CN104750108B - 一种具有全方位测距功能的移动平台及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有全方位测距功能的移动平台及其测距方法，移动平台包括：环氧树脂板设置在底层，环氧树脂板上方依次设置有第一层铝板、第二层铝板，环氧树脂板的底部设置有支撑轮和驱动轮；电源模块设置在环氧树脂板上，控制模块、鉴相模块和驱动模块设置在第一层铝板上；超声模块、射频模块设置在第二层铝板上；以控制模块为中心，鉴相模块和驱动模块完成移动平台的运动功能；超声模块和射频模块完成移动平台的测距功能。测距方法包括：移动平台A、B确认测距信息后，移动平台A发出超声信号并开启计时，在收到移动平台B发出的超声信号后停止计时，测算测距距离。本发明避免了测距对时间同步性的要求，提高了测距的精确度和实时性。

Description

一种具有全方位测距功能的移动平台及其测距方法

技术领域

本发明涉及测距领域，尤其涉及一种具有全方位测距功能的移动平台及其测距方法。

背景技术

随着社会生产力的发展和现代科技水平的进步，人们对移动机器人的定位能力提出了更高的要求。快速精准的定位成为了移动机器人在工业、服务业和物流等领域的广泛应用前提。

现有的定位研究主要分为基于测距的定位和基于非测距的定位，其中基于测距的定位因其定位精度高而被广泛使用。当前移动机器人采用的测距技术主要有超声技术、红外技术、激光技术以及视觉技术等。

发明人在实现本发明的过程中发现，现有技术中至少存在以下缺点和不足：

采用现有的移动机器人平台很难实现一次获取到360°全方位信息的测距功能，如要实现全方位测距，需要将移动机器人平台或者传感器进行旋转，这样不仅会提高控制算法的复杂度，而且还会降低测距的定位精度和实时性。

发明内容

本发明提供了一种具有全方位测距功能的移动平台及其测距方法，本发明提高了移动平台的稳定性，提高了测距的精确度和实时性，详见下文描述：

一种具有全方位测距功能的移动平台，包括：机械结构和硬件结构，

所述机械结构包括：环氧树脂板、第一层铝板、第二层铝板、支撑轮和驱动轮；

所述环氧树脂板设置在底层，所述环氧树脂板上方依次设置有所述第一层铝板、所述第二层铝板，所述环氧树脂板的底部对称设置有支撑轮和驱动轮；

所述硬件结构包括：电源模块、控制模块、鉴相模块、驱动模块、超声模块和射频模块；

所述电源模块设置在所述环氧树脂板上，所述控制模块、所述鉴相模块和所述驱动模块设置在所述第一层铝板上；所述超声模块、所述射频模块设置在所述第二层铝板上；

所述鉴相模块处理脉冲编码器反馈的脉冲信号检测车轮的速度或者里程，将处理之后的信号传输给所述控制模块，判断移动平台的运动速度和距离。

其中，所述支撑轮和驱动轮采用四轮布局结构形式。

所述电源模块包括：可充电电池和稳压芯片，所述稳压芯片采用LM2596固定输出型稳压芯片。

进一步地，所述控制模块的型号为MC9S12XS128的单片机。

其中，所述驱动模块采用4个BTS7960芯片组成双H桥，用以分别驱动两个直流减速电机。

所述超声模块采用收发独立超声传感器。所述射频模块采用基于NRF24L01无线收发芯片的无线射频模块。

一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，所述测距方法包括以下步骤：

移动平台A与B进行身份验证，移动平台B接受测距应答后开启超声模块，进入接收模式；

移动平台A获取到移动平台B的测距应答后开启超声模块中的发射模式，移动平台A开始计时，时间T_a后移动平台A进入接收模式；

移动平台B接收到超声信号之后启动定时，经过时间T_b之后，发射超声信号；

移动平台A接收到超声信号之后，立即停止计时，获取计时总时间T_总；

超声信号传播单程时间T_声为：

T_声＝(T_总-T_b)/2

所测距离S为：

S＝V_声·T_声

其中，V_声为超声波速度。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、移动平台机械结构的设计与搭建。设计并实现了一些具有圆形机械结构的移动平台，为了合理布置硬件模块并预留出足够空间，该移动平台被设计为三层空间结构，并且利用四轮结构对其进行驱动和支撑，使其运动起来更加灵活稳定。

