CN102288191B - 一种智能导航小车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能导航小车，属于嵌入式计算机领域。小车以LPC2136处理器为核心，包括环境感知模块、控制驱动模块、信息采集模块和导航控制模块四个部分。小车设计有4个超声波传感器，位于车体外接圆前部切线方向，彼此中垂线夹角为30度，探测前方130度角范围内障碍物的距离；采用三轴数字加速度计、电子罗盘和3个陀螺仪感知自身姿态，采用码盘记录行驶距离，通过计算方向角θ、位置角γ和目标距离s来实现导航；采用键盘和液晶显示器设定目的地位置；采用电机驱动芯片实现履带驱动；采用温湿度传感器和光亮度传感器采集目的地温度、湿度和光照强度，并将数据保存于SD卡。本发明可作为娱乐、军事、工业领域的原型系统使用。

Description

一种智能导航小车

技术领域

本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种智能导航小车。

背景技术

智能导航小车作为移动机器人的一种，是集信息采集、动态规划与决策、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，广泛应用在工业生产、军工产业以及娱乐行业中。在工业领域，智能导航小车可以替代人类工作，具有操作准确、高效、不会疲劳等特点，可有效提高生产效率；在军事领域中，对于危险的战场环境或者某些人类不宜到达的场合，可派遣智能导航小车去完成诸如信息采集、排雷、炸弹引爆等任务，避免对人类的伤害；在娱乐领域，智能导航小车以玩具的形态出现，可为儿童增加游戏乐趣。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种智能导航小车，能够通过实时导航功能，在存在障碍物的环境中行进至目标位置，完成对目的地环境信息的采集功能。

本发明的技术方案：

智能导航小车，以基于ARM7的LPC2136处理器为控制核心，包括环境感知模块、控制驱动模块、信息采集模块和导航控制模块四个模块，前三个模块为小车的硬件部分，导航控制模块为小车的算法部分。

环境感知模块包括距离感知、方位感知、姿态感知和里程计算等四个子模块。距离感知子模块采用四个超声波传感器，用于检测小车与障碍物间的距离，实现无碰撞导航。四个传感器顺序摆放于小车前部外接圆的切线方向，中垂线均相交于小车外接圆的圆心处，相邻两个传感器中垂线夹角为30度，在小车前方形成130度探测范围。方位感知子模块采用了一片电子罗盘芯片，其通过磁阻传感器感应地球的磁分量，转换得出小车当前实际行进路径的方位角度，与经导航算法计算得到的方位角进行对比，用于修正小车运行方向。姿态感知子模块采用一片三轴数字加速度传感器芯片，用于测量小车的倾斜角度，准确感知小车自身姿态，并补偿电子罗盘在非水平位置放置时产生的误差，使小车可运行于各种姿态。里程计算子模块由两组反射光耦和码盘组成，当车轮转动时，带动码盘转动，由反射光耦产生特定频率的脉冲，统计脉冲数目即可得到小车的实际行进距离。

控制驱动模块由人机接口子模块和电机驱动子模块两部分组成。人机接口子模块包括一个小键盘和一个液晶显示器，小键盘有6个按键，定义分别为计数增加、计数减小、左移位、右移位、确定和取消，用于为小车设置目的地位置坐标；液晶显示器用来同步显示输入的坐标信息，给用户提供反馈，同时负责显示目的地的温度、湿度和光照强度等环境信息。电机驱动子模块采用一片L298N芯片实现电机转速控制，通过改变小车两侧履带的转速，实现转弯及变速功能。

信息采集模块包括数字温湿度传感器、光亮度传感器和一块2GB容量的SD卡，实现对测量地点温度、湿度和光照强度的测量，并在液晶显示器上显示测量值，同时将测量值存储在SD卡中。

导航控制模块主要包含2个层：驱动层和决策层。驱动层提供各种传感器以及电机控制芯片L298N的驱动程序函数库，为上层软件提供传感器数据读取接口和电机控制软件接口。决策层包含避障算法和导航算法，前者通过超声波传感器探测小车与障碍物的距离，当距离小于3cm时，小车停止运动，通过向左右方转向来寻找新的行进路径。后者通过对传感器数据的处理和分析，实时计算出小车运行时的方向角θ、位置角γ，以及小车的目标距离s，并以θ≈γ和s≈0为目标函数，计算生成对电机控制芯片的驱动信号，传递给控制层，采用闭环逻辑，控制小车向目的地移动，完成导航决策任务。

智能导航小车的运行方式如下：

在存在障碍物的环境中，小车上电后，在避障与导航算法控制下，开始向目的地无碰撞行进，直到到达目的地后自动停止。

本发明的有益效果在于可以通过多个传感器精确采集小车行进路线上的环境状态，配合导航控制算法实现行进路线控制，使小车在存在障碍物的环境中可以无碰撞到达目的地。该系统控制方式灵活，导航定位准确，运行维护简单，可作为娱乐、军事、工业领域的原型系统使用。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的超声波传感器布局图

