智能避障自動導(dǎo)航小車的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的智能避障自動導(dǎo)航小車，其包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模塊、GPS模塊、無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、人機(jī)界面、無線視頻采集與接收模塊、主控單元，其特征是：由主控單元控制電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊連接直流電機(jī)，主控單元控制避障模塊在固定時間間隔發(fā)出一定頻率的脈沖信號，并對返回數(shù)據(jù)給主控單元進(jìn)行采集處理，判斷前方障礙物的距離與位置，GPS模塊每間隔1S采集系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)并送給主控單元，主控單元通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送給人機(jī)界面。同事人機(jī)界面會通過無線數(shù)據(jù)模塊傳送目的坐標(biāo)給主控單元，無線視頻采集模塊固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上，接收模塊連接人機(jī)界面實時返回現(xiàn)場畫面。
【專利說明】智能避障自動導(dǎo)航小車

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于智能機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能自動導(dǎo)航、視頻采集的探測裝 置，具體設(shè)計一種智能避障自動導(dǎo)航小車。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)不斷提高、對自動化技術(shù)要求不斷加深的環(huán)境下，智能車輛 以及在智能車輛基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品已成為自動化物流運輸，柔韌生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān) 鍵設(shè)備。世界上許多國家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計。移動機(jī)器人是機(jī)器人 雪中的一個重要分支，出現(xiàn)于20實際60年代。當(dāng)時斯坦福研究院SRI的Nils Nilssen和 Charles Rose等人，在1966年之1972年中研制出來取名為shakey的自主式一定機(jī)器人， 目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從 此，移動機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動機(jī)器人的一個重要分支也得到 越來越多的關(guān)注。
[0003] 智能小車，是一個集環(huán)境感知，規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它 集中的運用了計算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合 體。
[0004] 目前以實現(xiàn)的智能機(jī)器人，大部分研究均是針對某一方面的深化研究，很少有從 整體實現(xiàn)上來對智能機(jī)器人的避障導(dǎo)航性能進(jìn)行改進(jìn)，因此從環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、 行為控制與執(zhí)行三個方面來設(shè)計構(gòu)建實體智能機(jī)器人，從整體上提升人工勢場法和慣性定 位法的決策效果。本方案擬采用環(huán)境感知、視頻采集、GPS的組合定位的方法，實現(xiàn)智能避 障自動導(dǎo)航小車的自動導(dǎo)航定位。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型的目的是提供一種智能避障自動導(dǎo)航小車。解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在 的只是從單一方面研究智能機(jī)器人的避障導(dǎo)航性能，很少從整體上對智能機(jī)器人的避障導(dǎo) 航，同時通過現(xiàn)場視頻采集，提高了智能避障自動導(dǎo)航小車的定位精度。
[0006] 本實用新型的技術(shù)方案是智能避障自動導(dǎo)航小車，其包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模 塊、GPS模塊、無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊、人機(jī)界面、無線視頻采集與接收模塊、主控單元，其 特征是：由主控單元控制電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊連接直流電機(jī)，主控單元控制避障模 塊在固定時間間隔發(fā)出一定頻率的脈沖信號，并對返回數(shù)據(jù)給主控單元進(jìn)行采集處理，判 斷前方障礙物的距離與位置，GPS模塊每間隔1S采集系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)并送給主控單元，主 控單元通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送給人機(jī)界面。同事人機(jī)界面會通過無線數(shù)據(jù)模塊傳送目的 坐標(biāo)給主控單元，無線視頻采集模塊固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上，接收模塊連接人機(jī) 界面實時返回現(xiàn)場畫面。
