کند، وارد می شود، برابر صفر باشد: شکل (4-2): نیروهای وارد شده به مرکز جرم (16-4) که در آن D نصف فاصله چرخهای عقب و L ارتفاع مرکز جرم از زمین می باشد.
مطابق شکل (3-4) یک دستگاه مختصات متصل به صندلی در نظر می گیریم.
شکل (3-4): دستگاه مختصات صندلی چرخدار فرض می کنیم که مرکز جرم صندلی چرخدار درست در بالای وسط پاره خط متصل کننده چرخهای عقب واقع است.
با این فرض مختصات مرکز جرم و نقطه تماس چرخ عقب با زمین در مختصات صندلی که با اندیس 1 مشخص می شود، به شکل زیر می باشد.
مارتریسهای تبدل مختصات به صورت روابط (18-4) می باشند: (18-4) برای به دست آوردن ماتریس تبدیل از مختصات صفر (مرجع) به مختصات 1 باید ماتریسهای فوق را در هم ضرب نماییم: ماتریس تبدیل از مختصات 1 به 0 معکوس ماتریس (19-4) می باشد: (20-4) تصویر بردارهای L و D در صفحه را که به ترتیب با نمایش می دهیم می توان با استفاده از تبدیل (20-4) بدست آورد: (21-4) (22-4) در مرجع [1] ثابت شده است که حداکثر سرعت مجاز صندلی چرخدار برای دور زدن حول دایره ای به شعاع r از رابطه (23-4) بدست می آید.
که در آن به ترتیب تصویر بردارهای و در صفحه از دستگاه مختصات مرجع می باشند.
با توجه به رابطه از رابطه های زیر به دست می آید.
(24-4) متغیر را به صورت (25-4) معرفی می کنیم: (25-4) با توجه به اینکه بردارهای D و L در دستگاه مختصات صندلی بر هم عمودند در نتیجه در دستگاه مختصات مرجع نیز بر هم عمود خواهند بود، با استفاده از تعریف از رابطه (26-4) به دست می آید.
(26-4) حال با استفاده از رابطه (23-4) و (24-4) الی (26-4) می توان حداکثر سرعت صندلی چرخدار را در هر مسیر دلخواه به گونه ای بدست آورد که با توجه به شکل (3-4) پایداری حول محور x حفظ شود.
به عنوان مثال حالت ساده مسیر صاف بدون هیچگونه شیب را درنظر می گیریم در نتیجه داریم: با جایگذاری مقادیر در رابطه (13-4) مقدار V بدست می آید.
که دقیقاً منطبق بر مقدار بدست آمده از رابطه (16-4) می باشد که مستقیماً آنرا به دست آورده بودیم.
حال بررسی کنترل حلقه بسته را ادامه می دهیم: 4-4-بررسی کنترل حلقه بسته برای کنترل حلقه بسته لازم است که در ابتدا مدلی از صندلی چرخدار الکتریکی که توسط انسان هدایت می شود، ارائه کنیم.
در این مدل سعی داریم که تابع شبکه ای برای صندلی چرخدار به دست آوریم که خروجی آن موقعیت صندلی چرخدار و ورودی مسیر مورد نظر استفاده کننده باشد.
این تابع شبکه شامل بلوکهای زیر می باشد.
شکل (4-4): دیاگرام بلوکی سیستم صندلی چرخدا الکتریکی با کنترل انسان در مرجع [1] مدل تصمیم گیری راننده به شکل زیر معرفی شده است.
(27-4) که در این رابطه اصلاح زاویه چرخهای جلو و انحراف سیستم از مسیر مورد نظر است.
ضریبی وابسته به وضعیت فیزیولوژیکی و روانی راننده، زمان پاسخ راننده میزان نمایانی مسیر و V سرعت صندلی چرخدار است.
