專利名稱：無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于移動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，特別涉及無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車。
背景技術(shù)：
在石油、化工、煤炭等行業(yè)有毒氣體泄漏的區(qū)域，或者在核、生、化災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域，如果利用機(jī)器人代替人類進(jìn)入環(huán)境條件惡劣、環(huán)境情況不明的場(chǎng)所，去探查現(xiàn)場(chǎng)情況、監(jiān)測(cè)環(huán)境條件、處理高危險(xiǎn)事件，可避免操作人員直接暴露在有毒、有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中，可大大減小人員傷亡，提高救援等工作實(shí)施的保障力、提高工作效率。在本實(shí)用新型發(fā)明之前，目前公知的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置大多是不可移動(dòng)的，也即只能定點(diǎn)監(jiān)測(cè)某個(gè)地點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，無(wú)法完成突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)、應(yīng)急情況的環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。中國(guó)專利“ー種環(huán)境監(jiān)測(cè)車” (CN201110848)和“環(huán)境監(jiān)測(cè)車” (CN101387704)雖然可以移動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境情況，但是監(jiān)測(cè)車需要人類駕駛，不適宜完成環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域或環(huán)境未知區(qū)域的監(jiān)測(cè)工作。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服上述缺陷，研制一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，由上位機(jī)(7)、監(jiān)測(cè)車(16)構(gòu)成，監(jiān)測(cè)車(16)上設(shè)置有各種環(huán)境參數(shù)采集裝置，監(jiān)測(cè)車(16)上的左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)分別連接左側(cè)車輪、右側(cè)車輪，其主要技術(shù)特征在于上位機(jī)(7)和監(jiān)測(cè)車(16)通過通信模塊(I)、通信模塊(2)無(wú)線連接；通信模塊(I)、無(wú)線接收模塊(3)分別接入上位機(jī)(7)的USB ロ，通信模塊(2)接入單片機(jī)(5)串ロ，無(wú)線接收模塊(3)接收無(wú)線攝像頭(4)的無(wú)線視頻信號(hào)，無(wú)線攝像頭(4)、單片機(jī)(5)設(shè)置在監(jiān)測(cè)車(16)上；單片機(jī)(5)分別連接紅外傳感器(13)、連接FPGA控制模塊(6)，F(xiàn)PGA控制模塊(6)分別連接超聲波測(cè)距傳感器(11)、左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)。本實(shí)用新型主要優(yōu)點(diǎn):(I)系統(tǒng)可以移動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，適于完成突發(fā)現(xiàn)場(chǎng)、應(yīng)急情況的環(huán)境監(jiān)測(cè)；(2)系統(tǒng)采用無(wú)線控制方案，可完成不適合人類進(jìn)入的危險(xiǎn)區(qū)域或情況未知區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)；(3)監(jiān)測(cè)車上載有的攝像頭和超聲波測(cè)障模塊，可以精準(zhǔn)控制監(jiān)測(cè)車的行駛方向、行駛目標(biāo)，準(zhǔn)確獲取目標(biāo)位置的環(huán)境參數(shù)；(4)監(jiān)測(cè)車有自動(dòng)循跡行駛的功能，可以很方便地沿既定路線自動(dòng)行駛，完成各項(xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)和效果將在下面繼續(xù)說明。
圖1——本實(shí)用新型系統(tǒng)整體方案示意圖。 圖2——本實(shí)用新型硬件系統(tǒng)示意圖。圖1中各標(biāo)號(hào)表示部件名稱如下:通信模塊(I)、通信模塊⑵、無(wú)線接收模塊(3)、無(wú)線攝像頭⑷、單片機(jī)(5) ,FPGA控制模塊出)、上位機(jī)(7)、溫度傳感器(8)、濕度傳感器(9)、煙霧傳感器(10)、超聲波測(cè)距傳感器(11)、云臺(tái)控制電路(12)、紅外傳感器(13)、左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14);右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)、監(jiān)測(cè)車(16)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的基本思路:基于無(wú)線控制的環(huán)境監(jiān)測(cè)小車系統(tǒng)，由上位機(jī)和監(jiān)測(cè)車兩大部分構(gòu)成，其中監(jiān)測(cè)車載有攝像頭、超聲波傳感器以及溫度、濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)傳感器，完成現(xiàn)場(chǎng)影像實(shí)況