[0007] 所述的電機(jī)驅(qū)動模塊是由L298N進(jìn)行驅(qū)動，可以直接驅(qū)動兩個直流電機(jī)。
[0008] 所述的避障模塊采用MSR04超聲避障模塊采用10 口 TRIG觸發(fā)測距，給在觸發(fā)端 口至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，當(dāng) 有信號返回，通過10 口 ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回 的時間。測試距離=(高電平時間*聲速（340M/S))/2。
[0009] 所述的GPS模塊
[0010] 所述的無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)送模塊使用Nordic公司的nRF2401A芯片，可以工作在 雙工模式，通過主控單元控制RXEN管腳使模塊處于接收還是發(fā)射狀態(tài)。
[0011] 所述的人機(jī)界面采用labview軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示與發(fā)送。
[0012] 所述的無線視頻采集與接收模塊視頻采集部分固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上， 接收部分與人機(jī)界面相連接并通過labview對視頻進(jìn)行處理后顯示。
[0013] 所述的所述的主控單元采用的芯片是TMS320F2812。
[0014] 本實用新型的有益效果是
[0015] 相對于一般的智能避障自動導(dǎo)航小車，它只是對道路的障礙物進(jìn)行識別，并在識 別后進(jìn)行躲避動作。缺少自身的定位功能，沒有對環(huán)境畫面的實時采集，顯示。而智能避障 自動導(dǎo)航小車，在實際應(yīng)用中，不僅能躲避自身障礙物，同時能確定系統(tǒng)自身坐標(biāo)，并能自 動到達(dá)自定目的坐標(biāo)，并且對現(xiàn)場環(huán)境畫面進(jìn)行實時采集，并通過無線設(shè)備傳輸給上位機(jī)。 在戰(zhàn)場上或者工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，智能避障自動導(dǎo)航小車就會發(fā)揮 很好的作用?？梢蕴綔y化學(xué)泄露物質(zhì)，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。在 制造領(lǐng)域中，可以用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管線的泄露 和破損點的查找和定位。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本智能避障自動導(dǎo)航小車控制框圖；
[0017] 圖2為多諧振蕩電路；
[0018] 圖3為驅(qū)動電路；
[0019] 圖4為前置濾波放大電路；
[0020] 圖5為比較電路；
[0021] 圖6為電機(jī)驅(qū)動電路。

【具體實施方式】
[0022] 智能避障自動導(dǎo)航小車，其包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模塊、GPS模塊、無線數(shù)據(jù)接 收與發(fā)送模塊、人機(jī)界面、無線視頻采集與接收模塊、主控單元，其特征是：由主控單元控 制電機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊連接直流電機(jī)，主控單元控制避障模塊在固定時間間隔發(fā) 出一定頻率的脈沖信號，并對返回數(shù)據(jù)給主控單元進(jìn)行采集處理，判斷前方障礙物的距離 與位置，GPS模塊每間隔1S采集系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)并送給主控單元，主控單元通過無線數(shù)據(jù) 傳輸模塊送給人機(jī)界面。同事人機(jī)界面會通過無線數(shù)據(jù)模塊傳送目的坐標(biāo)給主控單元，無 線視頻采集模塊固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上，接收模塊連接人機(jī)界面實時返回現(xiàn)場畫 面。
[0023] 智能避障自動導(dǎo)航小車整天框圖如圖1所示。主控單元通過控制電機(jī)驅(qū)動電路 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，在行進(jìn)的過程中避障模塊實時對前方障礙物進(jìn)行采集并返回主控單元， 主控單元通過返回信號判斷前方障礙物的位置，并驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行避障動作，在行進(jìn)過程中， GPS會實時采集當(dāng)前坐標(biāo)，并通過無線數(shù)據(jù)模塊返回人機(jī)界面進(jìn)行顯示，在導(dǎo)航時，人機(jī)界 面會給出目的坐標(biāo)并通過無線數(shù)據(jù)模塊送人主控單元與當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)自動 導(dǎo)航，視頻采集使用攝像頭采集，通過無線傳輸給人機(jī)界面進(jìn)行顯示。
