CN101907895A

CN101907895A - 驾束式激光导航装置

Info

Publication number: CN101907895A
Application number: CN 201010246185
Authority: CN
Inventors: 苗玉彬; 陈小波; 吴吉麟; 吕福香; 朱强
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2030-08-06
Also published as: CN101907895B

Abstract

一种激光测量技术领域的驾束式激光导航装置。激光发射装置设置在设施机器人前进的航向的顶端，由激光调制电路、激光光源组成，光电接收装置设置在自动准直导航行走的小车前端，由光伏电池阵列、多路信号采集电路组成，激光发射装置经激光调制电路的激光光源发射过来的激光信号照射到光伏电池阵列上，产生电压信号，经多路信号采集电路采集，传送给信号转换与处理电路，电压信号经信号转换与处理电路转换为数字信号，传送给控制***，控制***由单片机、485总线和上位机组成，单片机完成信号采集后，进行导航运算，最后将导航信息以串行方式通过485总线传给上位机。本发明适合农业设施大棚环境下机器人的自动准直导航功能，定位精度较高，实用可靠。

Description

驾束式激光导航装置

技术领域

本发明涉及的是一种激光测量技术领域的装置，具体涉及的是一种驾束式激光导航装置。

背景技术

在农业设施化环境中，AGV***在喷雾、灌溉、采摘和搬运等作业场合有着独特的优势和广泛的应用前景。AGV技术的引入，可以大大提高劳动生产效率，改善劳动条件。导航技术作为AGV的核心技术成为研究热点。设施化环境不同于结构化环境。设施化环境中能够对AGV导航***正常工作产生干扰的环境因子众多，包括环境温度、湿度、光照强度等等，这些环境因子为AGV导航***的适应性提出了特殊的要求。另一方面，设施化环境下AGV一般完成物料的直线搬运，运行路线较为简单。AGV激光驾束导航***主要由激光发射装置和光电接收装置两部分构成，光电接收装置的类型一般有光电位置传感器(PSD)和光伏电池两种类型。

经对现有技术文献的检索发现，专利申请公开号：CN201156209，名称：直线运动激光导航测量装置，该技术采用二维PSD进行光电接收。由于有效探测面积过小，难以满足农业环境下AGV姿态大幅变动的要求，同时PSD价格相对高昂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种驾束式激光导航装置，解决了农业设施环境下机器人的自动准直导航行走问题，本发明通过设计光伏电池阵列，有效增大探测面积，很好地满足了农业设施环境的要求；而且成本低廉，实用可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明由激光发射装置、光电接收装置、信号转换与处理电路及控制***四部分组成，其中激光发射装置设置在设施机器人前进的航向的顶端，由激光调制电路、激光光源组成，光电接收装置设置在自动准直导航行走的小车前端，由光伏电池阵列、多路信号采集电路组成，激光发射装置经激光调制电路的激光光源发射过来的激光信号照射到光伏电池阵列上，产生电压信号，经多路信号采集电路采集，传送给信号转换与处理电路，电压信号经信号转换与处理电路转换为数字信号，传送给控制***，控制***由单片机、485总线和上位机组成，单片机完成信号采集后，进行导航运算，最后将导航信息以串行方式通过485总线传给上位机。

所述的激光光源采用工业级激光器，其控制线焊接在激光调制电路上，通过激光调制电路调整激光器发射的激光的频率。

所述的多路信号采集电路利用模拟开关CD4052，对采集电路进行了简化。

所述的信号转换与处理电路包括：光电偏置电路，带通滤波电路，整形放大电路和二值化及采样电路，多路信号采集电路传送过来的电压信号，经光电偏置电路进行偏置，经带通滤波电路滤波，经整形放大电路整形放大，经二值化及采样电路二值化以及保持采样后，转换为数字信号，传送给控制***。

