CN108873883A - 一种非接触式轨道导向装置及其导向方法 - Google Patents

一种非接触式轨道导向装置及其导向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非接触式轨道导向装置及导向方法，包括车身、控制部分、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身底部并用于驱动车身的运动和转向，激光膜组部分设置在车身前方并用于向车身前方的瓦楞状彩钢板上发射出激光，图像采集部分用于采集车身前方包括激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状彩钢板上的激光点在内的图像；控制部分设置在车身上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；本发明的导向装置设对激光点的处理简单，提高位置的判断速度，减小环境光的影响，实现机器人在凹凸面导轨上高精度自动导向，使得机器人避免在沿导轨行驶时碰触轨道突起部分，通过点状激光增强辩识度，实现高精度导向。

Description

一种非接触式轨道导向装置及其导向方法
技术领域
本发明涉及机器人自动导航领域，更具体的说，尤其涉及一种非接触式导轨导向装置及其导向方法。
背景技术
近年来，自主式移动机器人技术在工业、农业、医学及社会服务业等领域显示了越来越广泛的应用前景，因而成为国际机器人学术界研究的热点问题。在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心。
现阶段，特别需要设计一种机器人导向装置，实现机器人在瓦楞状彩钢板上高精度自动导向装置，受环境光的影响小，使得机器人避免在沿导轨行驶时碰触轨道突起部分。
因此本申请提出一种适用于凹凸面导轨导向装置，通过激光增强辩识度，实现高精度导向的导向装置。
发明内容
本发明的目的在于解决现有导向装置无法实现在瓦楞状彩钢板上高精度自动导向的问题，提出了一种受环境光影响非常小的非接触式导轨导向装置，该装置适用于凹凸面的导向。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种非接触式轨道导向装置，包括车身、控制部分、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身底部并用于驱动车身的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身前方并用于向车身前方的瓦楞状彩钢板上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身前方包括激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状彩钢板上的激光点在内的图像；所述控制部分设置在车身上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；
所述驱动部分包含驱动器、前轮、后轮、前轴承座、后轴承座、链条、主动链轮、从动链轮、前轴、后轴、减速器和步进电机，所述驱动器放置在车身上，驱动电机连接步进电机并驱动步进电机的运动，所述步进电机放置在车身底部，步进电机的输出轴通过减速器连接主动链轮，所述主动链轮通过链条连接从动链轮，所述从动链轮设置在后轴上，所述后轴连接后轮且通过后轴承座固定在车身上；所述前轮连接在前轴上，前轴通过前轴承座固定在车身上；
所述激光模组部分包含两个点状激光模组支架和两个点状激光模组，两个点状激光模组分别通过两个点状激光模组支架安装在车身前端的左右两侧，每个点状激光模组支架上均设置有可以调整点状激光模组竖直方向和水平方向角度的旋转机构；
所述图像采集部分包含CCD摄像头支架和CCD摄像头；所述CCD摄像头通过CCD摄像头支架固定在车身前端中部，且两个点状激光模组支架对称设置在CCD摄像头支架的两侧。
进一步的，驱动部分的步进电机设置有两个，分别用于两个前轮的独立驱动。
进一步的，所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在点状激光模组支架且旋转轴与点状激光模组支架间隙配合。
进一步的，所述减速器为行星减速器。
一种非接触式轨道导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，包括如下步骤：
(1)打开两个点状激光模组，调整两个激光模组部分的旋转机构，使两个点状激光模组分别发射出直线形状的激光投射在瓦楞状彩钢板的两条凸起部分棱边上；
(2)CCD摄像头拍摄车身前方的图像，并将步骤(1)中激光模组发射激光在瓦楞状彩钢板上的激光点拍摄进图像内；
(3)CCD摄像头采集到的图像传送至控制部分，由控制部分对图像中的激光点进行处理，获取两个点状激光模组分别发射激光在瓦楞状彩钢板上的投射点分别为A点和B点，并在图像左边界任意一点作为原点建立坐标系，其中左边界设置在Y轴上，设定右边界为y＝x3，A点坐标为(x1,y2)，B点坐标为 (x2,y2)，计算点A和点B之间的距离DAB、点A距图像左边界的距离DA、点 B距离图像右边界的距离DB、点A的纵坐标与点B的纵坐标之差Dc，其计算公式分别为：
DA＝x1；
DB＝x3-x2；
Dc＝y1-y2；
(4)结合点A距图像左边界的距离DA与点B距离图像右边界的距离DB计算车身偏移距离De，其计算公式为：
De＝DA-DB；
(5)结合DAB和De计算出反应车身偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为车身处于直走状态下点A与图像左边界的距离或者点B与图像右边界的距离；
(6)将车身偏移距离De作为控制部分的信号偏差利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数；
7)当车身处于偏离直行状态时，结合θ与De可以确定车身状态：
当|θ|>20°时，车身处于严重偏离正常方向，控制车身停止；
当Dc>0时，θ>0,车身处于右偏状态；
当Dc<0时，θ<0,车身处于左偏状态；