2、硬件模块是根据要实现的运动控制功能、测距功能等要求，搭建起来的电路模块。该移动平台主要包括六个硬件模块，分别是电源模块、控制模块、鉴相模块、驱动模块、超声模块、射频模块。它们一起为移动平台功能的实现提供了硬件基础。

3、主动反射式测距算法通过结合无线射频和超声波技术，避免了测距对时间同步性的要求，并且大大降低了控制算法的复杂度，提高了测距的精确度和实时性。

附图说明

图1为一种具有全方位测距功能的移动平台的结构示意图；

图2为机械结构的示意图；

图3-1为硬件结构布局底层仰视图；

图3-2为硬件结构布局底层俯视图；

图3-3为硬件结构布局中间层俯视图；

图3-4为硬件结构布局第三层正视图；

图4为电源模块的电路图；

图5为驱动模块的电路图；

图6为一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法的流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：机械结构； 2：硬件结构；

11：环氧树脂板； 12：第一层铝板；

13：第二层铝板； 14：支撑轮；

15：驱动轮； 16：直流减速电机；

21：电源模块； 22：控制模块；

23：鉴相模块； 24：驱动模块；

25：超声模块； 26：射频模块；

211：可充电电池； 212：稳压芯片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种具有全方位测距功能的移动平台，参见图1，包括：机械结构1和硬件结构2。其中，机械结构承载所用到的电源、电机、传感器以及硬件模块等各个部件。为了更好地实现移动平台的运动指标，该机械结构的设计主要考虑了车身设计、车轮布局以及各模块安装的空间位置要求。硬件结构是根据要实现的运动控制功能、测距功能等要求，搭建起来的电路模块。

参见图2，机械结构1采用三层结构(本发明实施例以三层高度为20cm左右为例进行说明，具体实现时本发明实施例对此不做限制)，所需承重不大但需要较多的手工加工，为了使车身重心高度尽可能降低以及便于进行打磨、钻孔等工艺加工，该机械结构1包括：一层环氧树脂板11、第一层铝板12、第二层铝板13、支撑轮14和驱动轮15。环氧树脂板11设置在底层，环氧树脂板11上方依次设置有第一层铝板12、第二层铝板13，环氧树脂板11的底部对称设置有支撑轮14和驱动轮15。

在安装时，将比较重的环氧树脂板11放在最下面，而上面两层用铝板，这样就有效降低了移动平台的重心高度，使移动平台移动起来更加稳定。

其中，支撑轮14和驱动轮15选用了四轮布局结构形式，提高运动的灵活性；同时为了解决四点不共面问题，本发明实施例将其中一个支撑轮14设计为虚着地，防止“架空”中间的驱动轮，影响驱动性能；在遇到路面有凸起时，这样的设计也可以起到临时支撑作用，保证移动平台的平稳性。

综合考虑移动平台面向室内环境以及移动平台整体大小和重量，该支撑轮14选用了外径65mm，宽度27mm，内嵌海绵内胆的橡胶车轮。该橡胶车轮不但具有较大的摩擦力，防滑效果好，而且具有优良的抗震、抗颠簸性能。

参见图3-1、图3-2、图3-3和图3-4，硬件结构包括：电源模块21、控制模块22、鉴相模块23、驱动模块24、超声模块25和射频模块26。它们一起为移动平台功能的实现提供了硬件基础。根据所设计的PCB板的大小和功能，将电源模块21设置在环氧树脂板11上，控制模块22、鉴相模块23、驱动模块24设置在第一层铝板12上；超声模块25、射频模块26设置在第二层铝板13上。这样就兼顾了各个模块之间线路连接的便利性以及模块大小对空间要求的互补性。

其中，电源模块21最高需要20V左右的电压(用于驱动电机)，本发明实施例选用了满电压为21.6V的镍氢可充电电池组作为总电源，然后通过电源模块21的降压、稳压，得到需要的不同电压。电源模块21包括：可充电电池211和稳压芯片212，本发明实施例中的稳压芯片212选用LM2596固定输出型稳压芯片。

电源模块21输入的总电压为21.6V，一路直接送给直流减速电机16的驱动模块；一路经过稳压芯片212的降压与稳压，得到3.3V、5V、12V三种不同的电压。其中，为了方便实际应用中的需要，直流减速电机16和稳压芯片212均设置在环氧树脂板11上，电源模块21的电路图如图4所示。

