本發(fā)明屬于智能運輸小車技術領域，具體涉及一種具有路徑記憶功能的智能運貨小車。

背景技術：

目前的當前智能運輸小車在實際運行過程，會遇到的一些問題，比如小車必須依賴地面表示物作為前進引導，施工繁瑣，不利于生產(chǎn)線的調(diào)動、難以適應室外環(huán)境、難以在室外雨天、有積水路面運行。另外在無人智能運輸小車的實際應用中，受限于地面環(huán)境、生產(chǎn)變動等影響，傳統(tǒng)“檢測軌道”的制導技術仍存在許多局限性。當在露天環(huán)境，或地面有積水、鐵屑，或地面未經(jīng)修整時，這類制導小車無法良好的運行。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決上述的技術問題而提供一種具有路徑記憶功能的智能運貨小車。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種具有路徑記憶功能的智能運貨小車，包括可在手動模式、記憶模式與自動運輸模式中的任一種運行模式下運行的小車本體以及可控制所述小車本體的啟停、行進方向以及在三種運行模式間進行切換的遙控裝置，所述小車本體包括對稱設在前側(cè)的兩動力輪及設在后側(cè)的一萬向輪：所述小車本體上設有：

主控模塊以及與所述主控模塊相連接的超聲波測距模塊、光電編碼器、電子羅盤、攝像頭、電機模塊；

所述超聲波測距模塊，用于檢測小車與周圍物體之間的距離或在接近運輸終點時檢測小車與終點標志物間的距離；

所述光電編碼器用于檢測小車的運行路程，所述電子羅盤用于判斷小車當前的行進方向；

所述攝像頭，用于在小車運行至距運輸終點預定距離時，采集視野內(nèi)終點標志物圖像，以判斷出當前小車與終點標志物之間的相對距離與角度；

所述電機模塊，用于驅(qū)動小車的兩個動力輪在直線運動同步運動行進而在轉(zhuǎn)彎時使一個動力輪靜止而另一個動力輪以前車軸長度為轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎；

所述主控模塊包括有：

路徑識別單元，用于在記憶模式下時識別并存儲小車的運行路徑，包括行進距離、行進方向以及轉(zhuǎn)彎角度；

路徑控制單元，用于在自動運輸模式下，根據(jù)路徑識別單元識別并存儲的小車的運行路徑，控制小車按記憶的運行路徑自出發(fā)點自動運行到終點。

所述主控模塊連接通信模塊，用于實現(xiàn)所述主控模塊與上位機監(jiān)控裝置通信，由所述上位機監(jiān)控裝置與小車進行人機交互，實時獲取當前小車運行狀態(tài)，包括小車運行位置、前進方向，并向小車發(fā)送運行控制指令。

所述路徑識別單元包括：

行進距離計算模塊，用于每隔預設時間采集一次當前小車行進角度以及行進距離，將當前小車行進角度同上次采集的小車行進角度取平均值記為小車在該時間內(nèi)的行進方向，然后根據(jù)前后兩次的行進方向差值，計算出小車在該時間內(nèi)的行進距離，然后根據(jù)該行進距離及對應的運行角度參數(shù)，利用三角法則計算小車自起點到終點的行進距離；

行進方向計算模塊，用于計算小車自起點到終點的行進過程中每段預設時間內(nèi)的行進距離對應的行進角度參數(shù)。

本發(fā)明可以實現(xiàn)小車遙控操作，并可以實現(xiàn)小車在無人干預情況下，通過識別并存儲的路徑在自動傳輸模式下將貨物從起點運送至終點，全程無需人工操作，且可在地面無任何標志物、軌道的情況下，可實現(xiàn)貨物的自動運輸。

附圖說明

圖1出示了本發(fā)明的具有路徑記憶功能的智能運貨小車的結(jié)構示意圖；

圖2出示了本發(fā)明的控制流程示意圖；

圖3出示出了小車由A點運行至D點的路徑圖；

圖4出示了通過運行弧線計算小車行進距離的示意圖；

圖5出示了通過小車行進方向與行進距離計算行進路徑的示意圖；

圖6示出了識別出的小車自起點A到終點M的運行路徑；

圖7出示了小車的行進路徑控制的示意圖。

具體實施方式

下面，結(jié)合實例對本發(fā)明的實質(zhì)性特點和優(yōu)勢作進一步的說明，但本發(fā)明并不局限于所列的實施例。

參見圖1所示，一種具有路徑記憶功能的智能運貨小車，包括可在手動模式、記憶模式與自動運輸模式中的任一種運行模式下運行的小車本體以及可控制所述小車本體的啟停、行進方向以及在三種運行模式間進行切換的遙控裝置，所述小車本體包括對稱設在前側(cè)的兩動力輪及設在后側(cè)的一萬向輪：所述小車本體上設有：