当车身偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，调整驱动部分的两个步进电机直至θ＝0和De＝0时表示车身处于直行状态，控制车身 Ue＝0，实现对车身方向的调整。
本发明的有益效果在于：本发明的导向装置设计合理，使用方便，对激光点的处理简单，提高位置的判断速度，减小环境光的影响，实现机器人在凹凸面导轨上高精度自动导向，使得机器人避免在沿导轨行驶时碰触轨道突起部分，通过点状激光增强辩识度，实现高精度导向。
附图说明
图1是本发明一种非接触式轨道导向装置的结构示意图。
图2是本发明一种非接触式轨道导向装置的正视图。
图3是本发明一种非接触式轨道导向装置的仰视图。
图4是本发明瓦楞状彩钢板的横截面视图。
图5是本发明采集到图像中的激光点位置图。
图6是本发明CCD摄像头采集到的图像构建的坐标系的示意图。
图7是本发明一种非接触式轨道导向装置的导向方法的工作原理框图。
图中，1-轨道、2-激光点、3-点状激光模组、4-控制部分、5-点状激光模组支架、6-CCD摄像头支架、7-CCD摄像头、8-驱动器、9-前轮、10-前轴承座、 11-链条、12-主动链轮、13-前轴、14-减速器、15-步进电机、16-车身、18-后轴、19-后轮、20-后轴承座、21-从动链轮、22-图像左边界、23-图像右边界、 24-A点、25-B点、26-原点、27-X轴、28-Y轴。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～6所示，本发明的一种非接触式轨道导向装置在瓦楞状彩钢板或者类似瓦楞状彩钢板上运动，瓦楞状彩钢板上设置有轨道1，且轨道的两端均设置有凸台，一种非接触式轨道导向装置是沿着瓦楞状彩钢板上的轨道1进行直线运动的；具体包括车身16、控制部分4、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身16底部并用于驱动车身16的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身16前方并用于向车身16前方的瓦楞状彩钢板上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身16前方包括激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状彩钢板上的激光点2在内的图像；所述控制部分4设置在车身16上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作。
所述驱动部分包含驱动器8、前轮9、后轮19、前轴承座10、后轴承座20、链条11、主动链轮12、从动链轮21、前轴13、后轴18、减速器14和步进电机 15，所述驱动器8放置在车身16上，驱动电机连接步进电机15并驱动步进电机15的运动，所述步进电机15放置在车身16底部，步进电机15的输出轴通过减速器14连接主动链轮12，所述主动链轮12通过链条11连接从动链轮21，所述从动链轮21设置在后轴18上，所述后轴18连接后轮19且通过后轴承座20固定在车身16上；所述前轮9连接在前轴13上，前轴13通过前轴承座10 固定在车身16上。
所述激光模组部分包含两个点状激光模组支架5和两个点状激光模组3，两个点状激光模组3分别通过两个点状激光模组支架5安装在车身16前端的左右两侧，每个点状激光模组支架5上均设置有可以调整点状激光模组3竖直方向和水平方向角度的旋转机构。
所述图像采集部分包含CCD摄像头支架6和CCD摄像头7；所述CCD摄像头7通过CCD摄像头支架6固定在车身16前端中部，且两个点状激光模组支架5对称设置在CCD摄像头支架6的两侧。
驱动部分的步进电机15设置有两个，分别用于两个前轮9的独立驱动。
所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在点状激光模组支架5且旋转轴与点状激光模组支架5间隙配合。
所述减速器14为行星减速器。
如图7所示，一种非接触式轨道导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，包括如下步骤：
(1)打开两个点状激光模组3，调整两个激光模组部分的旋转机构，使两个点状激光模组3分别发射出直线形状的激光投射在瓦楞状彩钢板的两条凸起部分棱边上；
(2)CCD摄像头7拍摄车身16前方的图像，并将步骤1中激光模组发射激光在瓦楞状彩钢板上的激光点2拍摄进图像内；
(3)CCD摄像头7采集到的图像传送至控制部分4，由控制部分4对图像中的激光点2进行处理，获取两个点状激光模组3分别发射激光在瓦楞状彩钢板上的投射点分别为A点24和B点25，并在图像左边界22任意一点作为原点 26建立坐标系，其中左边界设置在Y轴28上，设定右边界为y＝x3，A点24坐标为x1,y2，B点25坐标为x2,y2，计算A点24和B点25之间的距离DAB、A 点24距图像左边界22的距离DA、B点25距离图像右边界23的距离DB、A点 24的纵坐标与B点25的纵坐标之差Dc，其计算公式分别为：
DA＝x1；
DB＝x3-x2；
Dc＝y1-y2；
(4)结合A点24距图像左边界22的距离DA与B点25距离图像右边界23 的距离DB计算车身16偏移距离De，其计算公式为：
De＝DA-DB；
(5)结合DAB和De计算出反应车身16偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为车身16处于直走状态下A点24与图像左边界22的距离或者B 点25与图像右边界23的距离；
(6)将车身16偏移距离De作为控制部分4的信号偏差利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数；
(7)当车身16处于偏离直行状态时，结合θ与De可以确定车身16状态：
当|θ|>20°时，车身16处于严重偏离正常方向，控制车身16停止；
当Dc>0时，θ>0,车身16处于右偏状态；
当Dc<0时，θ<0,车身16处于左偏状态；
