自動導航避障智能小車控制系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于智能機器人技術領域，涉及一種能自動導航、智能避障和視頻采集的智能小車。
【背景技術】
[0002]20年代末期世界經(jīng)濟、科技大發(fā)展，催生了很多高科技產(chǎn)物，機器人就是在這個時代的大潮中產(chǎn)生的。世界上第一臺能夠自主移動的機器人是由美國斯坦福研宄院(SRI)在1968年到1972年間研制出的，它的產(chǎn)生開啟了移動機器人研宄的大門。四十多年來，隨著時代和科技的不斷進步，特別是計算機技術和人工智能的飛速發(fā)展，移動機器人的研宄發(fā)展也得到了長足的進步。移動機器人以其自主行動、感知和“思考”等特點在軍事、搜救、探險、宇宙探測等領域都發(fā)揮著不可替代的作用，幫人們做了很多繁瑣、高強度、高危險的工作。
[0003]智能車是移動機器人技術的一個重要分支，是一個綜合了控制操作、環(huán)境感知和決策規(guī)劃等功能的智能體。它的研宄涉及計算機、動力學、運動學、信息處理、人工智能等多個領域，因此又可被稱為高技術綜合體的“輪式移動機器人”。智能車技術依靠安裝在車體上的傳感器來感知周圍環(huán)境，并根據(jù)GPS等裝置來定位及定向，然后把這些數(shù)據(jù)傳送給智能車處理器，處理器在綜合分析處理過這些數(shù)據(jù)后，向智能車機械部件發(fā)送動作指令，保證智能車安全、合理、可靠的行駛。和移動機器人一樣，隨著計算機技術、人工智能和傳感器技術等高新科技的發(fā)展，智能車技術也得到了飛速發(fā)展，特別是智能交通系統(tǒng)ITSdntelligent Transportat1n System)興起之后，智能車的研宄發(fā)展達到了高潮?，F(xiàn)階段，經(jīng)過各國科學家的不斷努力，智能車已經(jīng)更加智能化，具有了自主判斷和決策能力，可以根據(jù)周圍環(huán)境的變化自主做出迅速、正確的反應。
[0004]目前已實現(xiàn)的智能機器人，大部分研宄均是針對某一方面的深化研宄，很少有從整體上對智能機器人的避障導航性能進行改進，本方案從環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行三個方面來設計構建實體智能機器人，采用環(huán)境感知、自動導航的組合定位的方法，實現(xiàn)智能小車的自動導航與避障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種自動導航避障智能小車控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn):自動導航避障智能小車控制系統(tǒng)，它包括電源穩(wěn)壓模塊、電機驅(qū)動模塊、四個直流電機、避障模塊、信息采集模塊、導航模塊、無線模塊1、無線模塊2、處理器模塊1、處理器模塊2、上位機、坦克履帶式智能小車底盤，其特征是:處理器模塊I連接電機驅(qū)動模塊后與直流電機相連接；處理器模塊I連接避障模塊、信息采集模塊、導航模塊和無線模塊I ;處理器模塊2連接無線模塊2與上位機；電源穩(wěn)壓模塊分別為電機驅(qū)動模塊、避障模塊、信息采集模塊、導航模塊、無線模塊1、無線模塊2、處理器模塊1、處理器模塊2提供電壓；無線模塊I可向無線模塊2發(fā)送信號或接受無線模塊2發(fā)來的信號；小車采用坦克履帶式智能小車底盤。
[0007]所述處理器模塊I控制避障模塊掃描自動導航智能小車前方的障礙物，導航模塊每間隔5秒采集系統(tǒng)的當前坐標與前進方向信息并送給處理器模塊1，處理器模塊I的數(shù)據(jù)處理后通過無線模塊I將該信息發(fā)送給無線模塊2，無線模塊2接收到信息后通過處理器模塊2數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給上位機；同時上位機也可將目的坐標信息傳送給處理器模塊2，數(shù)據(jù)處理后的信息經(jīng)無線模塊I和無線模塊2后傳送給處理器模塊1，再利用導航模塊導航，信息采集模塊固定在自動導航智能小車上，采集周圍信息，并將信息存入與之相連的存儲卡內(nèi)；小車底盤采用坦克履帶式智能小車底盤。