的視頻采集、超聲波測(cè)障以及溫度、濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)的采集，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，通過無(wú)線信道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車回傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻影像、超聲波雷達(dá)圖像，根據(jù)影像實(shí)況或雷達(dá)圖像準(zhǔn)確、靈活地遙控小車的行駛方向和行駛速度，或根據(jù)需要將監(jiān)測(cè)車設(shè)置成沿既定軌跡自動(dòng)尋跡的行駛模式；同時(shí)對(duì)采集的溫度、濕度、煙霧等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)處理。單片機(jī)(5)的P2 ロ接8路紅外傳感器(13)，8路紅外傳感器(13)安裝在監(jiān)測(cè)車(16)的底盤上兩個(gè)前輪之間的位置；單片機(jī)(5)的P1.3、P1.4接云臺(tái)控制電路(12)端ロ ；單片機(jī)(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模塊(6)中的8路超聲波傳感器(11)的地址編碼信號(hào)；單片機(jī)(5)的PO ロ接FPGA控制模塊(6)中的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)；單片機(jī)(5)的Pl.7、P4.7 ロ提供左、右兩側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，接入FPGA控制模塊(6)的2個(gè)I/Oロ ；單片機(jī)(5)的P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ提供左、右兩側(cè)車輪的PWM波的參數(shù)選擇信號(hào)，分別接FPGA控制模塊(6)的6個(gè)I/O ロ。下面具體分析如圖1所示:監(jiān)測(cè)車(15)的左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)分別驅(qū)動(dòng)左側(cè)車輪和右側(cè)車輪，通過調(diào)整加到兩路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM波的占空比可控制監(jiān)測(cè)車(16)的車輪轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整左側(cè)車輪和右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速差可控制監(jiān)測(cè)車(16)的行駛方向。監(jiān)測(cè)車(16)的行駛控制及環(huán)境檢測(cè)的硬件電路系統(tǒng)主要由單片機(jī)(5)和FPGA控制模塊(6)組成，F(xiàn)PGA控制模塊(6)完成對(duì)監(jiān)測(cè)車(16)的左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的控制和8路超聲波測(cè)距模塊(11)的檢測(cè)工作；單片機(jī)(5)完成與上位機(jī)(7)的無(wú)線通信、對(duì)FPGA控制模塊(6)的監(jiān)控、溫度傳感器⑶的采集、濕度傳感器(9)的采集、煙霧傳感器(10)的采集、循跡方式下紅外傳感器(13)的檢測(cè)、攝像頭云臺(tái)控制電路(12)的控制、小車電量的檢測(cè)以及整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制等工作。監(jiān)測(cè)車(16)上設(shè)置有各種環(huán)境參數(shù)采集裝置包括溫度傳感器(8)、濕度傳感器(9)、煙霧傳感器(10)。監(jiān)測(cè)車(16)的無(wú)人駕駛行駛模式有無(wú)線控制和自動(dòng)循跡兩種行駛模式。1、監(jiān)測(cè)車(16)的無(wú)線控制行駛模式:無(wú)線控制行駛模式是指監(jiān)測(cè)車(16)通過無(wú)線方式接收上位機(jī)(7)的控制指令，適時(shí)調(diào)整行駛的方向和速度，也即監(jiān)測(cè)車(16)根據(jù)上位機(jī)(7)的控制指令產(chǎn)生左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)和轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。過程如下:上位機(jī)(7)通過通信模塊(I)向監(jiān)測(cè)車(16)發(fā)送行駛方向和行駛速度的控制指令，監(jiān)測(cè)車(16)上的通信模塊(2)接收指令信息并通過串ロ送給單片機(jī)(5)，單片機(jī)(5)將控制指令轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)車(16)左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)控制參數(shù)和速度控制參數(shù)，分別通過Pl.7和P4.7 ロ將左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的正反轉(zhuǎn)控制參數(shù)送給FPGA控制模塊(6)，將左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的8種速度控制參數(shù)分別通過P3.2 P3.4三個(gè)端口和P3.5 P3.7三個(gè)端ロ送給FPGA控制模塊(6)，F(xiàn)PGA控制模塊(6)將左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)參數(shù)轉(zhuǎn)換為兩路正、反轉(zhuǎn)控制邏輯送給左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的Ml和M2 