主控模塊以及與所述主控模塊相連接的超聲波測距模塊、光電編碼器、電子羅盤、攝像頭、電機模塊；

所述超聲波測距模塊，用于檢測小車與周圍物體之間的距離或在接近運輸終點時檢測小車與終點標志物間的距離；

所述光電編碼器用于檢測小車的運行路程，所述電子羅盤用于判斷小車當前的行進方向；

所述攝像頭，用于在小車運行至距運輸終點預定距離時，采集視野內(nèi)終點標志物圖像，以判斷出當前小車與終點標志物之間的相對距離與角度；

所述電機模塊，用于驅(qū)動小車的兩個動力輪在直線運動同步運動行進而在轉(zhuǎn)彎時使一個動力輪靜止而另一個動力輪以前車軸長度為轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎；

所述主控模塊包括有：

路徑識別單元，用于在記憶模式下時識別并存儲小車的運行路徑，包括行進距離、行進方向以及轉(zhuǎn)彎角度；

路徑控制單元，用于在自動運輸模式下，根據(jù)路徑識別單元識別并存儲的小車的運行路徑，控制小車按記憶的運行路徑自出發(fā)點自動運行到終點。

當所述主控模塊通過所述光電編碼器、電子羅盤的采集信息判斷出小車即將運行至終點時，即距終端預設距離時，所述攝像頭尋找視野內(nèi)的終點標志物，主控模塊判斷當前小車與終點標志物之間的相對角度，并根據(jù)當前小車同終點標志物的角度、距離來調(diào)整小車的行進方向。

本發(fā)明中，該具有路徑記憶功能的智能運貨小車具有三種運行模式，即“手動模式”、“記憶模式”與“自動運輸模式”，可以由操作者可通過遙控裝置自由在這三種模式之間隨時切換。

(一)手動模式。在手動模式下，小車需要人為進行操作，操作者可通過遙控方式控制小車的啟停動作與前進方向，通過遙控的方式完成小車的基本運輸任務。與傳統(tǒng)人力推車方式相比，此模式可節(jié)省相當大的人力。同時，當小車出現(xiàn)故障或運輸環(huán)境突然發(fā)生不可控變化，例如工廠事故、室外自然災害時，可快速改變小車運行軌跡，甚至充當無線遙控救險小車。

(二)記憶模式。在進入此模式之前，應先在手動模式下遙控運輸小車，使小車運行至運輸起點，當小車進入記憶模式時，自動將其當前所在位置記為運輸起點，在記憶模式下，通過遙控裝置控制小車，使小車在人為操作下，運行至運輸終點。在此過程中，小車能實時對已行進的路徑、當前位置進行識別判斷，并記錄保存至儲存卡，如SD卡中，以便自動模式下判斷記憶路徑、并根據(jù)記憶路徑行進。

(三)自動運輸模式。在此模式下，首先，小車從存儲卡，如SD卡中讀取本次運輸路徑，然后根據(jù)記憶的運輸路徑，從出發(fā)點自主運行至運輸終點，整個過程無需人為干預，無需在地面鋪設任何標志物進行制導。但若存儲卡中無任何已記錄的運輸路線，則無法進入自動運輸模式。僅可進入“手動模式”與“記憶模式”。

當小車運行至終點附近時，主控模塊自動進入終點識別程序，通過運輸小車上的攝像頭，識別放置在終點位置的標志物，并通過超聲波測距模塊的測距離，判斷小車與運輸終點的相對位置(相對距離與相對角度)，并以此對小車運行方向進行校正，保證小車能夠快速準確的抵達運輸目的地。

本發(fā)明的操作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電之后，開始初始化各個模塊，初始化完成后，等待操作員遙控選擇進入“手動模式”、“記憶模式”以及“自動運輸模式”，在三個模式中，操作人員可實時控制退出當前模式。

本發(fā)明中，所述主控模塊還連接有通信模塊，用于實現(xiàn)所述主控模塊與上位機監(jiān)控裝置通信，由所述上位機監(jiān)控裝置與小車進行人機交互，實時獲取當前小車運行狀態(tài)，包括小車運行位置、前進方向，并向小車發(fā)送運行控制指令。

經(jīng)實測，在自動運輸模式下，在短距離50M之內(nèi)運輸中，運輸精度可達5-10CM，加入終點識別系統(tǒng)后，運輸精度可達1-3cm，完全滿足運輸需求。

本發(fā)明中，所述遙控裝置通過紅外發(fā)射模塊與小車本體進行通信，發(fā)出指令，小車本體上設有紅外接收模塊，與所述主控模塊相連接，以接收遙控裝置的遙控指令進行啟停，轉(zhuǎn)向以及模式的切換。