[0008]所述處理器模塊I和處理器模塊2均采用STM32F103。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、抗干擾能力強。
[0009]所述電源穩(wěn)壓模塊包括LM7805 (U1)、ASM1117 (U2)，1300mah鋰電池，電容C1、C2、C3、C4、C5、C6，電阻Rl和LED發(fā)光管Dl。具體連線方法如圖2所示:VDD接鋰電池正極，GND接負極，LM7805的I號引腳分別與電解電容Cl，瓷片電容C2連接，2號引腳接地，3號引腳分別與瓷片電容C3、電解電容C4連接后與ASMl117的I號引腳連接，ASMl117的2號引腳接地，3號引腳與電解電容C5、瓷片電容C6連接，Rl串聯(lián)Dl后與C6并聯(lián)，LED為電源指示燈。該電源穩(wěn)壓模塊可輸出5V與3.3V的穩(wěn)壓電源，給導航模塊、無線模塊、處理器模塊I提供3.3V電壓，給避障模塊、信息采集模塊、電機驅(qū)動模塊的提供5V電壓。
[0010]所述的電機驅(qū)動模塊包括兩個圖3所示驅(qū)動電路，每個驅(qū)動電路驅(qū)動兩個直流電機，每個驅(qū)動電路包括:L298N(U5)、四個光耦合器、四個LED、八個二級管、四個電容，八個電阻。具體連接方法如圖3所示:L298N的4號引腳接VDD，VDD接鋰電池正極，再分別與瓷片電容C2，電解電容C4連接后接地；9號引腳接VCC，并與電解電容C3、瓷片電容Cl連接后接地;2號、3號、13號、14號分別與D1、D2、D3、D4相連后接VCC，與D5、D6、D7、D8相連接；VCC接+5V電壓；2號、3號引腳和13號、14號引腳分別和兩個直流電機相連；1號、8號和15號引腳接地；6號和11號引腳接處理器模塊1，；5號、7號、10號、12號分別與光親合器Ul、U2、U3、U4接收端相連，光耦合器經(jīng)過LED后與處理器模塊I連接，通過LED，可以直接觀察處理器模塊I發(fā)給L298N的電平信號；U1、U2、U3、U4分別與R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相連后接VCC。該模塊采用光耦合器后，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，抗干擾能力強；在VDD與地間增加C2、C4的并聯(lián)電容后，消除了尖峰電壓對直流電機的影響。
[0011]所述的避障模塊包括E18-D80NK紅外避障傳感器與P0050舵機E18-D80NK與P0050分別與處理器模塊I連接，如圖5所示。當遇到障礙物時，紅外避障傳感器接收到低電平，調(diào)用舵機掃描前面的障礙物，可以快速的找到無障礙通道。
[0012]所述的信息采集模塊包括航拍攝像模塊與內(nèi)存卡。將攝像頭固定在智能避障自動導航小車上，航拍攝像模塊與處理器模塊I連接，如圖6所示，由處理器模塊I控制航拍攝像模塊拍攝的啟動或者停止。由于攝像信息不發(fā)送給上位機，而是儲存在其內(nèi)存卡上，因而小車可實現(xiàn)遠程或者在通訊環(huán)境較差的地面進行探測。
[0013]所述的導航模塊包括U-BLOX NE0-6M模塊(GPS模塊)與電子羅盤HMC5883L。U-BLOX NE0-6M和HMC5883分別與處理器模塊I連接。GPS模塊自帶高性能無源陶瓷天線，并自帶可充電后備電池(以支持溫啟動或熱啟動，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存)?；裟犴f爾HMC5883L是一種表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應用于低成本羅盤和磁場檢測領域。當小車啟動時，小車可以自己調(diào)整方向，使車頭朝北，在行駛過程中，可以保證車頭前進的方向。