当车身16偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，调整驱动部分的两个步进电机15直至θ＝0和De＝0时表示车身16处于直行状态，控制车身16Ue＝0，实现对车身16方向的调整。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (5)

1.一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：包括车身(16)、控制部分(4)、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身(16)底部并用于驱动车身(16)的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身(16)前方并用于向车身(16)前方的瓦楞状彩钢板上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身(16)前方包括激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状彩钢板上的激光点(2)在内的图像；所述控制部分(4)设置在车身(16)上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；
所述驱动部分包含驱动器(8)、前轮(9)、后轮(19)、前轴承座(10)、后轴承座(20)、链条(11)、主动链轮(12)、从动链轮(21)、前轴(13)、后轴(18)、减速器(14)和步进电机(15)，所述驱动器(8)放置在车身(16)上，驱动电机连接步进电机(15)并驱动步进电机(15)的运动，所述步进电机(15)放置在车身(16)底部，步进电机(15)的输出轴通过减速器(14)连接主动链轮(12)，所述主动链轮(12)通过链条(11)连接从动链轮(21)，所述从动链轮(21)设置在后轴(18)上，所述后轴(18)连接后轮(19)且通过后轴承座(20)固定在车身(16)上；所述前轮(9)连接在前轴(13)上，前轴(13)通过前轴承座(10)固定在车身(16)上；
所述激光模组部分包含两个点状激光模组支架(5)和两个点状激光模组(3)，两个点状激光模组(3)分别通过两个点状激光模组支架(5)安装在车身(16)前端的左右两侧，每个点状激光模组支架(5)上均设置有可以调整点状激光模组(3)竖直方向和水平方向角度的旋转机构；
所述图像采集部分包含CCD摄像头支架(6)和CCD摄像头(7)；所述CCD摄像头(7)通过CCD摄像头支架(6)固定在车身(16)前端中部，且两个点状激光模组支架(5)对称设置在CCD摄像头支架(6)的两侧。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：驱动部分的步进电机(15)设置有两个，分别用于两个前轮(9)的独立驱动。
3.根据权利要求2所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在点状激光模组支架(5)且旋转轴与点状激光模组支架(5)间隙配合。
4.根据权利要求3所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：所述减速器(14)为行星减速器。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式轨道导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，其特征在于：包括如下步骤：
(1)打开两个点状激光模组(3)，调整两个激光模组部分的旋转机构，使两个点状激光模组(3)分别发射出直线形状的激光投射在瓦楞状彩钢板的两条凸起部分棱边上；
(2)CCD摄像头(7)拍摄车身(16)前方的图像，并将步骤(1)中激光模组发射激光在瓦楞状彩钢板上的激光点(2)拍摄进图像内；
(3)CCD摄像头(7)采集到的图像传送至控制部分(4)，由控制部分(4)对图像中的激光点(2)进行处理，获取两个点状激光模组(3)分别发射激光在瓦楞状彩钢板上的投射点分别为A点(24)和B点(25)，并在图像左边界(22)任意一点作为原点(26)建立坐标系，其中左边界设置在Y轴(28)上，设定右边界为y＝x3，A点(24)坐标为(x1,y2)，B点(25)坐标为(x2,y2)，计算A点(24)和B点(25)之间的距离DAB、A点(24)距图像左边界(22)的距离DA、B点(25)距离图像右边界(23)的距离DB、A点(24)的纵坐标与B点(25)的纵坐标之差Dc，其计算公式分别为：
DA＝x1；
DB＝x3-x2；
Dc＝y1-y2；
(4)结合A点(24)距图像左边界(22)的距离DA与B点(25)距离图像右边界(23)的距离DB计算车身(16)偏移距离De，其计算公式为：
De＝DA-DB；
(5)结合DAB和De计算出反应车身(16)偏移角度θ，计算公式为：
式中，Ds为车身(16)处于直走状态下A点(24)与图像左边界(22)的距离或者B点(25)与图像右边界(23)的距离；
(6)将车身(16)偏移距离De作为控制部分(4)的信号偏差利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差Ue，其计算公式为：
式中，kp为比例系数；T为积分时间常数；TD为微分时间常数；
(7)当车身(16)处于偏离直行状态时，结合θ与De可以确定车身(16)状态：
当|θ|>20゜时，车身(16)处于严重偏离正常方向，控制车身(16)停止；
当Dc>0时，θ>0,车身(16)处于右偏状态；
当Dc<0时，θ<0,车身(16)处于左偏状态；
当车身(16)偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差Ue调整方向，调整驱动部分的两个步进电机(15)直至θ＝0和De＝0时表示车身(16)处于直行状态，控制车身(16)Ue＝0，实现对车身(16)方向的调整。
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