图中：1小车车体外轮廓；2小车车体外接圆；3相邻超声波传感器中垂线夹角；4超声波传感器；5超声波传感器发射角

图3是本发明的小车导航算法原理图。

图4是本发明的小车运动转角原理图。

具体实施方式

以下结合发明内容和说明书附图详细说明本发明的具体实施例。

(1)总体结构

智能导航小车，采用基于ARM7的LPC2136处理器为控制核心，共包括环境感知模块、控制驱动模块、信息采集模块和导航控制模块等四个模块，如图1所示，分别负责检测障碍物分布与自身姿态、提供人机接口并驱动履带转动、采集目的地环境信息、以及确定小车行进路线等工作。前三个模块为小车的硬件电路部分，导航控制模块为小车的算法部分。

(2)环境感知模块

环境感知模块包括距离感知、方位感知、姿态感知和里程计算四个子模块。

距离感知子模块由四个HC-SR04型超声波传感器组成，用于检测障碍物及分辨小车与障碍物之间的距离，是实现小车无碰撞导航的核心功能部分。如图2所示，四个超声波模块位于小车前端，电路板与小车外接圆的切线方向平行，中垂线交汇于小车外接圆中心点，且相邻两条中垂线夹角为30度。4个超声波传感器形成130度的探测角，有效缩小前方探测盲区。当小车前方有障碍物时，传感器发出的超声波被障碍物反射回来，通过记录超声波发射与回波接收间的时间差，即可计算出障碍物和小车间的距离。

方位感知子模块由ZCC212N-TTL型平面数字电子罗盘构成，其通过磁阻传感器感应地球的磁分量，进而得到小车当前行进的实际方位角度，将此角度与导航算法计算得到的方位角度进行对比，利用二者的差值实时调整小车行进方向，形成一个闭环控制系统，保证小车运行方向的准确性。ZCC212N-TTL型传感器位于小车顶端，水平放置，以TTL方式与处理器通信，输出波特率可调，同时具有安装角和磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境。

姿态感知子模块由一片飞思卡尔MMA7455三轴数字加速度传感器构成，用于测量小车的倾斜角度，准确感知小车自身姿态，补偿电子罗盘输出值的偏差，使电子罗盘处于非水平位置时也能精确测量角度。MMA7455三轴数字加速度传感器根据小车运动状态实时改变输出信号的电压值，各轴信号在不运动或合力为0的状态下电压输出为1.65V，如果沿某一个方向活动，或者受到合力不为0，其输出电压就会根据灵敏度设置值而改变。MMA7455采用IIC接口与处理器连接。

里程计算子模块由GP2S04反射光耦和码盘构成，共有两组，用于监控小车实际的前进距离，并可判断小车履带是否卡死或者空转。码盘涂有黑白相间的24个等角度扇形，每个扇形占据15度角，GP2S04发出的红外线遇到码盘的白色部分有较强反射，遇黑色部分反射很微弱，当相邻的黑白扇形转过时，GP2S04即会检测到一个脉冲信号，可知码盘已转动了30度角。通过统计一段时间内的脉冲个数，可知码盘实际转过的角度，进而得知小车导向轮转过的角度，进而可计算得到履带转过的距离，即小车行驶的里程。

(3)控制驱动模块

控制驱动模块由人机接口子模块和电机驱动子模块两部分组成。

人机接口子模块包括小键盘和液晶显示器两部分。小键盘包括6个键，定义分别为计数增加、计数减小、左移位、右移位、确定和取消，通过这6个键可以实现所有数字的录入，用于为小车设定目的地坐标。小键盘的按键采用软件延时20毫秒的方法去抖，并采用行列反转法区分键值。液晶显示器采用OCM12864-9型，显示128列、64行点阵，通过在flash存储器中存储字库来实现汉字显示。液晶显示器用来显示按键信息，以及显示目的地的温度、湿度和光照强度等环境信息。

电机驱动子模块的主体是一片双H桥高电压大电流功率集成电路L298N芯片，直接采用TTL逻辑电平控制，用来驱动两个直流电动机。L298N的驱动电压最高可达46V，最低为2.5V，直流电流总和可达4A，内部包含两个完全相同的PWM功率放大回路。用处理器的两个IO端口分别控制两路电机的转向，一个PWM端口接L298N的使能端，控制速度。

(4)信息采集子模块

信息采集模块包括DHT11型数字温湿度传感器、BH1710FVC型光亮度传感器和一块2GB容量的SD卡。

DHT11型数字温湿度传感器采用单线制串行方式工作，其数据线连接LPC2136的P0.27口，通过串行方式读取当前环境的温湿度值，并转换为十进制数字形式显示在液晶显示器上，同时以每15秒一次的频率将数据存储于SD卡中。BH1710FVC型光亮度传感器采用IIC总线结构，内置A/D转换器，无需外接器件，将传感器的ADDR引脚接地，该器件地址为0100011，采用IIC方式将光照强度发送给处理器，然后以每15秒一次的频率将数据存储于SD卡中。SD卡采用FATFS文件系统，用来存储温度值、湿度值和光亮度值的历史记录，以及16*16点阵显示字库。

