專利名稱：駕束式激光導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體涉及的是一種駕束式激光導(dǎo) 航裝置。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)設(shè)施化環(huán)境中，AGV系統(tǒng)在噴霧、灌溉、采摘和搬運(yùn)等作業(yè)場(chǎng)合有著獨(dú)特的 優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用前景。AGV技術(shù)的引入，可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件。導(dǎo) 航技術(shù)作為AGV的核心技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。設(shè)施化環(huán)境不同于結(jié)構(gòu)化環(huán)境。設(shè)施化環(huán)境中 能夠?qū)GV導(dǎo)航系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生干擾的環(huán)境因子眾多，包括環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度等 等，這些環(huán)境因子為AGV導(dǎo)航系統(tǒng)的適應(yīng)性提出了特殊的要求。另一方面，設(shè)施化環(huán)境下 AGV 一般完成物料的直線搬運(yùn)，運(yùn)行路線較為簡(jiǎn)單。AGV激光駕束導(dǎo)航系統(tǒng)主要由激光發(fā)射 裝置和光電接收裝置兩部分構(gòu)成，光電接收裝置的類型一般有光電位置傳感器(PSD)和光 伏電池兩種類型。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)公開號(hào)CN201156209，名稱直線運(yùn)動(dòng) 激光導(dǎo)航測(cè)量裝置，該技術(shù)采用二維PSD進(jìn)行光電接收。由于有效探測(cè)面積過小，難以滿足 農(nóng)業(yè)環(huán)境下AGV姿態(tài)大幅變動(dòng)的要求，同時(shí)PSD價(jià)格相對(duì)高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種駕束式激光導(dǎo)航裝置，解決 了農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境下機(jī)器人的自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航行走問題，本發(fā)明通過設(shè)計(jì)光伏電池陣列，有效 增大探測(cè)面積，很好地滿足了農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境的要求；而且成本低廉，實(shí)用可靠。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明由激光發(fā)射裝置、光電接收裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路及控制系統(tǒng)四部分 組成，其中激光發(fā)射裝置設(shè)置在設(shè)施機(jī)器人前進(jìn)的航向的頂端，由激光調(diào)制電路、激光光源 組成，光電接收裝置設(shè)置在自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航行走的小車前端，由光伏電池陣列、多路信號(hào)采集 電路組成，激光發(fā)射裝置經(jīng)激光調(diào)制電路的激光光源發(fā)射過來的激光信號(hào)照射到光伏電池 陣列上，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)多路信號(hào)采集電路采集，傳送給信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路，電壓信號(hào) 經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由單片機(jī)、485總線和 上位機(jī)組成，單片機(jī)完成信號(hào)采集后，進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算，最后將導(dǎo)航信息以串行方式通過485 總線傳給上位機(jī)。所述的激光光源采用工業(yè)級(jí)激光器，其控制線焊接在激光調(diào)制電路上，通過激光 調(diào)制電路調(diào)整激光器發(fā)射的激光的頻率。所述的多路信號(hào)采集電路利用模擬開關(guān)CD4052，對(duì)采集電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化。所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路包括光電偏置電路，帶通濾波電路，整形放大電路和 二值化及采樣電路，多路信號(hào)采集電路傳送過來的電壓信號(hào)，經(jīng)光電偏置電路進(jìn)行偏置，經(jīng) 帶通濾波電路濾波，經(jīng)整形放大電路整形放大，經(jīng)二值化及采樣電路二值化以及保持采樣