[0014]所述小車底盤是采用坦克履帶式智能小車底盤。負重能力強，能在較為復雜的路面行駛。
[0015]所述的上位機軟件采用visual basic軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、顯示與發(fā)送。
[0016]所述的無線模塊1、無線模塊2均使用NRF24L01芯片，分別與處理器模塊1、處理器模塊2相連接。通過處理器模塊控制無線模塊的發(fā)射與接收。NRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。NRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時的工作電流只有18 mA，它具有多種低功率工作模式，節(jié)能環(huán)保。
[0017]所述處理器模塊采用的芯片是STM32F103。
[0018]本發(fā)明的有益效果:(1)采用了 GPS與電子羅盤組合導航方式，成本低而導航精度高，自動導航能力強，相對現(xiàn)有的自動導航小車，無需人工初始化啟動方向；(2)采用紅外避障傳感器與舵機想結合的避障方式，相對于現(xiàn)有的超聲波避障模塊成本低，占用處理器模塊的內(nèi)存少，系統(tǒng)更穩(wěn)定，掃描范圍更大，避障范圍廣；(3)嵌入了攝像頭，使得用戶對小車周圍環(huán)境有更加直觀的感知，具備存儲性；(4)采用了履帶式底盤，負重能力強，能在較為復雜的路面行駛。(5)適用范圍及推廣前景:本系統(tǒng)主要適用于對人類具有威脅的、環(huán)境惡劣的場合，能代替人類完成既定任務。例如，本系統(tǒng)可以運用在災后援救工作，通過對小車自動或手動導航，使小車到達既定地點完成特定任務；自動導航智能車代替人類從事農(nóng)業(yè)活動，進一步解放生產(chǎn)力，例如田間數(shù)據(jù)采集、農(nóng)藥施肥、農(nóng)田灌溉等，從而推動科技農(nóng)業(yè)化進程。由于系統(tǒng)成本低廉，應用價值高，值得推廣應用。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構框圖。
[0020]圖2為本發(fā)明電源穩(wěn)壓電路原理圖。
[0021]圖3為本發(fā)明電機驅(qū)動電路原理圖。
[0022]圖4為本發(fā)明導航模塊結構框圖。
[0023]圖5為本發(fā)明避障模塊結構框圖。
[0024]圖6為本發(fā)明信息采集模塊結構框圖。
[0025]在圖中，1、處理器模塊1，2、電機驅(qū)動模塊，3、直流電機，4、避障模塊，5、信息采集模塊，6、導航模塊，7、無線模塊1，8、處理器模塊2，9、無線模塊2，10、上位機，11、電源穩(wěn)壓模塊。
【具體實施方式】
[0026]為了便于理解，下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步闡明。
[0027]下面結合附圖對本發(fā)明的結構、工作原理及工作過程進行詳細說明:
自動導航智能避障小車整體框圖如圖1所示，其包括:電源穩(wěn)壓模塊(11)、電機驅(qū)動模塊(2)、四個直流電機(3)、避障模塊(4)、信息采集模塊(5)、導航模塊(6)、無線模塊I(7)、無線模塊2 (9)、處理器模塊I (1)、處理器模塊2 (8)、上位機(10)、坦克履帶式智能小車底盤，其特征是:處理器模塊I (I)連接電機驅(qū)動模塊(2)后與直流電機(3)相連接；處理器模塊I (I)連接避障模塊(4)、信息采集模塊(5)、導航模塊(6)及無線模塊I (7);處理器模塊2 (8)連接無線模塊2 (9)與上位機(10);小車采用坦克履帶式底盤。處理器模塊I