CN202947759U - 无线环境监测车 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及无线环境监测车。本实用新型结构为监测车(16)上的左、右路电机驱动模块(14)、(15)分别连接左、右侧车轮,上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(1)、(2)无线连接;通信模块(1)、无线接收模块(3)接入上位机(7)的USB口,通信模块(2)接入单片机(5)串口,无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)信号,无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上,单片机(5)连接红外传感器(13)、FPGA控制模块(6),FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左、右路电机驱动模块(14)、(15)。本实用新型解决了监测车在危险环境中仍需人驾驶的缺陷。本实用新型能够在无人情形下自动进入危险环境工作。
Description
技术领域
本实用新型属于移动环境监测装置,特别涉及无线环境监测车。
背景技术
在石油、化工、煤炭等行业有毒气体泄漏的区域,或者在核、生、化灾害发生的区域,如果利用机器人代替人类进入环境条件恶劣、环境情况不明的场所,去探查现场情况、监测环境条件、处理高危险事件,可避免操作人员直接暴露在有毒、有辐射等危险环境中,可大大减小人员伤亡,提高救援等工作实施的保障力、提高工作效率。
在本实用新型发明之前,目前公知的环境监测装置大多是不可移动的,也即只能定点监测某个地点的环境参数,无法完成突发现场、应急情况的环境监测任务。中国专利“一种环境监测车”(CN201110848)和“环境监测车”(CN101387704)虽然可以移动监测环境情况,但是监测车需要人类驾驶,不适宜完成环境危险区域或环境未知区域的监测工作。
发明内容
本实用新型的目的就在于克服上述缺陷,研制一种无线环境监测车。
本实用新型的技术方案是:
无线环境监测车,由上位机(7)、监测车(16)构成,监测车(16)上设置有各种环境参数采集装置,监测车(16)上的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别连接左侧车轮、右侧车轮,其主要技术特征在于上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(1)、通信模块(2)无线连接;通信模块(1)、无线接收模块(3)分别接入上位机(7)的USB口,通信模块(2)接入单片机(5)串口,无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)的无线视频信号,无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上;单片机(5)分别连接红外传感器(13)、连接FPGA控制模块(6),FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。
本实用新型主要优点:(1)***可以移动监测环境参数,适于完成突发现场、应急情况的环境监测;(2)***采用无线控制方案,可完成不适合人类进入的危险区域或情况未知区域的环境监测;(3)监测车上载有的摄像头和超声波测障模块,可以精准控制监测车的行驶方向、行驶目标,准确获取目标位置的环境参数;(4)监测车有自动循迹行驶的功能,可以很方便地沿既定路线自动行驶,完成各项监测任务。
本实用新型的其他优点和效果将在下面继续说明。
附图说明
图1——本实用新型***整体方案示意图。
图2——本实用新型硬件***示意图。
图1中各标号表示部件名称如下:
通信模块(1)、通信模块(2)、无线接收模块(3)、无线摄像头(4)、单片机(5)、FPGA控制模块(6)、上位机(7)、温度传感器(8)、湿度传感器(9)、烟雾传感器(10)、超声波测距传感器(11)、云台控制电路(12)、红外传感器(13)、左路电机驱动模块(14);右路电机驱动模块(15)、监测车(16)。
具体实施方式
本实用新型的基本思路:
基于无线控制的环境监测小车***,由上位机和监测车两大部分构成,其中监测车载有摄像头、超声波传感器以及温度、湿度、烟雾等环境参数传感器,完成现场影像实况的视频采集、超声波测障以及温度、湿度、烟雾等环境参数的采集,上位机装有监控软件,通过无线信道实时监测小车回传的现场视频影像、超声波雷达图像,根据影像实况或雷达图像准确、灵活地遥控小车的行驶方向和行驶速度,或根据需要将监测车设置成沿既定轨迹自动寻迹的行驶模式;同时对采集的温度、湿度、烟雾等参数进行实时监测和各项统计处理。
