CN102393740B - 带视频采集自动避障功能的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带视频采集自动避障功能的机器人，包括机械运动机构和控制***，机械运动机构由车体、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机和控制导向机构的舵机组成；运动机构对称设置在车体两侧，导向机构与运动机构连接；主电动机和舵机设置在车体内；控制***包括激光红外探测单元、电机控制单元和NIOSII软核处理器；激光红外探测单元与NIOSII软核处理器双向电连接；电机控制单元与NIOSII软核处理器的I/O口电连接；所述的电机控制单元与所述的主电动机和舵机电连接。以一片NIOSII软核处理器和少量***电路即可构成完整的控制***实现智能避障功能，充分利用了处理器内部资源。

Description

带视频采集自动避障功能的机器人

技术领域

本发明属于智能控制技术领域，具体涉及一种带有视频采集自动避障功能的机器人。

背景技术

智能控制***设计是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。传感器技术、微机电***、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了智能控制***发展。智能控制***具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

目前所设计的机器人大多拾取信号后通过人为遥控方式进行被动避障，而不能进行主动避障。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种带视频采集自动避障功能的机器人，实现智能避障。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种带视频采集自动避障功能的机器人，包括机械运动机构和控制***，其特征在于：

所述的机械运动机构由车体、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机和控制导向机构的舵机组成；所述的运动机构对称设置在车体两侧，所述的导向机构与运动机构连接；所述的主电动机和舵机设置在车体内；

所述的控制***设置在所述的车体内，包括激光红外探测单元、电机控制单元和NIOS II软核处理器；激光红外探测单元与NIOS II软核处理器双向电连接；电机控制单元与NIOS II软核处理器的I/O口电连接；

所述的电机控制单元与所述的主电动机和舵机电连接。

按上述方案，所述的运动机构包括驱动轮、导向轮、行星轮、摆杆、主臂杆、曲柄和履带；所述的驱动轮和导向轮分别通过驱动轮轴和导向轮轴与所述的车体连接，驱动轮轴和导向轮轴之间连接摆杆；行星轮通过曲柄设置在主臂杆顶端，主臂杆顶端通过轴承与曲柄连接，主臂杆底端与摆杆中点通过轴承连接；履带绕驱动轮、导向轮和行星轮；

所述的导向机构包括同步带、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和同步带轮；所述的同步带轮为2个，套在所述的主臂杆与摆杆中点连接的轴和所述的主臂杆与曲柄连接的轴上；同步带绕着2个同步带轮；所述的舵机具有与舵机同轴的第五齿轮，第五齿轮与第一齿轮啮合，第一齿轮联动主臂杆和第二齿轮，第二齿轮联动第三齿轮再联动第四齿轮，第四齿轮联动同步带轮。

按上述方案，所述的激光红外探测避障单元由激光管发射接收模块和红外对管模块构成；激光管发射接收模块和红外对管模块分别与所述的NIOSII软核处理器电连接。

按上述方案，所述的激光管发射接收模块包括激光发射端和激光接收端，激光发射端包括NPN三极管、第五电阻R5、调制管、激光头、第一可变电阻R7和第八电阻R8，激光接收端包括接收管、第一电阻R1和第二可变电阻R2；NPN三极管的发射极接地，NPN三极管的集电极与激光头的第1引脚连接，NPN三极管的基极通过第五电阻R5与调制管的第1引脚连接，调制管的第2引脚接+5V，并且通过第一可变电阻R7接地，第一可变电阻R7的可调端通过第八电阻R8与激光头的第2引脚连接；接收管的第3引脚通过第二可变电阻R2与+5V连接，接收管的第1引脚接地，接收管的第2引脚与所述的NIOS II软核处理器I/O口电连接。

按上述方案，所述的红外对管模块包括红外对管和运算放大器，红外线经红外对管转换为电信号，再经运算放大器放大后输入给所述的NIOS II软核处理器；所述的红外对管和激光管发射接收模块通过一根连接轴连接，并安装在所述与舵机同轴的第五齿轮上。

按上述方案，所述的电机控制单元包括主电动机驱动电路和舵机驱动电路，所述的NIOSII软核处理器提供4个I/O口，其中2个与主电动机驱动电路电连接，2个与舵机驱动电路电连接。

按上述方案，在所述的车体顶部设置摄像头，所述的控制***还包括用于采集摄像头信息并无线发送给远程计算机的视频采集发送单元，视频采集发送单元与NIOSII软核处理器连接。