[0024] 智能避障自動導(dǎo)航小車在電路設(shè)計上主要采用集成電路來完成，特別是主控芯片 采用數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812來控制。主控芯片的穩(wěn)定性好，反應(yīng)速度快，以數(shù)字方 式處理信號，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的波形輸出失真，測量誤差多，程控反應(yīng)慢。由于 采用大規(guī)模集成電路設(shè)計，從而解決了硬件設(shè)計復(fù)雜，體積大、笨，難以達(dá)到較高的精度等 問題。
[0025] 智能避障自動導(dǎo)航小車設(shè)計的核心就實現(xiàn)自動避障與導(dǎo)航，具體實施過程如下：
[0026] 自動避障
[0027] 主控單元控制MSR04超聲避障模塊10 口 TRIG觸發(fā)測距，給在觸發(fā)端口至少10us 的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，當(dāng)有信號返回， 通過10 口 ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測 試距離=(高電平時間*聲速（340M/S))/2。在智能避障自動導(dǎo)航小車前方左右兩邊各放置 一個超聲傳感器。檢測前方障礙物的位置，當(dāng)檢測到障礙物時會控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn) 方向的控制，實現(xiàn)避障功能。
[0028] 自動導(dǎo)航
[0029] GPS模塊實時采集當(dāng)前坐標(biāo)，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送給人機(jī)界面進(jìn)行顯示，當(dāng) 人機(jī)界面通過無線數(shù)據(jù)模塊傳輸送出目的坐標(biāo)時，系統(tǒng)會實時計算當(dāng)前坐標(biāo)與目的坐標(biāo)的 差值，進(jìn)行比較，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)導(dǎo)航功能。
[0030] 視頻采集
[0031] 視頻采集端對現(xiàn)場環(huán)境畫面進(jìn)行采集，通過視頻接收端，送入人機(jī)交互界面，使用 Labview軟件對畫面進(jìn)行處理，Labview是通用的編程系統(tǒng)，有一個完成任何編程任務(wù)的龐 大函數(shù)庫。Labview的函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存 儲等。使用IMAQ USB模塊對圖像進(jìn)行處理，在Labview下USB攝像頭的圖像獲取上圖所 示：首選，通過IMAQ USB Enumerate Cameras子VI輸出一個包含連接于PC機(jī)全部USB 攝像頭的字符串?dāng)?shù)組。一般情況下，選擇該數(shù)組的第一個元素，通過IMAQ USB Init子VI 連接選定的攝像頭，然后經(jīng)由IMAQ USB Grab Setup初始化USB攝像頭的圖像抓取。USB 攝像頭圖像的抓取是通過IMAQUSB Grab Acquire子VI實現(xiàn)的，而該子VI所需的緩沖空 間需要使用IMAQ Create子VI進(jìn)行設(shè)置。通過使用Image Display控件可以顯示抓取到 的圖。
[0032] 當(dāng)然，僅僅顯示抓取到的圖像而不將連續(xù)的圖像壓縮保存成視頻文件是無法構(gòu) 成一個完整的圖像采集系統(tǒng)的。Labview中可以簡單地通過IMAQAVI Create、IMAQ AVI Write Frame、IMAQ AVI Close等子VI實現(xiàn)AVI視頻的壓縮保存。在while循環(huán)外通過 AVI Create子VI初始化AVI的保存路徑及編碼器名稱后，在while循環(huán)內(nèi)即可將抓取 到的圖像通過IMAQ AVI Write Frame寫入AVI文件的每一巾貞中。
[0033] 實施例2
[0034] 多諧振蕩電路如圖2所示：圖中是由NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路，多諧振蕩器又稱 為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器旺它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)旺只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后旺 經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩 形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。
[0035] 輸出高電平時間T=(Wl+R2)Clln2 ;
[0036] 輸出低電平時間T=R2Clln2;
[0037] 振蕩周期 T=(Wl+2R2)Clln2。
[0038] 可以通過調(diào)節(jié)W1的電阻值，調(diào)節(jié)超聲傳感器輸出脈沖的頻率。當(dāng)超聲傳感器輸出 端需要輸出脈沖信號時，信號處理芯片的GPI0 口輸出高電位即可。