3后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)。本發(fā)明由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件差異性的限制，傳統(tǒng)的紅外、超聲、GPS和機(jī)器視覺等導(dǎo) 航方式難以很好地滿足AGV導(dǎo)航要求；而磁力線、電力線埋設(shè)等方式，需要進(jìn)行基建施工、 破壞土壤環(huán)境，難以推廣應(yīng)用。本發(fā)明利用激光引導(dǎo)有不需要基建施工，在設(shè)施環(huán)境中抗干 擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明較好地解決了激光掃描定位技術(shù)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要預(yù)設(shè)參考坐 標(biāo)，且成本較高等問題，針對(duì)設(shè)施化環(huán)境下AGV的工作特點(diǎn)，采用激光駕束導(dǎo)航，集光、電、 機(jī)、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制于一體，制作方便，成本低，抗干擾性能好，非常適合于直線行走的場(chǎng)
I=I O本發(fā)明適合農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚環(huán)境下機(jī)器人的自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航功能，定位精度較高，成 本低，結(jié)構(gòu)實(shí)用可靠，搞干擾能力強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖；圖2是本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例外觀示意圖；圖3是激光調(diào)制電路；圖4是光伏電池陣列工作方式；圖5是多路信號(hào)采集電路；圖6是光電偏置電路；圖7是有源帶通濾波電路；圖8是整形放大電路；圖9是二值化及采樣保持電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例如圖1所示，本實(shí)施例由激光發(fā)射裝置，光電接收裝置，信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路，及 控制系統(tǒng)四兩部分構(gòu)成。激光發(fā)射裝置包括激光調(diào)制電路1、激光光源2，設(shè)置在設(shè)施機(jī)器 人前進(jìn)的航向的頂端；光電接收裝置設(shè)置在小車前端，包括光伏電池陣列3與多路信號(hào)采 集電路4。激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光照射到光伏電池陣列3上，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)多路信號(hào) 采集電路4采集，傳送給信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路9。電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路9的一 系列處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由單片機(jī)10、485總線11和上位機(jī) 12組成。單片機(jī)10在對(duì)硬件處理電路完成信號(hào)采集后，進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算，最后將導(dǎo)航信息以 串行方式通過485總線11傳給上位機(jī)12。其中信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路9包括光電偏置電路5，帶通濾波電路6，整形放大電路 7和二值化及采樣電路8。如圖2所示，本實(shí)施例的外觀示意圖，激光發(fā)射裝置設(shè)置在設(shè)施機(jī)器人前進(jìn)的航 向的頂端，光電接收裝置設(shè)置在設(shè)施機(jī)器人的前端，接收前面激光光源發(fā)射過來的激光信號(hào)。
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如圖3所示，激光調(diào)制電路左半部分為矩形波發(fā)生器，右半部分為NPN三極管9014 電路。矩形波發(fā)生器產(chǎn)生矩形波，用以驅(qū)動(dòng)NPN三極管導(dǎo)通和截止。本實(shí)例使用的激光器 為IOOmW工業(yè)級(jí)激光頭，其控制線連接在激光調(diào)制電路右上角的“1”、“2”兩個(gè)端口上，其 控制方式為端口斷開，激光器開啟。在矩形波發(fā)生器輸出波形為負(fù)時(shí)，NPN三極管截止，1、2 兩端口斷開，激光器開啟。通過調(diào)整矩形波發(fā)生器的振蕩周期，可調(diào)整激光器發(fā)射激光的頻 率。本實(shí)施例將調(diào)制激光工作頻率定為2KHz。如圖4所示，當(dāng)多個(gè)光電池組成光電池陣列后，就可以根據(jù)產(chǎn)生光伏效應(yīng)電池的 位置，得到當(dāng)前AGV相對(duì)于預(yù)定路徑(激光光束)的偏移信息。從圖4可以看出，激光光束 進(jìn)入光電接收裝置時(shí)，會(huì)直接照射在硅光電池陣列的某個(gè)電池上。陣列中的電池都包含有 各自的位置信息。