需要說明的是，本發(fā)明中，所述超聲波測距模塊主要是用于障礙檢測，當小車運行路線中有其他物體阻擋時，小車能夠識別障礙，并發(fā)出警報，提醒操作人員，可以為5個，分別安裝在小車的前端、兩側(cè)，其中可在小車的前端一個，在小車的兩側(cè)分別安裝兩個。超聲波測距模塊可以采用US-100，當小車接近運輸終點時，通過超聲波傳感器測量小車與標志物之間的距離，糾正運輸過程中產(chǎn)生的誤差，使小車能較為精確的抵達設定的運輸終點。

需要說明的是，本發(fā)明中，光電編碼器(測速光碼盤)用來檢測小車運行的路程，為兩個，分別安裝在兩個動力輪上，電子羅盤為一個，用來判斷小車當前的行進方向。通過光電編碼器、電子羅盤的數(shù)據(jù)，共同判定當前小車與運輸終點的相對位置以及當前小車與預設行進路線直接的偏差，并以此為基準調(diào)整小車行駛方向。

所述攝像頭是為了檢測運輸終點標志物，安裝在小車的前端。當單片機通過光電編碼器、電子羅盤的采集信息判斷出小車即將運行至終點時，車上攝像頭尋找視野內(nèi)的終點標志物，通過超聲波測距模塊以及電子羅盤的信息上，判斷出當前小車與終點標志物之間的相對距離以及相對角度，單片機根據(jù)當前小車同終點標志物的相對角度、距離來調(diào)整小車行進方向。

所述主控模塊采用單片機，并連接液晶屏，該單片機可以選擇恩智浦公司的Kinetis K60DN512單片機(原飛思卡爾公司設計制造)。

下表是本系統(tǒng)中K60與其它模塊之間的連接說明。

本發(fā)明中，所述主控模塊的路徑識別單元、路徑控制單元是具有路徑記憶功能的智能運輸小車的核心部分。

其中，所述路徑識別單元包括：行進距離計算模塊，用于每隔預設時間采集一次當前小車行進角度以及行進距離，將當前小車行進角度同上次采集的小車行進角度取平均值記為小車在該時間內(nèi)的行進方向，然后根據(jù)前后兩次的行進方向差值，計算出小車在該時間內(nèi)的行進距離，然后根據(jù)該行進距離及對應的運行角度參數(shù)，利用三角法則計算小車自起點到終點的行進距離；行進方向計算模塊，用于計算小車自起點到終點的行進過程中每段預設時間內(nèi)的行進距離對應的行進角度參數(shù)。

下面進行說明路徑識別與控制的具體過程。

為了提高識別精度，降低識別誤差，本發(fā)明中，小車在運輸過程中，采用轉(zhuǎn)彎狀態(tài)、直線狀態(tài)分離的方式前進，即前進時保持兩個輪子速度相同，轉(zhuǎn)彎時一個輪子靜止，轉(zhuǎn)彎半徑是固定的(即車軸長度)，不會出現(xiàn)其他的轉(zhuǎn)彎半徑。這是因為在路況較差地區(qū)，兩個輪子同時轉(zhuǎn)動，保證小車以一個固定的轉(zhuǎn)彎半徑進行轉(zhuǎn)彎更為困難，而令一個輪子靜止的方式更易實現(xiàn)，轉(zhuǎn)彎精度也更高。

由此可分析得到，在直線運行時，兩個最重要的小車行進控制參數(shù)就是小車的行進距離和行進方向。轉(zhuǎn)彎時，因轉(zhuǎn)彎半徑固定(即為前車軸長度)，最重要的參數(shù)即為轉(zhuǎn)彎角度，主控模塊的控制關鍵就是記錄這三個數(shù)據(jù)：行進距離、行進方向、轉(zhuǎn)彎角度。

如圖3所示，下面將從小車由A點運行至D點的過程來說明主控模塊的路徑記憶以及路徑控制過程；小車從A點直線運動至B點時，在理想狀態(tài)下，兩個動力輪轉(zhuǎn)速完全相同，全程保證完全直線運行。故僅需依靠光電編碼器數(shù)據(jù)累加即可判別小車運行距離，通過電子羅盤即可獲得小車運行角度，從而識別出小車的運行路徑。然而實際運行過程中，因地面不平整，電機內(nèi)部結(jié)構的細微差異等，即使加入了PID控制，也不可能保證小車直線運行。實際證明，直接將電子編碼器檢測距離當做前進直線距離誤差無法滿足需求。故所述主控模塊設有運行路徑識別單元與路徑控制單元，用于小車的運行路徑記憶并根據(jù)記憶的路徑進行糾正控制。在路徑識別時，具體為，當小車在直線運行時，每隔500ms采集一次當前小車行進角度，并采集500ms內(nèi)編碼器數(shù)值。將本次小車角度同上次采集的小車角度取平均值，記為該車在此500ms內(nèi)的行進方向。因小車兩輪不可能完全同速轉(zhuǎn)動，故可視為在此500ms內(nèi)，小車前進為一段弧線M，如圖4所示，通過下面式，可求出小車在這500ms內(nèi)行進的直線距離L。