ロ，同時(shí)根據(jù)P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ送來的左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的8種速度控制參數(shù)分別產(chǎn)生兩路占空比可調(diào)的8種PWM波，并送往左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的El和E2端ロ，左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)將控制左側(cè)車輪的M1、E1邏輯信號(hào)和控制右側(cè)車輪的M2、E2邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)左側(cè)車輪、右側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，靈活控制監(jiān)測(cè)車(16)的行駛速度和行駛方向，左側(cè)車輪、右側(cè)車輪各有正、反16種運(yùn)轉(zhuǎn)速度。當(dāng)左側(cè)車輪、右側(cè)車輪速度一致時(shí)，監(jiān)測(cè)車(16)直行(前進(jìn)、后退)，當(dāng)左側(cè)車輪、右側(cè)車輪速度不一致吋，監(jiān)測(cè)車(16)能完成各種角度的轉(zhuǎn)向行駛。FPGA控制模塊(6)的8個(gè)I/O ロ分別外接8路超聲波傳感器(11)，實(shí)時(shí)檢查監(jiān)測(cè)車(16)的8個(gè)方向與周圍障礙物的距離，單片機(jī)(5)通過與FPGA控制模塊(6)相接的P4.4、P4.5、P4.6 ロ讀取8路超聲波傳感器(11)的地址編碼信號(hào)，通過PO ロ讀取相應(yīng)地址編號(hào)的超聲波傳感器的測(cè)距參數(shù)，當(dāng)周圍障礙物的距離小于警戒值時(shí)，單片機(jī)(5)輸出給FPGA控制模塊(6)的速度控制參數(shù)調(diào)整為停止參數(shù)，監(jiān)測(cè)車(16)自行停車，并發(fā)出告警提示，等待上位機(jī)(7)重新發(fā)送行駛指令；同時(shí)單片機(jī)(5)將超聲波測(cè)距參數(shù)通過通信模塊(2)發(fā)送給上位機(jī)(7)，由上位機(jī)軟件合成超聲波測(cè)距雷達(dá)圖像。超聲波測(cè)距雷達(dá)圖像以及由無(wú)線攝像頭(4)傳給上位機(jī)(7)的實(shí)時(shí)視頻影像可以為上位機(jī)(7)對(duì)監(jiān)測(cè)車(16)的行駛控制提供準(zhǔn)確的依據(jù)。2、監(jiān)測(cè)車(16)的自動(dòng)循跡行駛模式:自動(dòng)循跡行駛模式是指監(jiān)測(cè)車(16)無(wú)需上位機(jī)的人工干預(yù)便可沿著既定軌跡自動(dòng)行駛的模式，與前述的無(wú)線控制行駛模式的區(qū)別在于監(jiān)測(cè)車(16)根據(jù)紅外傳感器的檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生車輪的正、反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。原理如下:上位機(jī)(7)通過通信模塊向監(jiān)測(cè)車(16)發(fā)出循跡控制指令后，單片機(jī)(5)調(diào)用紅外傳感器子程序，開始檢測(cè)P2 口外接的8路紅外傳感器(13)，紅外傳感器(13)安裝在監(jiān)測(cè)車
(16)底盤的兩個(gè)前輪之間，能將地面與預(yù)先設(shè)置的黒色軌跡的不同的光反差信號(hào)提供給單片機(jī)(5)，單片機(jī)(5)根據(jù)8路光反差信號(hào)判斷監(jiān)測(cè)車(16)與黒色軌跡的偏差，并算出調(diào)整監(jiān)測(cè)車(16)左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)控制參數(shù)及速度控制參數(shù)，F(xiàn)PGA控制模塊(6)根據(jù)這些參數(shù)分別產(chǎn)生左側(cè)車輪、右側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)邏輯信號(hào)以及控制速度的PWM波，輸出到左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)，從而調(diào)整監(jiān)測(cè)車(16)的行駛速度和方向，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)車(16)始終騎著預(yù)先設(shè)定的黑色軌跡自動(dòng)尋跡行駛的功能。上位機(jī)(7)在監(jiān)測(cè)車(15)的行駛(無(wú)線控制行駛模式、自動(dòng)循跡行駛模式)過程中，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)監(jiān)測(cè)車(15)回傳的采集現(xiàn)場(chǎng)的視頻影像，同時(shí)接收監(jiān)測(cè)車(15)回傳的溫度、濕度、煙霧等環(huán)境參數(shù)，并對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行顯示、統(tǒng)計(jì)、保存、警戒值告警等，完成環(huán)境監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)工作。無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車的硬件配置如圖2所示:單片機(jī)(5)的型號(hào)是STC12C5A60S2，F(xiàn)PGA控制模塊(6)的型號(hào)是EPlklOO。監(jiān)測(cè)車(16)硬件系統(tǒng)的單片機(jī)(5)，其串ロ RxD2/Pl.2和TxD2/Pl.3接通信模塊