本发明由于现场环境条件差异性的限制，传统的红外、超声、GPS和机器视觉等导航方式难以很好地满足AGV导航要求；而磁力线、电力线埋设等方式，需要进行基建施工、破坏土壤环境，难以推广应用。本发明利用激光引导有不需要基建施工，在设施环境中抗干扰能力强的优势。本发明较好地解决了激光扫描定位技术控制结构复杂，需要预设参考坐标，且成本较高等问题，针对设施化环境下AGV的工作特点，采用激光驾束导航，集光、电、机、计算机和自动控制于一体，制作方便，成本低，抗干扰性能好，非常适合于直线行走的场合。

本发明适合农业设施大棚环境下机器人的自动准直导航功能，定位精度较高，成本低，结构实用可靠，搞干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的一个应用实例外观示意图；

图3是激光调制电路；

图4是光伏电池阵列工作方式；

图5是多路信号采集电路；

图6是光电偏置电路；

图7是有源带通滤波电路；

图8是整形放大电路；

图9是二值化及采样保持电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例由激光发射装置，光电接收装置，信号转换与处理电路，及控制***四两部分构成。激光发射装置包括激光调制电路1、激光光源2，设置在设施机器人前进的航向的顶端；光电接收装置设置在小车前端，包括光伏电池阵列3与多路信号采集电路4。激光发射装置发射的激光照射到光伏电池阵列3上，产生电压信号，经多路信号采集电路4采集，传送给信号转换与处理电路9。电压信号经过信号转换与处理电路9的一系列处理，转换为数字信号，传送给控制***。控制***由单片机10、485总线11和上位机12组成。单片机10在对硬件处理电路完成信号采集后，进行导航运算，最后将导航信息以串行方式通过485总线11传给上位机12。

其中信号转换与处理电路9包括：光电偏置电路5，带通滤波电路6，整形放大电路7和二值化及采样电路8。

如图2所示，本实施例的外观示意图，激光发射装置设置在设施机器人前进的航向的顶端，光电接收装置设置在设施机器人的前端，接收前面激光光源发射过来的激光信号。

如图3所示，激光调制电路左半部分为矩形波发生器，右半部分为NPN三极管9014电路。矩形波发生器产生矩形波，用以驱动NPN三极管导通和截止。本实例使用的激光器为100mW工业级激光头，其控制线连接在激光调制电路右上角的“1”、“2”两个端口上，其控制方式为端口断开，激光器开启。在矩形波发生器输出波形为负时，NPN三极管截止，1、2两端口断开，激光器开启。通过调整矩形波发生器的振荡周期，可调整激光器发射激光的频率。本实施例将调制激光工作频率定为2KHz。

如图4所示，当多个光电池组成光电池阵列后，就可以根据产生光伏效应电池的位置，得到当前AGV相对于预定路径(激光光束)的偏移信息。从图4可以看出，激光光束进入光电接收装置时，会直接照射在硅光电池阵列的某个电池上。阵列中的电池都包含有各自的位置信息。在硅光电池阵列上建立坐标轴X，则每块电池都构成了X轴上的一段区域。当激光光束照射在某块光电池上时，电池产生相应的电压或电流信号，由后续电路完成各种处理和采样，再根据该光电池的编号，确定激光光束的照射范围。设激光光束在光伏电池阵列上的照射点与坐标原点间的距离为L，简称为光照点距离。控制***根据光照点距离L、采样时间Δt以及由光电编码盘反馈的轮速信息进一步计算出位置误差S及角度误差θ。

本实施例需要将9块光电池做成一维阵列，如果在每块光电池后都加上相同的处理电路，会使整个采集电路非常复杂。为此，本导航装置利用模拟开关CD4052，对采集电路进行简化，原理如图5所示。CD4052芯片是一个双四通道数字控制模拟开关，通过改变控制输入端A、B的电平，能够切换X、Y与不同的光电池输入信号连接。用两个CD4052作为二级开关，分别连接1～4号、5～8号块光电池。再用一个CD4052作为一级开关，连接0号光电池及两个二级开关的输出端。这样，单片机通过改变CD4052控制输入A、B，即可对不同光电池进行分别采样，而且只需要一个信号转换与处理电路。