تابع شکل موتورها در بخش (5) توضیح داده خواهد شد و خواهیم دید که به دلیل زیاد قطبهای الکتریکی و مکانیک می توان موتور را یک سیستم درجه اول فرض کرد: (28-4) تنها بلوک باقیمانده مدل انحراف صندلی چرخدار از مسیر مستقیم، بر اساس زاویه انحراف چرخهای جلو[2] است.
با توجه به شکل (5-4) می توان رابطه (29-4) رانوشت.
شکل (4-5): سینماتیک صندلی چرخدار تحت کنترل انسان (29-4) با فرض کوچک بودن زوایا می توانیم روابط (29-4) را به شکل زیر خطی نمائیم تا بتوانیم یک مدل خطی از سیستم ارائه کنیم.
(30-4) با تعریف اپراتور به عنوان مشتق گیر می توانیم معادلات (30-4) را به شکل ماتریس بنویسیم.
با حل این معادله ماتریسی برای با استفاده از روش کرامر خواهیم داشت: که در آن دترمینال ماتریس ضرایب است.
با انجام محاسبات و بدست آوردن مقادیر دترمینالها داریم: با گرفتن تبدیل پالاس ساده سازی خواهیم داشت: حال دیاگرام بلوکی شکل (5-4) را با جایگزینی مقادیر ، می توان به شکل زیر ساده کرد.
شکل (6-4): دیاگرام بلوکی کامل شده شکل (5-4) می بینیم که با وجود هم ساده سازیهای ممکن سیستم بسیار پیچیده است.
بنابراین کنترل آن اگر بخواهد با شکلی جامع انجام گیرد، بسیار پیچیده می شود به طوری که بجز با یک سیستم میکروپرسسوری که بتواند اطلاعات رسیده از سنسورهای مختلف را مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد.
پیاده سازی آن امکان پذیر نخواهد بود.
درادامه انواع روشهای موجود برای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته است.
5-4-روشهای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی 1-5—4-کنترل کننده ها قابل تنظیم [3] صندلیهای چرخدار الکتریکی را می توان با روشهایی مبتنی بر سیستمهای آنالوگ و یا دیجیتال کنترل نمود.
در مدارهای دیجیتال میکروکنترولرها هم خود صندلی و هم موتورها را کنترل می کنند استفاده از میکروکنترلرها کنترل قابل انعطافی که ورودیهای مختلفی اعم از آنالوگ یا دیجیتال دارد را ممکن می سازد.
معمولاً پارامترهایی که می توان آنها را تنظیم کرد عبارتند از حداکثر سرعت خطی، حداکثر سرعت وشتاب زاویه ای، شتاب و حرکت ترمز و پارامترهای فیلتر ورودی.
البته پارامترهای فوق از طریق روشهای آنالوگ نیز قابل پیاده سازی است ولی مزیت عمده کنترولهای میکروپروسسوری امکان پیاده سازی الگوریتم های دینامیک کنترل است.
کنترل صندلیهای چرخدار الکتریکی با استفاده از روشهای کنترل فیدبک دار بر پایه میکرو پروسسورها بسیار بهبود یافته است.
کنتر فیدبک دار عموماً استفاده می شود تا سرعت مورد نظر استفاده کننده مستقل از شیب و ناهمواریهای مسیر به صندلی چرخدار اعمال می شود.
به عنوان مثال وقتی کاربر سرعت خاصی را مشخص می کند سرعت صندلی چه در هنگام بالا رفتن از شیب و چه در هنگام پائین آمدن از آن تغییر نکند.
برای انجام این کار فرضهای ساده کننده زیر در نظر گرفته شده است.
فقط نیروهای عمودی به چرخهای هدایت کننده جلو وارد می شود.
چرخهای کوچک جلو به میزان مساوی تحت بار هستند.
مرکز جرم مجموعه نسبت به صندلی ثابت است.
چرخها نمی لغزند.
تغییرات در شیب مسیر، تدریجی است.
روشهای کنترل فیدبک دار به خصوص اگر با میکروکنترولر ساخته شوند استفاده از صندلی را برای شخص بسیار آسان می کند.