按上述方案，所述的摄像头为38万像素的彩色CMOS摄像头，所述的视频采集发送单元为2.4G无线音视频传输模块。

本发明的工作原理为：本发明所述的机械运动机构是通过主电动机带动运动机构进行运动，通过舵机带动导向机构进行导向，导向机构与运动机构连接，使得导向和运动相结合。

进一步设计运动机构和导向机构，由主电动机带动运动机构的驱动轮运动，使履带转动；舵机通过与舵机机同轴的第五齿轮与第一齿轮啮合，一方面带动主臂杆转动，另一方面通过双联第二齿轮、双联第三齿轮和第四齿轮的啮合，带动同步带轮旋转；同步带轮通过同步带传动进一步使与行星轮连接的曲柄回转。其中第一齿轮与第四齿轮齿数相同，第二齿轮与第三齿轮齿数相同，当舵机工作时，主臂杆转过的角度与曲柄的绝对转角大小相等、方向相反。

本发明所述的行星轮的运动轨迹按如下运动方程设计：

$\frac{x^2}{{(R+r)}^2}+\frac{y^2}{{(R-r)}^2}=1$

公式中：x表示行星轮的横坐标，y表示行星轮的纵坐标，R表示主臂杆的长度，r表示表示曲柄的长度。这是一个标准的椭圆方程，是以车体的侧面为平面的坐标系，前进方向为横轴，上下方向为纵轴，原点就是主臂杆与摆杆的接触点。

显然，这是一个标准的椭圆方程，说明本发明的机器人履带在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化。

本发明所述的控制***设置在车体内，通过激光红外探测单元判断道路状况，激光和红外发出的激光和红外线，如果在遇到障碍会被反射回来，进而反馈给NIOS II软核处理器，进而NIOS II软核处理器根据反馈的电平变化进行分析，做出判断后通过电机控制单元控制相应的电机动作。

进一步设计NIOSII软核处理器内部软件和电机控制单元的硬件，如果障碍物是高障碍的，那么通过NIOSII软核处理器上的4个与电机控制单元连接的I/O口，控制电机调整方向，从而避开障碍物；如果障碍是低障碍的话，上述的4个I/O口输出控制信号前进，可以直接越过障碍物。判断障碍物高低的信号如下所示：

进一步增加摄像头和视频采集发送单元，利用视频采集发送单元传回摄像头采集的现场画面无线传输给计算机进行监控。

本发明的有益效果为：

1、将机械运动机构、激光红外探测单元、电机控制单元和NIOSII软核处理器进行组合，安装了两个可旋转的激光管发射接收模块和一个可旋转的红外对管；红外对管和激光管发射接收模块通过一根连接轴连接，安装在与舵机的齿轮上靠舵机的转动带动它们的转动，负责探测前方180°范围内障碍物情况，可提高***的避障能力，实现智能避障。

2、以一片NIOSII软核处理器和少量***电路即可构成完整的控制***，由于充分利用了处理器内部资源，使***硬、软件设计达到了最小化，具有硬件电路模块化、抗干扰能力强、成本低廉和体积小巧的特点。

3、通过对运动机构和导向机构进行进一步的设计，采用履带式运动，并将行星轮的运动轨迹设计为标准的椭圆运动，使得变形履带传动机构在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化，确保机器人平稳行进。

附图说明

图1为本发明一实施例的控制***结构框图。

图2为本发明一实施例激光红外探测单元与NIOSII软核处理器的电路接线图。

图3为本发明一实施例电机控制单元与NIOSII软核处理器的电路接线图。

图4为本发明一实施例视频采集发送单元与NIOSII软核处理器的电路接线图。

图5为本发明一实施例机械运动机构的结构示意图。

图6为本发明一实施例的机械运动简图。

图7为行星轮轨迹坐标示意图。

上述图中：1驱动轮、2车体、3履带、4摄像头、5行星轮、6曲柄、7同步带、8摆杆、9导向轮、10主臂杆、11第四齿轮、12第一齿轮、13第二齿轮、14第三齿轮、15同步带轮、16主电动机、17舵机、18第五齿轮。

具体实施方式

图1为本发明一实施例的控制***结构框图，控制***包括激光红外探测单元、电机控制单元和NIOS II软核处理器；激光红外探测单元与NIOS II软核处理器双向电连接；电机控制单元与NIOS II软核处理器的I/O口电连接。为了便于监控，控制***还可以包括用于采集摄像头信息并无线发送给计算机的视频采集发送单元。