L＝r²+r²-2×r×r×cosα； 4‐1

M＝r×α； 4‐2

$L=M\×\sqrt{2\×(1-cos\mathrm{\α})}/\mathrm{\α};---4-3$

式中，α為500ms前后兩次采集的方向差值，r為轉(zhuǎn)彎半徑，由式4-1、4-2可得式4-3，即可計算得出該500ms內(nèi)小車前進距離L，作為路徑判別依據(jù)。這樣，小車的行進路徑與存儲的記憶路徑誤差已在可接受范圍內(nèi)。

識別并存儲的運行路徑主要是為了在“自動運輸模式”下，小車可以此為根據(jù)前進。因為小車前進過程中僅分為直線前進，固定半徑轉(zhuǎn)彎兩種狀態(tài)，故在“自動運輸模式”下，如圖5所示，小車直線運行狀態(tài)僅需A與B點的直線距離，直線AB的方向角度兩個參數(shù)。顯然不能將上述路徑判別的結(jié)果直接作為小車的行進依據(jù)進行使用。

如圖5-6所示，假設小車在從A點運行至M點時，小車的行進路徑的路徑識別結(jié)果如圖6所示。先計算AC兩點的直線距離與角度，通過三角形法則計算。如圖5所示，AB、AC距離及角度參數(shù)ang1、ang2角度由路徑識別算法測得，則經(jīng)計算可得：

angle3＝180°-(ang1-ang2)； 4-4

$AC=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2-2AC\×BC\×cos\left(angle3\right)};---4-5$

ang5＝arccos[(AB²+AC²-BC²)/(2×AB×BC)]； 4-6

ang4＝ang1-ang5； 4-7

由式4-4至4-7可得到路徑AC的方向(即ang4)、距離，然后再次使用以上公式，即可獲得路徑AD的方向、距離，以此類推，最終即可獲得AM的直線距離、方向。將AM的直線距離、方向這兩個參數(shù)保存至SD卡中，即可作為“自動運輸模式”下小車前進的依據(jù)。

轉(zhuǎn)彎角度參數(shù)直接存儲在SD卡中即可，存儲時只記錄轉(zhuǎn)彎后的角度，即出彎角度。在“自動運輸模式”下，小車自行轉(zhuǎn)向至該出彎角度。

通過以上方法，實現(xiàn)了對小車的行進路徑的識別，方便進行路徑控制糾正，本發(fā)明中，由路徑識別單元可以獲得當前小車所處位置與方向，由SD卡中存儲的信息，包括小車行進方向、行進距離及轉(zhuǎn)彎角度，可獲得小車理想的前進路線，路徑控制單元的控制如圖7所示，直線CD為記錄在SD卡中的小車理想前進路線，線段AB為小車與理想前進路線之間的偏差，角ANG為小車的車身與理想前進方向的誤差，則根據(jù)線段AB的長度和角度誤差ANG進行PID閉環(huán)控制。公式4-8為僅在P調(diào)解下的角度控制參數(shù)。

ERROR＝AB×m+ANG×(1-m)； 4-8

在式4-8中，ERROR為小車整體誤差，m為糾正算法中直線偏差與角度偏差對控制的影響因子，即m增大時，距離偏差對調(diào)節(jié)控制算法的影響更大，m較小時，角度ANG的偏差對調(diào)節(jié)控制算法的影響更大。

根據(jù)以上信息，可輕松的在控制算法中加入PID控制中的積分、微分環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對小車的行進路徑的控制糾正，在此就不再贅述。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果：

1.在無人干預情況下，可將貨物從起點運送至終點，全程無需人工操作。

2.可在地面無任何標志物、軌道的情況下，可實現(xiàn)貨物的運輸。

3.可應用于室內(nèi)外多種場合，在下雨天、土路仍能較好的實現(xiàn)運輸。

4.可快速更改運輸路徑，有利于工廠企業(yè)生產(chǎn)線的變動。

5.應用范圍廣，不僅可應用于工廠的貨物運輸，也可應用于室外多種場合，例如農(nóng)場、漁場、倉庫等。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。