کافیست که شخص سرعت و جهت را توسط یک جوی استیک و یا هر وسیله ورودی دیگری مشخص کند؛ میکرو کنترولر سرعت و جهت فعلی را توسط سنسورها حس کرده و فرمانهای مناسب را به موتورها برای رسیدن به سرعت و جهت مطلوب صادر می نماید.
یکی از مهمترین مسائل در کنترل میکرو پروسسوری سیستمها مسأله نمونه برداری است که عملکرد سیستم حلقه بسته را تحت تأثیر قرار می دهد.
نمونه برداری سریع سیستم را همانند حالت پیوسته آنالوگ مدل می کند و در نتیجه پاسخ مدل بسیار شبیه تر به پاسخ واقعی سیستم خواهد بود.
فرکانس نمونه برداری به دلیل محدود بودن سرعت میکروپروسسور، سنسورها و اعمال کننده ها و همچنین نرم افزار، نمی تواند خیلی زیاد باشد.
پریود نمونه برداری برابر 0.01 ثانیه عموماً برای کنترل صندلی چرخدار الکتریکی معمولی کافی بوده و به راحتی قابل دستیابی است.
2-5-4-کنترل با سنسورهای یا همکار هدف از این نوع کنترل افزایش قابلیت های حرکت کاربر با سپردن وظایف مربوط به هدایت صندلی به یک سیستم کنترل اتوماتیک است.
این سیستم کنترلی از آنجا که تصمیم گیری بیشتری انجا می دهد دارای سنسورهای متعدد داخلی و خارجی می باشد به همین دلیل آنرا کنترل مبتنی بر سنسورها می نامند.
در این روش به دلیل وجود سنسورهای زیاد، پردازش اولیه خروجیهای سنسورها پیش از انتقال آن به کنترل کننده اصلی حائز اهمیت است.
پردازش اولیه: سیگنالهای ورودی ممکن است متغیر و یا ثابت باشند.
منظور از ثابت این است که توسط یک کلید که چند حالت می تواند داشته باشد، انتخاب می گردد.
سیگنالهای ورودی متغیر سیگنالهای خروجی وسائلی مثل جوی استیک می باشند.
سیگنال خروجی سنسورها و یا وسائل ورودی را می توان مستقیماً به کنترل کننده داده و یا اینکه ابتدا روی آن پردازش صورت داد و سپس به کنترل کننده منتقل می کنیم.
پردازش اولیه ممکن است بسیار ساده فقط با فیلتر کردن سیگنال ورودی و آنالوگ و یا متوسط گیری مثلثی سیگنال دیجیتال انجام شود و یا اینکه در آن از روشهای پیچیده ای مثل شبکه عصبی و یا منطق فازی استفاده گردد.
روشهای پیچیده تری نیز برای حذف نویز به کار گرفته می شود.
فیلتر کردن ساده ممکن است قدرت سیگنال اصلی که همان سرعت و جهت مورد نظر کاربر است را کاهش دهد.
یکی از انواع نیوز، ارسال سیگنالهای ناخواسته توسط وسایل ورودی می باشد.
به عنوان مثال اگر جوی استیک را در نظر بگیریم، در حالت استراحت نیز ممکن است سیگنالهایی از خود ارسال نماید.
این سیگنالها حتی وقتی که جوی استیک در حال کار است نیز ممکن است ارسال شود.
بااین توضیح یک روش وقتی ورودی دستگاه در وضعیت خنثی است اطلاعات ارسال شده توسط آن ثبت می شود.
از این اطلاعات می توان برای آموزش یک شبکه عصلی و یا پیاده کردن یک منطق نازی استفاده کرد.
اطلاعات ارسالی در وضعیت خنثی را می توان اندازه گیری کرد و به عنوان یک نویز زمینه برای ساختن یک فیلتر حذف نویز وقتی به کار برد .