单片机(5)的P2口接8路红外传感器(13),8路红外传感器(13)安装在监测车(16)的底盘上两个前轮之间的位置;单片机(5)的P1.3、P1.4接云台控制电路(12)端口;单片机(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块(6)中的8路超声波传感器(11)的地址编码信号;单片机(5)的PO口接FPGA控制模块(6)中的超声波测距数据;单片机(5)的P1.7、P4.7口提供左、右两侧车轮的正、反转控制信号,接入FPGA控制模块(6)的2个I/O口;单片机(5)的P3.2~P3.4和P3.5~P3.7口提供左、右两侧车轮的PWM波的参数选择信号,分别接FPGA控制模块(6)的6个I/O口。
下面具体分析如图1所示:
监测车(15)的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别驱动左侧车轮和右侧车轮,通过调整加到两路电机驱动模块的PWM波的占空比可控制监测车(16)的车轮转速,通过调整左侧车轮和右侧车轮的转速差可控制监测车(16)的行驶方向。监测车(16)的行驶控制及环境检测的硬件电路***主要由单片机(5)和FPGA控制模块(6)组成,FPGA控制模块(6)完成对监测车(16)的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的控制和8路超声波测距模块(11)的检测工作;单片机(5)完成与上位机(7)的无线通信、对FPGA控制模块(6)的监控、温度传感器(8)的采集、湿度传感器(9)的采集、烟雾传感器(10)的采集、循迹方式下红外传感器(13)的检测、摄像头云台控制电路(12)的控制、小车电量的检测以及整个***的协调控制等工作。监测车(16)上设置有各种环境参数采集装置包括温度传感器(8)、湿度传感器(9)、烟雾传感器(10)。
监测车(16)的无人驾驶行驶模式有无线控制和自动循迹两种行驶模式。
1、监测车(16)的无线控制行驶模式:无线控制行驶模式是指监测车(16)通过无线方式接收上位机(7)的控制指令,适时调整行驶的方向和速度,也即监测车(16)根据上位机(7)的控制指令产生左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的正、反转控制信号和转速控制信号。过程如下:上位机(7)通过通信模块(1)向监测车(16)发送行驶方向和行驶速度的控制指令,监测车(16)上的通信模块(2)接收指令信息并通过串口送给单片机(5),单片机(5)将控制指令转换为监测车(16)左侧车轮、右侧车轮的正、反转控制参数和速度控制参数,分别通过P1.7和P4.7口将左侧车轮、右侧车轮的正反转控制参数送给FPGA控制模块(6),将左侧车轮、右侧车轮的8种速度控制参数分别通过P3.2~P3.4三个端口和P3.5~P3.7三个端口送给FPGA控制模块(6),FPGA控制模块(6)将左侧车轮、右侧车轮的正、反转参数转换为两路正、反转控制逻辑送给左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的M1和M2口,同时根据P3.2~P3.4和P3.5~P3.7口送来的左侧车轮、右侧车轮的8种速度控制参数分别产生两路占空比可调的8种PWM波,并送往左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的E1和E2端口,左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15) 将控制左侧车轮的M1、E1逻辑信号和控制右侧车轮的M2、E2逻辑信号转换为功率信号驱动左侧车轮、右侧车轮转动,灵活控制监测车(16)的行驶速度和行驶方向,左侧车轮、右侧车轮各有正、反16种运转速度。当左侧车轮、右侧车轮速度一致时,监测车(16)直行(前进、后退),当左侧车轮、右侧车轮速度不一致时,监测车(16)能完成各种角度的转向行驶。
FPGA控制模块(6)的8个I/O口分别外接8路超声波传感器(11),实时检查监测车(16)的8个方向与周围障碍物的距离,单片机(5)通过与FPGA控制模块(6)相接的P4.4、P4.5、P4.6口读取8路超声波传感器(11)的地址编码信号,通过PO口读取相应地址编号的超声波传感器的测距参数,当周围障碍物的距离小于警戒值时,单片机(5)输出给FPGA控制模块(6)的速度控制参数调整为停止参数,监测车(16)自行停车,并发出告警提示,等待上位机(7)重新发送行驶指令;同时单片机(5)将超声波测距参数通过通信模块(2)发送给上位机(7),由上位机软件合成超声波测距雷达图像。超声波测距雷达图像以及由无线摄像头(4)传给上位机(7)的实时视频影像可以为上位机(7)对监测车(16)的行驶控制提供准确的依据。
2、监测车(16)的自动循迹行驶模式:自动循迹行驶模式是指监测车(16)无需上位机的人工干预便可沿着既定轨迹自动行驶的模式,与前述的无线控制行驶模式的区别在于监测车(16)根据红外传感器的检测信号产生车轮的正、反转和转速控制信号。原理如下:上位机(7)通过通信模块向监测车(16)发出循迹控制指令后,单片机(5)调用红外传感器子程序,开始检测P2口外接的8路红外传感器(13),红外传感器(13)安装在监测车(16)底盘的两个前轮之间,能将地面与预先设置的黑色轨迹的不同的光反差信号提供给单片机(5),单片机(5)根据8路光反差信号判断监测车(16)与黑色轨迹的偏差,并算出调整监测车(16)左侧车轮、右侧车轮的正、反转控制参数及速度控制参数,FPGA控制模块(6)根据这些参数分别产生左侧车轮、右侧车轮的正、反转逻辑信号以及控制速度的PWM波,输出到左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15),从而调整监测车(16)的行驶速度和方向,以实现监测车(16)始终骑着预先设定的黑色轨迹自动寻迹行驶的功能。