控制模块22是移动平台的控制中心，负责发布控制命令和分析处理各种数据，使移动平台各部分按照要求协调运行。本移动平台选用了Freescale公司S12X系列MCU中型号为MC9S12XS128的单片机。MC9S12X系列是HCS12系列的增强型产品，可达到25MHz的HCS12的2～5倍的性能。S12X系列单片机一个特色是在HCS12基础产品上增加了一个协处理器XGATE。XGATE是一款可编程的16位RISC结构的核心，可实现高速数据处理分担CPU任务。MC9S12X系列包括MC9S12XA、MC9S12XB、MC9S12XE以及MC9S12XS等几个子系列。MC9S12XS系列是性价比很高的芯片，主要针对广泛的低成本汽车车身电子应用进行了优化，具有64KB到256KB闪存以及48到112个管脚的封装。MC9S12XS128型号单片机具有16位的处理器CPU12X、128KB的存储空间，可超频到80MHz。

鉴相模块23的作用是处理脉冲编码器反馈的脉冲信号检测车轮的速度或者里程，然后将处理之后的信号传输给控制模块22以判断移动平台的运动速度和距离。移动平台根据自身条件和需要，选择了光电脉冲编码器。

光电脉冲编码器是用来测量转速并配合PWM技术实现快速调速的装置，通过光电转换，编码器可将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出。

驱动模块24用来控制驱动电动机。移动平台一般用步进电机或直流减速电机作为驱动装置。步进电机是将脉冲信号转换为转动角度的装置。在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。其动作原理是当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。它的旋转是以固定的角度一步一步运行的,可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，达到定位转动的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。

步进电机因其本身构造，一般会比相同体积的直流减速电机重，能源利用率低,不易获得高转速和高转矩，且转矩会随着转速的提高而急剧下降，受到极大影响。此外，步进电机驱动控制比较复杂，必须使用专用的步进电动机驱动器，给应用带来不便。

直流减速电机指直流电机和齿轮减速箱的集成体。它在普通直流电机的基础上，加上配套齿轮减速箱，将电机输出轴的转速经一定的减速比减速输出到与车轮连接的轴上，用以增加驱动车轮的转矩。在一定功率下，转速越低输出的转矩越大。本移动平台选用型号为28JX10K的直流减速电机。

直流减速电机调速平滑且调速范围宽、效率高、能量损耗小、易于控制、承受过载能力高以及输出力矩大，在驱动领域得到了广泛应用，本发明实施例采用直流减速电机16进行说明。

驱动模块24的作用原理是MCU将控制命令输入给驱动芯片，驱动芯片利用组成的H桥电路，对直流减速电机16两端的电压占空比进行控制，从而控制车轮转速，实现移动平台的前进、后退以及转弯、停止等动作。该驱动模块24采用了4个BTS7960芯片组成双H桥，用以分别驱动两个直流减速电机16。驱动模块24的电路图如图5所示。

超声模块25采用超声波发射传感器和超声波接收传感器。超声波发射传感器所用的超声换能器是压电式，利用电压驱动，发射功率正比于电压。所以该模块的一个特点就是首先用变压器将输入的5V低压按照1:12的升压比升高到60V左右，提高发射功率，有利于增加可测距离。超声波接收传感器的作用是检测接收超声波，最大的特色是使用专用的超声波信号检测芯片进行可变增益的控制。可变增益对于超声波的检测接收很重要。如果是恒定增益，很难在灵敏度与可靠性之间进行取舍。因为若想接收更远距离的超声波，必须增加灵敏度，但是这样会被近距离的干扰信号所破坏。而可变增益就允许随着接收距离的不同，调节接收灵敏度，减少噪声信号的干扰，保证接收的可靠性。该模块可以进行0～11级的增益设置。

射频模块26采用基于NRF24L01无线收发芯片的无线射频模块。无线收发芯片NRF24L01是由挪威NORDIC公司生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。该芯片具有如下特点：体积小，宽电压工作范围，1.9V～3.6V，宽工作温度范围，—40℃～+80℃，低功耗设计，不同模式下可选不同发射功率，尽量降低功耗，无线数据传输速率快，可达2Mbps，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，可实现1对6的无线通信。基于NRF24L01的射频模块其功能特点完全满足移动平台的要求。

一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，该主动反射式测距算法通过结合无线射频和超声波技术，避免了测距对时间同步性的要求，并且大大降低了控制算法的复杂度，提高了测距的精确度和实时性，参见图6，以移动平台A和B之间的测距为例，该测距方法包括以下步骤：