在硅光電池陣列上建立坐標(biāo)軸X，則每塊電池都構(gòu)成了 X軸上的一段區(qū) 域。當(dāng)激光光束照射在某塊光電池上時(shí)，電池產(chǎn)生相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)，由后續(xù)電路完成 各種處理和采樣，再根據(jù)該光電池的編號(hào)，確定激光光束的照射范圍。設(shè)激光光束在光伏電 池陣列上的照射點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)間的距離為L(zhǎng)，簡(jiǎn)稱為光照點(diǎn)距離?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)光照點(diǎn)距 離L、采樣時(shí)間At以及由光電編碼盤反饋的輪速信息進(jìn)一步計(jì)算出位置誤差S及角度誤差
θ ο本實(shí)施例需要將9塊光電池做成一維陣列，如果在每塊光電池后都加上相同的處 理電路，會(huì)使整個(gè)采集電路非常復(fù)雜。為此，本導(dǎo)航裝置利用模擬開關(guān)CD4052，對(duì)采集電路 進(jìn)行簡(jiǎn)化，原理如圖5所示。⑶4052芯片是一個(gè)雙四通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，通過改變控制 輸入端Α、Β的電平，能夠切換Χ、Υ與不同的光電池輸入信號(hào)連接。用兩個(gè)⑶4052作為二級(jí) 開關(guān)，分別連接1 4號(hào)、5 8號(hào)塊光電池。再用一個(gè)⑶4052作為一級(jí)開關(guān)，連接0號(hào)光 電池及兩個(gè)二級(jí)開關(guān)的輸出端。這樣，單片機(jī)通過改變⑶4052控制輸入Α、B,即可對(duì)不同 光電池進(jìn)行分別采樣，而且只需要一個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路。圖6至圖9為信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路的各個(gè)步驟。如圖6所示，Battery-為光電池負(fù)端，PGND為模擬地，同時(shí)也接在光電池正端。 這里選用的反饋電阻R4= 10ΚΩ，可以將短路電流Isc放大104，得到偏置電路輸出電壓為 4.2V。經(jīng)過計(jì)算，此時(shí)放大器的輸入電阻不到1 Ω，可以滿足較高頻響要求。通過分析光伏 電池的伏安特性曲線，選擇電流線性放大電路作為光伏電池的偏置電路，頻率響應(yīng)較好，失真小。如圖7所示，帶通濾波電路設(shè)計(jì)了四階有源帶通濾波器，中心頻率為2ΚΗζ，頻帶寬 度1. SKHz 2. 2ΚΗζ。該四階濾波器由兩個(gè)相同型式的二階濾波器組成，對(duì)二者建立物理模 型，進(jìn)行拉氏變化，可以得到該有源帶通濾波電路的傳遞函數(shù)，進(jìn)而得到該帶通濾波器的對(duì) 數(shù)幅頻特性及對(duì)數(shù)相頻特性。濾波器起到了濾除低頻及其他高頻干擾的作用。如圖8所示，整形放大電路用來除去濾波電路中引入的偏置電壓，以及拉大有效 信號(hào)與干擾信號(hào)的電平差值。整形放大電路實(shí)際上是一個(gè)差分比例運(yùn)算電路，運(yùn)放正端接 參考電平0.5Vcc，負(fù)端接輸入電壓。經(jīng)過整形放大電路后，導(dǎo)航信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏恼倚?號(hào)，且幅值變?yōu)樵瓉淼膬杀丁Ｈ鐖D9所示，二值化及采樣保持電路將導(dǎo)航信號(hào)從模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并對(duì)其 進(jìn)行采樣保持。二值化電路從原理上看是門限電路，當(dāng)輸入信號(hào)小于固定閾值時(shí)，輸出電壓 保持低電平；當(dāng)輸入信號(hào)大于固定閾值時(shí)，輸出電壓為高電平。此處固定閾值應(yīng)略小于正弦電壓信號(hào)的幅值，此處取3V。經(jīng)過門限電路，正弦信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。保持采樣電路的核心 是D觸發(fā)器7474。單片機(jī)通過Pl. 6引腳控制其清零，Pl. 7引腳檢測(cè)7474輸出信號(hào)。D 口 和置位口均保持高電平。當(dāng)CLK 口接收方波信號(hào)，D觸發(fā)器檢測(cè)到上升沿脈沖，檢測(cè)到方波 信號(hào)后，輸出數(shù)字信號(hào)“1”。通過圖6至圖9的過程，完成了導(dǎo)航信號(hào)的變換和處理。經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，有源濾波， 整形放大，二值化以及保持采樣，導(dǎo)航信號(hào)從高頻激光信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，供單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn) 行后續(xù)計(jì)算。本實(shí)施例以激光光束為導(dǎo)引基準(zhǔn)，利用光伏電池陣列對(duì)該基準(zhǔn)做準(zhǔn)直測(cè)量，并通 過信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，最后通過單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理運(yùn)算，控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使設(shè)施機(jī)器人沿預(yù)定航向行走。本實(shí)施例針對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境的特點(diǎn)， 在滿足導(dǎo)航精度要求的基礎(chǔ)上，為設(shè)施機(jī)器人提供了一種更為經(jīng)濟(jì)有效的導(dǎo)航方式。