上位机(7)在监测车(15)的行驶(无线控制行驶模式、自动循迹行驶模 式)过程中,能够实时观测监测车(15)回传的采集现场的视频影像,同时接收监测车(15)回传的温度、湿度、烟雾等环境参数,并对各项环境参数进行显示、统计、保存、警戒值告警等,完成环境监测的各项工作。
无线环境监测车的硬件配置如图2所示:
单片机(5)的型号是STC12C5A60S2,FPGA控制模块(6)的型号是EP1k100。
监测车(16)硬件***的单片机(5),其串口RxD2/P1.2和TxD2/P1.3接通信模块(2),P1.1、P1.5、P1.6口分别接烟雾传感器(10)、温度传感器(8)、湿度传感器(9)。P1.3、P1.4接摄像头的云台控制电路(12),P2口接8路红外传感器(13),P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块(6)的8路超声波传感器(11)的地址编码信号,PO口接FPGA控制模块(6)的超声波测距数据,P1.7、P4.7口接FPGA控制模块(6)以提供左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的正、反转控制信号,P3.2~P3.4和P3.5~P3.7口接FPGA控制模块(6)以提供左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的PWM波参数选择信号。监测车(16)硬件***的FPGA控制模块(6)选用EP1k100,有丰富的I/O口,除了19个I/O口与单片机(5)采用上述连接,还有8个I/O口分别外接8路超声波传感器(11),4个I/O口分别外接左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。
单片机(5)的控制功能由C51汇编语言编写完成,FPGA控制模块(6)的控制电路由VHDL硬件描述语言编写完成。
上位机(7)的监控软件选用VisuaIStudio2008作为开发平台,能完成串口通讯、数据显示、数据查询、电机驱动控制、摄像头云台控制、视频监控等工作。
Claims (7)
1.无线环境监测车,由上位机(7)、监测车(16)构成,监测车(16)上设置有各种环境参数采集装置,监测车(16)上的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别连接左侧车轮、右侧车轮,其特征在于上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(1)、通信模块(2)无线连接;通信模块(1)、无线接收模块(3)分别接入上位机(7)的USB口,通信模块(2)接入单片机(5)串口,无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)的无线视频信号,无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上;单片机(5)分别连接红外传感器(13)、连接FPGA控制模块(6),FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。
2.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的P2口接8路红外传感器(13),8路红外传感器(13)安装在监测车(16)的底盘上两个前轮之间的位置。
3.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的P1.3、P1.4接云台控制电路(12)端口。
4.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块(6)中的8路超声波传感器(11)的地址编码信号。
5.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的PO口接FPGA控制模块(6)中的超声波测距数据。
6.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的P1.7、P4.7口提供左、右两侧车轮的正、反转控制信号,接入FPGA控制模块(6)的2个I/O口。
7.根据权利要求1所述的无线环境监测车,其特征在于单片机(5)的P3.2~P3.4和P3.5~P3.7口提供左、右两侧车轮的PWM波的参数选择信号,分别接FPGA控制模块(6)的6个I/O口。
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