本实施例激光红外探测单元与NIOS II软核处理器的电路接线如图2所示。激光红外探测避障单元与NIOS II软核处理器双向电连接，激光发射端的NPN三极管的发射极与GND连接，NPN三极管的集电极与激光头第1引脚连接，NPN三极管的基极通过电阻R5与调制管的第1引脚连接，调制管的第2引脚接+5V，并且通过可变电阻R7与GND连接，电阻R7的可调端通过电阻R8与激光头的第2引脚连接；激光接收端的接收管的第3引脚通过可变电阻R2与+5V连接，接收管的第1引脚与GND连接，接收管的第2引脚与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D0连接；红外探测部分的ST188的第1引脚与LM324芯片的第3引脚连接，ST188的第2引脚和第3引脚与GND连接，ST188的第4引脚通过电阻R9与+5V连接，LM324芯片的第3引脚通过电阻R10与+5V连接，LM324芯片的第2引脚通过可变电阻R12的可变端与+5V连接，LM324芯片的第4引脚与+5V连接，LM324芯片的第11引脚与GND连接，LM324芯片的第1引脚与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D1连接。

电机控制单元与NIOS II软核处理器的电路接线如图3所示。电机控制单元与NIOS II软核处理器连接关系，驱动芯片bts7960b(U5)的第2引脚通过R20与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D24连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第3引脚通过R22与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D22连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第5引脚通过R25与GND连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第6引脚通过C22和R26与GND连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第4和第8引脚与电机第1引脚连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第7引脚与+7.2V连接，并且通过C16和C19与GND连接，驱动芯片bts7960b(U5)的第1引脚与GND连接，并且通过C20与主电机第1引脚连接；驱动芯片bts7960b(U6)的第2引脚通过R21与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D2连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第3引脚通过R23与EP3C16F484C6N芯片的GPIO0_D4连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第5引脚通过R24与GND连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第6引脚通过C22和R26与GND连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第4和第8引脚与主电机第2引脚连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第7引脚与+7.2V连接，并且通过C17和C18与GND连接，驱动芯片bts7960b(U6)的第1引脚与GND连接，并且通过C21与主电机第1引脚连接。本实施例采用双电机的形式，即所述的主电机为2个，分别控制左右两部分。

视频采集发送单元与NIOS II软核处理器的电路接线如图4所示。芯片W78E52B的第10引脚与XL02-2322AP1的第3引脚连接，芯片W78E52B的第11引脚与XL02-2322AP1的第4引脚连接，XL02-2322AP1的第1引脚与+5V连接，XL02-2322AP1的第2引脚和第6引脚与GND连接，XL02-2322AP1的第3引脚与MAX232的第11引脚连接，XL02-2322AP1的第4引脚与MAX232的第12引脚连接，MAX232的第1引脚通过C8与MAX232的第3引脚连接，MAX232的第4引脚通过C9与MAX232的第5引脚连接，MAX232的第16引脚与+5V连接，MAX232的第2引脚通过C10与+5V连接，MAX232的第15引脚与GND连接，MAX232的第6引脚通过C11与GND连接，MAX232的第14引脚与DB9的第2引脚连接，MAX232的第13引脚与DB9的第3引脚连接，DB9的第5引脚与GND连接。

图5为本发明一实施例机械运动机构的结构示意图，图6为本发明一实施例的机械运动简图，机械运动机构由车体2、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机16和控制导向机构的舵机17组成；所述的运动机构对称设置在车体两侧，所述的导向机构与运动机构连接；所述的主电动机和舵机设置在车体内。

运动机构包括驱动轮1、导向轮9、行星轮5、摆杆8、主臂杆10、曲柄6和履带3；驱动轮1和导向轮9分别通过驱动轮轴和导向轮轴与所述的车体2连接，驱动轮轴和导向轮轴之间连接摆杆8；行星轮5通过曲柄6设置在主臂杆10顶端，主臂杆10顶端通过轴承与曲柄6连接，主臂杆10底端与摆杆8中点通过轴承连接；履带3绕驱动轮1、导向轮9和行星轮5。

导向机构包括同步带7、第一齿轮12、第二齿轮13、第三齿轮14、第四齿轮11和同步带轮15；所述的同步带轮15为2个，套在所述的主臂杆10与摆杆8中点连接的轴和主臂杆10与曲柄6连接的轴上；同步带7绕着2个同步带轮15；所述的舵机17具有与舵机同轴的第五齿轮18，第五齿轮18与第一齿轮12啮合，第一齿轮12联动主臂杆10和第二齿轮13，第二齿轮13联动第三齿轮14再联动第四齿轮11，第四齿轮11联动同步带轮15。

摄像头4安装在车体2上方。红外对管和激光管发射接收模块通过一根连接轴连接，并安装在所述与舵机同轴的第五齿轮18上。

本发明机器人的机械运动参见图5和图6，通过的主电动机16带动驱动轮1运动，使履带3转动，舵机17通过与舵机同轴的第五齿轮18与第一齿轮12啮合，一方面带动主臂杆10转动；另一方面通过双联第二齿轮13、双联第三齿轮14和第四齿轮11的啮合，带动同步带轮15旋转；2个同步带轮在同步带的作用下一起旋转，并带动曲柄6旋转，曲柄6进一步使行星轮5回转。

