CN104731091A - 智能避障自动导航小车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的智能避障自动导航小车，其包括：电机驱动模块、避障模块、GPS模块、无线数据接收与发送模块、人机界面、无线视频采集与接收模块、主控单元，其特征是：由主控单元控制电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，主控单元控制避障模块在固定时间间隔发出一定频率的脉冲信号，并对返回数据给主控单元进行采集处理，判断前方障碍物的距离与位置，GPS模块每间隔1S采集***的当前坐标并送给主控单元，主控单元通过无线数据传输模块送给人机界面。同事人机界面会通过无线数据模块传送目的坐标给主控单元，无线视频采集模块固定在智能避障自动导航小车上，接收模块连接人机界面实时返回现场画面。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人技术领域，涉及一种能自动导航、视频采集的探测装置，具体设计一种智能避障自动导航小车。
背景技术
目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输，柔韧生产组织等***的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人雪中的一个重要分支，出现于20实际60年代。当时斯坦福研究院SRI的Nils Nilssen和Charles Rose等人，在1966年之1972年中研制出来取名为shakey的自主式一定机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人***的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。
智能小车，是一个集环境感知，规划决策，自动行驶等功能于一体的综合***，它集中的运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
目前以实现的智能机器人，大部分研究均是针对某一方面的深化研究，很少有从整体实现上来对智能机器人的避障导航性能进行改进，因此从环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行三个方面来设计构建实体智能机器人，从整体上提升人工势场法和惯性定位法的决策效果。本方案拟采用环境感知、视频采集、GPS的组合定位的方法，实现智能避障自动导航小车的自动导航定位。
发明内容
本发明的目的是提供一种智能避障自动导航小车。解决了现有技术中存在的只是从单一方面研究智能机器人的避障导航性能，很少从整体上对智能机器人的避障导航，同时通过现场视频采集，提高了智能避障自动导航小车的定位精度。
本发明的技术方案是智能避障自动导航小车，其包括：电机驱动模块、避障模块、GPS模块、无线数据接收与发送模块、人机界面、无线视频采集与接收模块、主控单元，其特征是：由主控单元控制电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，主控单元控制避障模块在固定时间间隔发出一定频率的脉冲信号，并对返回数据给主控单元进行采集处理，判断前方障碍物的距离与位置，GPS模块每间隔1S采集***的当前坐标并送给主控单元，主控单元通过无线数据传输模块送给人机界面。同事人机界面会通过无线数据模块传送目的坐标给主控单元，无线视频采集模块固定在智能避障自动导航小车上，接收模块连接人机界面实时返回现场画面。
所述的电机驱动模块是由L298N进行驱动，可以直接驱动两个直流电机。
所述的避障模块采用MSR04超声避障模块采用IO口TRIG触发测距，给在触发端口至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，当有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
所述的GPS模块
所述的无线数据接收与发送模块使用Nordic公司的nRF2401A芯片，可以工作在双工模式，通过主控单元控制RXEN 管脚使模块处于接收还是发射状态。
所述的人机界面采用labview软件实现数据的接收、显示与发送。
所述的无线视频采集与接收模块视频采集部分固定在智能避障自动导航小车上，接收部分与人机界面相连接并通过labview对视频进行处理后显示。
所述的所述的主控单元采用的芯片是TMS320F2812。
本发明的有益效果是
相对于一般的智能避障自动导航小车，它只是对道路的障碍物进行识别，并在识别后进行躲避动作。缺少自身的定位功能，没有对环境画面的实时采集，显示。而智能避障自动导航小车，在实际应用中，不仅能躲避自身障碍物，同时能确定***自身坐标，并能自动到达自定目的坐标，并且对现场环境画面进行实时采集，并通过无线设备传输给上位机。在战场上或者工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，智能避障自动导航小车就会发挥很好的作用。可以探测化学泄露物质，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。在制造领域中，可以用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄露和破损点的查找和定位。
附图说明
图1是本智能避障自动导航小车控制框图；
图2为多谐振荡电路；
图3为驱动电路
图4为前置滤波放大电路；
图5为比较电路；
图6为电机驱动电路。
具体实施方式
智能避障自动导航小车，其包括：电机驱动模块、避障模块、GPS模块、无线数据接收与发送模块、人机界面、无线视频采集与接收模块、主控单元，其特征是：由主控单元控制电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，主控单元控制避障模块在固定时间间隔发出一定频率的脉冲信号，并对返回数据给主控单元进行采集处理，判断前方障碍物的距离与位置，GPS模块每间隔1S采集***的当前坐标并送给主控单元，主控单元通过无线数据传输模块送给人机界面。同事人机界面会通过无线数据模块传送目的坐标给主控单元，无线视频采集模块固定在智能避障自动导航小车上，接收模块连接人机界面实时返回现场画面。
智能避障自动导航小车整天框图如图1所示。主控单元通过控制电机驱动电路控制电机的转向，在行进的过程中避障模块实时对前方障碍物进行采集并返回主控单元，主控单元通过返回信号判断前方障碍物的位置，并驱动电机进行避障动作，在行进过程中，GPS会实时采集当前坐标，并通过无线数据模块返回人机界面进行显示，在导航时，人机界面会给出目的坐标并通过无线数据模块送人主控单元与当前坐标进行比较，从而实现自动导航，视频采集使用摄像头采集，通过无线传输给人机界面进行显示。
智能避障自动导航小车在电路设计上主要采用集成电路来完成，特别是主控芯片采用数字信号处理芯片TMS320F2812来控制。主控芯片的稳定性好，反应速度快，以数字方式处理信号，从而解决了现有技术中存在的波形输出失真，测量误差多，程控反应慢。由于采用大规模集成电路设计，从而解决了硬件设计复杂，体积大、笨，难以达到较高的精度等问题。