(2)，P1.1、P1.5、P1.6 ロ分別接煙霧傳感器(10)、溫度傳感器(8)、濕度傳感器(9)。Pl.3、Pl.4接攝像頭的云臺(tái)控制電路(12)，P2 ロ接8路紅外傳感器(13)，P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模塊(6)的8路超聲波傳感器(11)的地址編碼信號(hào)，PO ロ接FPGA控制模塊(6)的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)，P1.7、P4.7 ロ接FPGA控制模塊(6)以提供左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ接FPGA控制模塊(6)以提供左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)的PWM波參數(shù)選擇信號(hào)。監(jiān)測(cè)車(16)硬件系統(tǒng)的FPGA控制模塊(6)選用EPlklOO，有豐富的I/O ロ，除了 19個(gè)I/O ロ與單片機(jī)(5)采用上述連接，還有8個(gè)I/O ロ分別外接8路超聲波傳感器(11)，4個(gè)I/O ロ分別外接左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)。單片機(jī)(5)的控制功能由C51匯編語(yǔ)言編寫完成，F(xiàn)PGA控制模塊(6)的控制電路由VHDL硬件描述語(yǔ)言編寫完成。上位機(jī)(7)的監(jiān)控軟件選用VisuaIStudio2008作為開發(fā)平臺(tái)，能完成串ロ通訊、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、攝像頭云臺(tái)控制、視頻監(jiān)控等工作。
權(quán)利要求1.無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，由上位機(jī)(7)、監(jiān)測(cè)車(16)構(gòu)成，監(jiān)測(cè)車(16)上設(shè)置有各種環(huán)境參數(shù)采集裝置，監(jiān)測(cè)車(16)上的左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)分別連接左側(cè)車輪、右側(cè)車輪，其特征在于上位機(jī)(7)和監(jiān)測(cè)車(16)通過通信模塊(I)、通信模塊(2)無(wú)線連接；通信模塊(I)、無(wú)線接收模塊(3)分別接入上位機(jī)(7)的USB ロ，通信模塊(2)接入單片機(jī)(5)串ロ，無(wú)線接收模塊(3)接收無(wú)線攝像頭(4)的無(wú)線視頻信號(hào)，無(wú)線攝像頭(4)、單片機(jī)(5)設(shè)置在監(jiān)測(cè)車(16)上；單片機(jī)(5)分別連接紅外傳感器(13)、連接FPGA控制模塊出)，F(xiàn)PGA控制模塊(6)分別連接超聲波測(cè)距傳感器(11)、左路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的P2ロ接8路紅外傳感器(13)，8路紅外傳感器(13)安裝在監(jiān)測(cè)車(16)的底盤上兩個(gè)前輪之間的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的P1.3、P1.4接云臺(tái)控制電路(12)端ロ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模塊￠)中的8路超聲波傳感器(11)的地址編碼信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的POロ接FPGA控制模塊出)中的超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的PL7、P4.7 ロ提供左、右兩側(cè)車輪的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，接入FPGA控制模塊(6)的2個(gè)I/O ロ。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車，其特征在于單片機(jī)(5)的P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ提供左、右兩側(cè)車輪的PWM波的參數(shù)選擇信號(hào)，分別接FPGA控制模塊(6)的6 個(gè) I/O ロ。
專利摘要本實(shí)用新型涉及無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)車。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)為監(jiān)測(cè)車(16)上的左、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、(15)分別連接左、右側(cè)車輪，上位機(jī)(7)和監(jiān)測(cè)車(16)通過通信模塊(1)、(2)無(wú)線連接；通信模塊(1)、無(wú)線接收模塊(3)接入上位機(jī)(7)的USB口，通信模塊(2)接入單片機(jī)(5)串口，無(wú)線接收模塊(3)接收無(wú)線攝像頭(4)信號(hào)，無(wú)線攝像頭(4)、單片機(jī)(5)設(shè)置在監(jiān)測(cè)車(16)上，單片機(jī)(5)連接紅外傳感器(13)、FPGA控制模塊(6)，F(xiàn)PGA控制模塊(6)分別連接超聲波測(cè)距傳感器(11)、左、右路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(14)、(15)。本實(shí)用新型解決了監(jiān)測(cè)車在危險(xiǎn)環(huán)境中仍需人駕駛的缺陷。本實(shí)用新型能夠在無(wú)人情形下自動(dòng)進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境工作。
文檔編號(hào)G08C17/00GK202947759SQ2012204314
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2012年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月24日
發(fā)明者鄭潔, 陳淏 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)