[0039] 驅(qū)動電路如圖3所示，圖2輸出的震蕩信號，經(jīng)由⑶4096驅(qū)動，提到帶負(fù)載能力， 驅(qū)動超聲傳感器發(fā)射端輸出信號。
[0040] 前置濾波放大電路如圖4所示：聲波遇到障礙物時進(jìn)行發(fā)射，經(jīng)由（6)超聲傳感器 接收端對反射信號進(jìn)行接收。經(jīng)交流耦合到C4進(jìn)行放大，第一級放大倍數(shù)為Al= - R6/R3= 一50 ;第二級放大倍數(shù)為A2= - R10/R7= - 20 ;兩級總增益為A=A1*A2=1000。
[0041] 比較電路如圖5所示：信號經(jīng)圖4放大后，送入圖5,進(jìn)行比較，當(dāng)經(jīng)過兩級放大后 的信號大于V-=5* (R7*R9)AR7+R9)=2. 5V時，比較電路輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號，送入信號處 理芯片。當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時，超聲傳感器接收端沒有信號接收，比較電路輸出低電位，當(dāng) 接收到障礙物反射信號后，經(jīng)過圖4放大后，且信號大于2. 5V，比較電路輸出高電位，電平 發(fā)生變化。
[0042] 電機(jī)驅(qū)動電路如圖6所示：模塊上的VIN為電機(jī)電壓輸入端，VCC為芯片5V供電 端，電路設(shè)有內(nèi)部供電跳線，0N為選擇內(nèi)部供電，OFF為不選擇，如果電機(jī)電壓在7-14V范 圍內(nèi)可選擇內(nèi)部穩(wěn)壓供電(跳線設(shè)置為0N檔)，此時VCC不用外接電源(可外接線作為外問 邏輯供電）電機(jī)工作電壓在7V以下或者14V以上時為使電路工作穩(wěn)定不選擇內(nèi)部5V供 電(跳線設(shè)置為0FF)，同時需要外接5V給模塊芯片供電。M1、M2可驅(qū)動兩路直流電機(jī)。
【權(quán)利要求】
1. 智能避障自動導(dǎo)航小車，其包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、避障模塊、GPS模塊、無線數(shù)據(jù)接收 與發(fā)送模塊、人機(jī)界面、無線視頻采集與接收模塊、主控單元，其特征是：由主控單元控制電 機(jī)驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊連接直流電機(jī)，主控單元控制避障模塊在固定時間間隔發(fā)出一 定頻率的脈沖信號，并對返回數(shù)據(jù)給主控單元進(jìn)行采集處理，判斷前方障礙物的距離與位 置，GPS模塊每間隔1S采集系統(tǒng)的當(dāng)前坐標(biāo)并送給主控單元，主控單元通過無線數(shù)據(jù)傳輸 模塊送給人機(jī)界面；同事人機(jī)界面會通過無線數(shù)據(jù)模塊傳送目的坐標(biāo)給主控單元，無線視 頻采集模塊固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上，接收模塊連接人機(jī)界面實時返回現(xiàn)場畫面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的電機(jī)驅(qū)動模塊是 由L298N進(jìn)行驅(qū)動，可以直接驅(qū)動兩個直流電機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的避障模塊采用 MSR04超聲避障模塊采用10 口 TRIG觸發(fā)測距，給在觸發(fā)端口至少10us的高電平信號，模塊 自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，當(dāng)有信號返回，通過10 口 ECHO輸 出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間；測試距離=(高電平時 間 * 聲速（340M/S))/2。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的GPS模塊使用 u-blox公司的LEA-5S模塊，可實現(xiàn)熱啟動1秒鐘快速定位，1路RS232電平串口可直接與 電腦串口進(jìn)行通信。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的無線數(shù)據(jù)接收與 發(fā)送模塊使用Nordic公司的nRF2401A芯片，可以工作在雙工模式，通過主控單元控制RXEN 管腳使模塊處于接收還是發(fā)射狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的人機(jī)界面采用 labview軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示與發(fā)送。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的無線視頻采集與 接收模塊視頻采集部分固定在智能避障自動導(dǎo)航小車上，接收部分與人機(jī)界面相連接并通 過labview對視頻進(jìn)行處理后顯示。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能避障自動導(dǎo)航小車，其特征是：所述的主控單元采用的 芯片是 TMS320F2812。
【文檔編號】G05D1/02GK203870473SQ201320837314
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】雷宇, 王方 申請人:西安科技大學(xué)高新學(xué)院