智能避障自动导航小车设计的核心就实现自动避障与导航，具体实施过程如下：
自动避障
主控单元控制MSR04超声避障模块IO口TRIG触发测距，给在触发端口至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，当有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。在智能避障自动导航小车前方左右两边各放置一个超声传感器。检测前方障碍物的位置，当检测到障碍物时会控制电机的转向，从而实现方向的控制，实现避障功能。
自动导航
GPS模块实时采集当前坐标，并通过无线数据传输模块送给人机界面进行显示，当人机界面通过无线数据模块传输送出目的坐标时，***会实时计算当前坐标与目的坐标的差值，进行比较，从而调节电机的转向，实现导航功能。
视频采集
视频采集端对现场环境画面进行采集，通过视频接收端，送入人机交互界面，使用Labview软件对画面进行处理，Labview是通用的编程***，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。Labview 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。使用IMAQ USB 模块对图像进行处理，在Labview 下USB 摄像头的图像获取：首选，通过IMAQ USB Enumerate Cameras 子VI 输出一个包含连接于PC 机全部USB 摄像头的字符串数组。一般情况下，选择该数组的第一个元素，通过IMAQ USB Init 子VI 连接选定的摄像头，然后经由IMAQ USB Grab Setup 初始化USB 摄像头的图像抓取。USB 摄像头图像的抓取是通过IMAQUSB Grab Acquire 子VI 实现的，而该子VI 所需的缓冲空间需要使用IMAQ Create 子VI 进行设置。通过使用Image Display 控件可以显示抓取到的图。
当然，仅仅显示抓取到的图像而不将连续的图像压缩保存成视频文件是无法构成一个完整的图像采集***的。Labview 中可以简单地通过IMAQAVI Create、IMAQ AVI Write Frame、IMAQ AVI Close等子VI 实现AVI 视频的压缩保存。在while 循环外通过AVI Create 子VI 初始化AVI 的保存路径及编码器名称后，在while 循环内即可将抓取到的图像通过IMAQ AVI Write Frame 写入AVI文件的每一帧中。
实施例2
多谐振荡电路如图2所示：图中是由NE555构成的多谐振荡电路，多谐振荡器又称为无稳态触发器它没有稳定的输出状态只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器。
输出高电平时间 T=(W1+R2)C1ln2 ;
输出低电平时间T=R2C1ln2;
振荡周期 T=(W1+2R2)C1ln2。
可以通过调节W1的电阻值，调节超声传感器输出脉冲的频率。当超声传感器输出端需要输出脉冲信号时，信号处理芯片的GPIO口输出高电位即可。
驱动电路如图3所示，图2 输出的震荡信号，经由CD4096驱动，提到带负载能力，驱动超声传感器发射端输出信号。
前置滤波放大电路如图4所示：声波遇到障碍物时进行发射，经由（6）超声传感器接收端对反射信号进行接收。经交流耦合到C4进行放大，第一级放大倍数为A1= —R6/R3= —50；第二级放大倍数为A2= —R10/R7= —20；两级总增益为A=A1*A2=1000。
比较电路如图5所示：信号经图4放大后，送入图5，进行比较，当经过两级放大后的信号大于V-=5*（R7*R9）/(R7+R9)=2.5V时，比较电路输出标准的TTL信号，送入信号处理芯片。当前方没有障碍物时，超声传感器接收端没有信号接收，比较电路输出低电位，当接收到障碍物反射信号后，经过图4放大后，且信号大于2.5V，比较电路输出高电位，电平发生变化。
电机驱动电路如图6所示：模块上的VIN 为电机电压输入端，VCC 为芯片5V 供电端，电路设有内部供电跳线，ON 为选择内部供电，OFF 为不选择，如果电机电压在7-14V 范围内可选择内部稳压供电（跳线设置为ON 档），此时VCC 不用外接电源（可外接线作为外问逻辑供电）电机工作电压在7V 以下或者14V 以上时为使电路工作稳定不选择内部5V 供电（跳线设置为OFF），同时需要外接5V 给模块芯片供电。M1、M2可驱动两路直流电机。
Claims (8)
1.智能避障自动导航小车，其包括：电机驱动模块、避障模块、GPS模块、无线数据接收与发送模块、人机界面、无线视频采集与接收模块、主控单元，其特征是：由主控单元控制电机驱动模块，电机驱动模块连接直流电机，主控单元控制避障模块在固定时间间隔发出一定频率的脉冲信号，并对返回数据给主控单元进行采集处理，判断前方障碍物的距离与位置，GPS模块每间隔1S采集***的当前坐标并送给主控单元，主控单元通过无线数据传输模块送给人机界面；同事人机界面会通过无线数据模块传送目的坐标给主控单元，无线视频采集模块固定在智能避障自动导航小车上，接收模块连接人机界面实时返回现场画面。
2.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的电机驱动模块是由L298N进行驱动，可以直接驱动两个直流电机。
3.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的避障模块采用MSR04超声避障模块采用IO口TRIG触发测距，给在触发端口至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，当有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
4.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的GPS模块使用u-blox公司的LEA-5S模块，可实现热启动1秒钟快速定位，1路RS232电平串口可直接与电脑串口进行通信。
5.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的无线数据接收与发送模块使用Nordic公司的nRF2401A芯片，可以工作在双工模式，通过主控单元控制RXEN 管脚使模块处于接收还是发射状态。
6.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的人机界面采用labview软件实现数据的接收、显示与发送。
7.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的无线视频采集与接收模块视频采集部分固定在智能避障自动导航小车上，接收部分与人机界面相连接并通过labview对视频进行处理后显示。
8.根据权利要求1所述的智能避障自动导航小车，其特征是：所述的主控单元采用的芯片是TMS320F2812。
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