其中第一齿轮12与第四齿轮11齿数相同，第二齿轮13与第三齿轮14、齿数相同，当舵机17工作时，主臂杆10转过的角度与曲柄6的绝对转角大小相等、方向相反。

参见图7，本发明所述的行星轮的运动轨迹为一个标准的椭圆运动轨迹，说明本发明的机器人履带在任何形状时都能保持松紧程度不发生变化。

本实施例中所选芯片仅为举例，其中激光红外探测单元可选用其他任意能够实现激光探测和红外探测功能的传感器；电机控制单元可选用其他任意与电机匹配的电机驱动电路；视频采集发送单元和摄像头可根据配置需要选用其他类型。

Claims (7)

1.一种带视频采集自动避障功能的机器人，包括机械运动机构和控制***，其特征在于：

所述的机械运动机构由车体、运动机构、导向机构、控制运动机构的主电动机和控制导向机构的舵机组成；所述的运动机构对称设置在车体两侧，所述的导向机构与运动机构连接；所述的主电动机和舵机设置在车体内；

所述的控制***设置在所述的车体内，包括激光红外探测单元、电机控制单元和NIOSII软核处理器；激光红外探测单元与NIOSII软核处理器双向电连接；电机控制单元与NIOSII软核处理器的I/O口电连接；

所述的电机控制单元与所述的主电动机和舵机电连接；

所述的运动机构包括驱动轮、导向轮、行星轮、摆杆、主臂杆、曲柄和履带；所述的驱动轮和导向轮分别通过驱动轮轴和导向轮轴与所述的车体连接，驱动轮轴和导向轮轴之间连接摆杆；行星轮通过曲柄设置在主臂杆顶端，主臂杆顶端通过轴承与曲柄连接，主臂杆底端与摆杆中点通过轴承连接；履带绕驱动轮、导向轮和行星轮；

所述的导向机构包括同步带、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮和同步带轮；所述的同步带轮为2个，套在所述的主臂杆与摆杆中点连接的轴和主臂杆与曲柄连接的轴上；同步带绕着2个同步带轮；所述的舵机具有与舵机同轴的第五齿轮，第五齿轮与第一齿轮啮合，第一齿轮联动主臂杆和第二齿轮，第二齿轮联动第三齿轮再联动第四齿轮，第四齿轮联动同步带轮。

2.根据权利要求1所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：所述的激光红外探测避障单元由激光管发射接收模块和红外对管模块构成；激光管发射接收模块和红外对管模块分别与所述的NIOSII软核处理器电连接。

3. 根据权利要求2所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：所述的激光管发射接收模块包括激光发射端和激光接收端，激光发射端包括NPN三极管、第五电阻R5、调制管、激光头、第一可变电阻R7和第八电阻R8，激光接收端包括接收管、第一电阻R1和第二可变电阻R2；NPN三极管的发射极接地，NPN三极管的集电极与激光头的第1引脚连接，NPN三极管的基极通过第五电阻R5与调制管的第1引脚连接，调制管的第2引脚接+5V，并且通过第一可变电阻R7接地，第一可变电阻R7的可调端通过第八电阻R8与激光头的第2引脚连接；接收管的第3引脚通过第二可变电阻R2与+5V连接，接收管的第1引脚接地，接收管的第2引脚与所述的NIOSII软核处理器I/O口电连接。

4. 根据权利要求2或3所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：所述的红外对管模块包括红外对管和运算放大器，红外线经红外对管转换为电信号，再经运算放大器放大后输入给所述的NIOSII软核处理器；所述的红外对管和激光管发射接收模块通过一根连接轴连接，并安装在所述与舵机同轴的第五齿轮上。

5. 根据权利要求1所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：所述的电机控制单元包括主电动机驱动电路和舵机驱动电路，所述的NIOSII软核处理器提供4个I/O口，其中2个与主电动机驱动电路电连接，2个与舵机驱动电路电连接。

6.根据权利要求1所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：在所述的车体顶部设置摄像头，所述的控制***还包括用于采集摄像头信息并无线发送给计算机的视频采集发送单元，视频采集发送单元与NIOSII软核处理器连接。

7.根据权利要求6所述的带视频采集自动避障功能的机器人，其特征在于：所述的摄像头为38万像素的彩色CMOS摄像头，所述的视频采集发送单元为2.4G无线音视频传输模块。

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