图6至图9为信号转换与处理电路的各个步骤。

如图6所示，Battery-为光电池负端，PGND为模拟地，同时也接在光电池正端。这里选用的反馈电阻R4＝10KΩ，可以将短路电流I_SC放大10⁴，得到偏置电路输出电压为4.2V。经过计算，此时放大器的输入电阻不到1Ω，可以满足较高频响要求。通过分析光伏电池的伏安特性曲线，选择电流线性放大电路作为光伏电池的偏置电路，频率响应较好，失真小。

如图7所示，带通滤波电路设计了四阶有源带通滤波器，中心频率为2KHz，频带宽度1.8KHz～2.2KHz。该四阶滤波器由两个相同型式的二阶滤波器组成，对二者建立物理模型，进行拉氏变化，可以得到该有源带通滤波电路的传递函数，进而得到该带通滤波器的对数幅频特性及对数相频特性。滤波器起到了滤除低频及其他高频干扰的作用。

如图8所示，整形放大电路用来除去滤波电路中引入的偏置电压，以及拉大有效信号与干扰信号的电平差值。整形放大电路实际上是一个差分比例运算电路，运放正端接参考电平0.5Vcc，负端接输入电压。经过整形放大电路后，导航信号转变为单一的正弦信号，且幅值变为原来的两倍。

如图9所示，二值化及采样保持电路将导航信号从模拟量转变为数字量，并对其进行采样保持。二值化电路从原理上看是门限电路，当输入信号小于固定阈值时，输出电压保持低电平；当输入信号大于固定阈值时，输出电压为高电平。此处固定阈值应略小于正弦电压信号的幅值，此处取3V。经过门限电路，正弦信号变为方波信号。保持采样电路的核心是D触发器7474。单片机通过P1.6引脚控制其清零，P1.7引脚检测7474输出信号。D口和置位口均保持高电平。当CLK口接收方波信号，D触发器检测到上升沿脉冲，检测到方波信号后，输出数字信号“1”。

通过图6至图9的过程，完成了导航信号的变换和处理。经过光电转换，有源滤波，整形放大，二值化以及保持采样，导航信号从高频激光信号变为数字信号，供单片机***进行后续计算。

本实施例以激光光束为导引基准，利用光伏电池阵列对该基准做准直测量，并通过信号转换与处理电路对激光信号进行转换和处理，最后通过单片机与上位机进行数据处理运算，控制运动机构使设施机器人沿预定航向行走。本实施例针对农业设施环境的特点，在满足导航精度要求的基础上，为设施机器人提供了一种更为经济有效的导航方式。

Claims

1.一种驾束式激光导航装置，其特征在于，由激光发射装置、光电接收装置、信号转换与处理电路及控制***四部分组成，其中激光发射装置设置在设施机器人前进的航向的顶端，由激光调制电路、激光光源组成，光电接收装置设置在自动准直导航行走的小车前端，由光伏电池阵列、多路信号采集电路组成，激光发射装置经激光调制电路的激光光源发射过来的激光信号照射到光伏电池阵列上，产生电压信号，经多路信号采集电路采集，传送给信号转换与处理电路，电压信号经信号转换与处理电路转换为数字信号，传送给控制***，控制***由单片机、485总线和上位机组成，单片机完成信号采集后，进行导航运算，最后将导航信息以串行方式通过485总线传给上位机。

2.根据权利要求1所述的驾束式激光导航装置，其特征是，所述的激光光源采用工业级激光器，其控制线焊接在激光调制电路上，通过激光调制电路调整激光器发射的激光的频率。

3.根据权利要求1所述的驾束式激光导航装置，其特征是，所述的多路信号采集电路利用模拟开关CD4052，对采集电路进行了简化。

4.根据权利要求1所述的驾束式激光导航装置，其特征是，所述的信号转换与处理电路包括：光电偏置电路，带通滤波电路，整形放大电路和二值化及采样电路，多路信号采集电路传送过来的电压信号，经光电偏置电路进行偏置，经带通滤波电路滤波，经整形放大电路整形放大，经二值化及采样电路二值化以及保持采样后，转换为数字信号，传送给控制***。