پردازش اولیه کاربردهای گسترده تری دارد ولی در اینجا با ذکر این نکته که می توان با پردازش اولیه تصمیم های مناسبتری در هنگام بروز خطا گرفتن این قسمت را به پایان می بریم.
حالتهای مختلف ورودی و وضعتی سیستم در حافظه ضبط می شود .
حال دستورات جدید صادر شده توسط کاربرد و متعاقب آن حرکت صندلی برای آن تا حدودی شبیه به دستورات قبلی باشد در غیر این صورت یک پیغام خطا به کاربر ارسال خواهد شد.
استراتژی کنترل سنسورهای داخلی سنسورهای خارجی بلوک تصمیم گیرنده سنسورهای داخلی وضعیت صندلی چرخدار را منتقل می کنند.
منظور از وضعیت پارامترهایی مثل سرعت صندلی چرخدار، میزان شارژ باطریها، جریان موتورها، درجه حرارت موتور و وضعیت قسمتهای مکانیکی، می باشد.
سنسورهای خارجی به منظور اندازه گیری جهت، فاصله و نحوه ارتباط اجسام اطراف نسبت به صندلی چرخدار، استفاده می شوند.
سنسورهای خارجی شامل آشکار سازه های مادون قرمز، مبدلهای اولتراسوند سنسورهای مغناطیسی و سیستم های بینایی ماشین می باشند.
این سنسورها می توانند به تشخیص موانع بالقوه خطرناک برای کاربر و همچنین جلوگیری از برخورد به آنها کمک کنند.
البته سنسورها نمی توانند مستقیماً مانع از برخورد شوند بلکه اطلاعات لازم را به قسمت کنترل منتقل میکنند.
به عنوان مثال در مواقعی که کاربر به علل مختلف نمی تواند به طور دقیق مسیر صندلی را تنظیم کند با استفاده از سنسورهای خارجی، یک سیستم کنترل را می توان چنان طراحی کرد که مسیر تقریبی را از کاربر دریافت کرد و سپس مسیر دقیق را با در نظر گرفتن از موانع و خطرهای موجود خود تعیین کند.
بدین طریق کنترل صندلی با مشارکت کاربر و یک سیستم کنترل اتوماتیک انجام می گیرد و میزان این مشارکت به توانایی های کاربر بستگی خواهد داشت.
این روش کنترل بر اساس دو مدل مختلف عمل می کند: مدل تصمیم گیری انسان.
مدل رفتاری انسان.
برای استفاده از مدل تصمیم گیری انسان باید مدلی از نحوه استخراج پارامترهای کنترلی از روی اطلاعاتی بدست آمده از سنسورها، توسط کاربر، بدست آورد.
مدلهای معین به این منظور مناسب نیستند.
مدلهایی که بر اساس تئوری احتمال ارائه می شوند از داده های واقعی برای تشخیص مشخصات کاربر که بر روی تصمیم گیری او مؤثر هستند استفاده می کنند.
بر اساس پارامترهای اندازه گیری شده مثل جهت، سرعت، موقعیت بدن و تأخیر های زمانی، احتمالی اینکه کاربر به یک مود که از قبل تعریف شده برود، محاسبه می شود: مود انتخاب شده یکی از مودهایی خواهد بود که بیشترین احتمال را دارند.
برای حل این مسأله با استفاده از منطق فازی بسیار مناسب خواهد بود.
مدلهای رفتار انسان فرض می کند که عملکرد راننده را می توان در چند بخش اساسی طبقه بندی کرد.
به عنوان مثال می توان سه گروه مهم حرکت صندلی چرخدار را به شکل زیر تعریف کرد.
1-حرکت با سرعت بالا در این روش مشخصه های استخراج می شوند که مربوط به حرکت صندلی چرخدار درمکانهایی است که سرعت در آنها زیاد و موانع بسیار کم بوده و در حالت کلی مشخصه های حرکت در فضای آزاد می باشد.
2-حرکت با مانورهای زیاد این