101：移动平台A与B进行身份验证，移动平台B接受测距应答后开启超声模块25，进入接收模式；

移动平台A对移动平台B有测距要求时，会对移动平台B发送测距询问信号，该测距询问信号包括：移动平台A与B的身份(用于确认测距只在移动平台A与B直接进行)、地址验证信息以及是否可以测距等。

移动平台B接收射频信息并作出是否可进行测距的应答。如果可进行测距，移动平台B在回应移动平台A的测距请求之后打开超声模块25中接收模式，进入等待接收模式；如果不可以测距，移动平台A则会等待某个已设定的时间间隔之后再次询问或转向其他移动平台进行测距。

102：移动平台A接收到移动平台B的测距应答信号后，开启超声模块25中的发射模式，移动平台A开始计时，时间T_a后移动平台A进入接收模式；

其中，时间T_a可根据实验需要进行设定，主要由测距距离而定，每一段距离会对应设定某一个T_a值，本发明实施例对此不做限制。

103：移动平台B接收到超声信号之后启动定时，经过时间T_b之后，发射超声信号；

时间T_b的作用：1、消除由于硬件进行计算、动作响应等固有的时间延迟；2、滤除因反射等产生的杂波，例如：移动平台B发射超声时是360°全发。只需保证移动平台A与B时钟频率的一致性即可，不必要求移动平台A与B计时的同步性。

104：移动平台A接收到超声信号之后，立即停止计时，获取计时总时间T_总。

其中，时间T_b的值已经存在于移动平台A的程序中，即对于移动平台A来说，时间T_b是已知的条件。

超声信号传播单程时间T_声为：

T_声＝(T_总-T_b)/2

所测距离S为：

S＝V_声·T_声

其中，V_声为超声波速度。

综上所述，通过上述步骤可以精确地获取到移动平台A与B之间的距离，满足了实际应用中的需要。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，所述移动平台包括：机械结构和硬件结构，所述机械结构包括：环氧树脂板、第一层铝板、第二层铝板、支撑轮和驱动轮；

所述环氧树脂板设置在底层，所述环氧树脂板上方依次设置有所述第一层铝板、所述第二层铝板，所述环氧树脂板的底部对称设置有支撑轮和驱动轮；

所述硬件结构包括：电源模块、控制模块、鉴相模块、驱动模块、超声模块和射频模块；

所述电源模块设置在所述环氧树脂板上，所述控制模块、所述鉴相模块和所述驱动模块设置在所述第一层铝板上；所述超声模块、所述射频模块设置在所述第二层铝板上；

所述鉴相模块处理脉冲编码器反馈的脉冲信号检测车轮的速度或者里程，将处理之后的信号传输给所述控制模块，判断移动平台的运动速度和距离；所述超声模块采用收发独立超声传感器；

其特征在于，所述测距方法包括以下步骤：

移动平台A与B进行身份验证，移动平台B接受测距应答后开启超声模块，进入接收模式；

移动平台A获取到移动平台B的测距应答后开启超声模块中的发射模式，移动平台A开始计时，时间T_a后移动平台A进入接收模式；

移动平台B接收到超声信号之后启动定时，经过时间T_b之后，发射超声信号；

移动平台A接收到超声信号之后，立即停止计时，获取计时总时间T_总；

超声信号传播单程时间T_声为：

T_声＝(T_总-T_b)/2

所测距离S为：

S＝V_声·T_声

其中，V_声为超声波速度；

其中，时间T_a由测距距离而定；时间T_b用于消除硬件进行计算、动作响应固有的时间延迟；滤除因反射产生的杂波，时间T_b的值已经存在于移动平台A的程序中。

2.根据权利要求1所述的一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，其特征在于，所述支撑轮和驱动轮采用四轮布局结构形式。

3.根据权利要求1所述的一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，其特征在于，所述电源模块包括：可充电电池和稳压芯片，所述稳压芯片采用LM2596固定输出型稳压芯片。

4.根据权利要求1所述的一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，其特征在于，所述控制模块的型号为MC9S12XS128的单片机。

5.根据权利要求1所述的一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，其特征在于，所述驱动模块采用4个BTS7960芯片组成双H桥，用以分别驱动两个直流减速电机。

6.根据权利要求1所述的一种具有全方位测距功能的移动平台的测距方法，其特征在于，所述射频模块采用基于NRF24L01无线收发芯片的无线射频模块。