權(quán)利要求
一種駕束式激光導(dǎo)航裝置，其特征在于，由激光發(fā)射裝置、光電接收裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路及控制系統(tǒng)四部分組成，其中激光發(fā)射裝置設(shè)置在設(shè)施機(jī)器人前進(jìn)的航向的頂端，由激光調(diào)制電路、激光光源組成，光電接收裝置設(shè)置在自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航行走的小車前端，由光伏電池陣列、多路信號(hào)采集電路組成，激光發(fā)射裝置經(jīng)激光調(diào)制電路的激光光源發(fā)射過來的激光信號(hào)照射到光伏電池陣列上，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)多路信號(hào)采集電路采集，傳送給信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路，電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由單片機(jī)、485總線和上位機(jī)組成，單片機(jī)完成信號(hào)采集后，進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算，最后將導(dǎo)航信息以串行方式通過485總線傳給上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駕束式激光導(dǎo)航裝置，其特征是，所述的激光光源采用工業(yè) 級(jí)激光器，其控制線焊接在激光調(diào)制電路上，通過激光調(diào)制電路調(diào)整激光器發(fā)射的激光的 頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駕束式激光導(dǎo)航裝置，其特征是，所述的多路信號(hào)采集電路 利用模擬開關(guān)CD4052，對(duì)采集電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駕束式激光導(dǎo)航裝置，其特征是，所述的信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電 路包括光電偏置電路，帶通濾波電路，整形放大電路和二值化及采樣電路，多路信號(hào)采集 電路傳送過來的電壓信號(hào)，經(jīng)光電偏置電路進(jìn)行偏置，經(jīng)帶通濾波電路濾波，經(jīng)整形放大電 路整形放大，經(jīng)二值化及采樣電路二值化以及保持采樣后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系 統(tǒng)。
全文摘要
一種激光測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的駕束式激光導(dǎo)航裝置。激光發(fā)射裝置設(shè)置在設(shè)施機(jī)器人前進(jìn)的航向的頂端，由激光調(diào)制電路、激光光源組成，光電接收裝置設(shè)置在自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航行走的小車前端，由光伏電池陣列、多路信號(hào)采集電路組成，激光發(fā)射裝置經(jīng)激光調(diào)制電路的激光光源發(fā)射過來的激光信號(hào)照射到光伏電池陣列上，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)多路信號(hào)采集電路采集，傳送給信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路，電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換與處理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由單片機(jī)、485總線和上位機(jī)組成，單片機(jī)完成信號(hào)采集后，進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)算，最后將導(dǎo)航信息以串行方式通過485總線傳給上位機(jī)。本發(fā)明適合農(nóng)業(yè)設(shè)施大棚環(huán)境下機(jī)器人的自動(dòng)準(zhǔn)直導(dǎo)航功能，定位精度較高，實(shí)用可靠。
文檔編號(hào)G01B11/00GK101907895SQ20101024618
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者呂福香, 吳吉麟, 朱強(qiáng), 苗玉彬, 陳小波 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)