(5)导航控制模块

导航控制模块主要包含2个层次：驱动层和决策层。

驱动层提供了超声波传感器、电子罗盘、温湿度传感器、光亮度传感器等各种传感器的驱动程序函数库，能够为上层软件提供传感器数据读取接口，使小车能够快速采集环境信息。驱动层还提供了电机控制芯片L298N的驱动程序接口，上层软件可以通过这个接口控制小车左右两侧电机的转速，从而控制小车的行进状态。驱动层能够快速对传感器回传的环境信息进行响应，将其向上层传送或者接受上层信号控制小车运动。

决策层算法的核心是维护和计算行进中小车的方向角θ和位置角γ，以及小车的目标距离s。其中方向角θ是以小车初始前进方向作为起始方向，顺时针旋转到当前行进方向所转过的角度，位置角γ是以小车初始前进方向为起始方向，顺时针旋转到目的地方向时所转过的角度，上述两个角度的取值范围均为[0，2π]，目标距离是小车当前位置距离目的地的距离。如图3所示，小车在初始状态下，θ＝0，位置角为γ，目标距离为s。小车行进Δt时间后，θ、γ和s分别变为θ′、γ′和s′。在满足避障的基础上，不断调整前进方向，如果能使θ′和γ′的差异较θ和γ的差异为小，并且s′相对于s来说更接近0，那么就保持此前进方向，否则调整小车行进方向，直到实现上述目的为止。当在某一时刻，计算得知θ≈γ，并且s≈0，则代表小车已经行驶到达目的地。这一算法的关键在于通过不断迭代，由θ、γ和s计算得到θ′、γ′和s′，具体通过如下方法实现。

小车运动转角原理如图4所示。转弯时，小车通过计算经过时间Δt后，θ改变量Δθ来求得新方向角θ′，其中v₁和v₂表示小车左右轮的瞬时速度。

转弯角度Δθ非常小时：

CD≈v₂Δt-v₁Δt    (1)

$\mathrm{\Δ\θ}=\arctan \frac{\mathrm{CD}}{A^{\′}C}\≈\arctan \frac{v_2\mathrm{\Δt}-v_1\mathrm{\Δt}}{A^{\′}C}---\left(2\right)$

因此修正后的方向角为：

θ′＝θ-Δθ      (3)

前进时，小车计算Δt时间后前进的距离vΔt和方向角θ来求得新的夹角γ′和距离s′。算法原理如图3所示。

$s^{\′}=\sqrt{s^2+{\left(\mathrm{v\Δt}\right)}^2-2\mathrm{sv\Δt}\·\cos (\mathrm{\θ}-\mathrm{\γ})}---\left(4\right)$

即可求得s′。又因为：

$\∠1=\arccos \frac{s^2+s^{\′2}-{\left(\mathrm{v\Δt}\right)}^2}{2s^{\′}\·s}---\left(5\right)$

∠2＝∠1+(θ-γ)    (6)

γ′＝θ-∠2        (7)

即可求得γ′。

通过导航方法可以计算和维护θ、γ、s，即小车可以在行进中不断迭代更新自身位置信息，最终到达目的地。

Claims (1)

1.一种智能导航小车，以基于ARM7的LPC2136处理器为控制核心，包括环境感知模块、控制驱动模块、信息采集模块和导航控制模块，其特征在于：

环境感知模块包括距离感知、方位感知、姿态感知和里程计算四个子模块；距离感知子模块采用四个超声波传感器，传感器顺序摆放于小车外接圆前部的切线方向，中垂线相交于小车外接圆的圆心处，相邻两个传感器中垂线夹角为30度，4个传感器在小车前方形成130度探测范围；方位感知子模块采用一片电子罗盘芯片，通过感应地球磁分量，转换得到小车当前行进路径的方位角；姿态感知子模块采用一片三轴数字加速度传感器芯片，测量小车的倾斜角度，补偿电子罗盘在非水平位置放置时产生的误差；里程计算子模块由两组反射光耦和码盘组成，当车轮转动时，带动码盘转动，由反射光耦产生特定频率脉冲，统计脉冲数目得到小车的实际行进距离；

控制驱动模块由人机接口子模块和电机驱动子模块两部分组成；人机接口子模块包括一个小键盘和一个液晶显示器；小键盘有6个按键，按键定义分别为计数增加、计数减小、左移位、右移位、确定和取消；液晶显示器负责显示输入坐标信息和目的地的温度、湿度和光照强度；电机驱动子模块采用一片L298N芯片实现电机转速控制；

信息采集模块包括数字温湿度传感器、光亮度传感器和一块2GB容量的SD卡，实现对测量地点温度、湿度和光照强度的测量，并在液晶显示器上显示测量值，同时将测量值存储在SD卡中；

导航控制模块主要包含2个层：驱动层和决策层；驱动层提供各种传感器以及电机控制芯片L298N的驱动程序函数库，提供传感器数据读取接口和电机控制接口；决策层包含避障算法和导航算法，前者通过超声波传感器探测小车与障碍物的距离，当距离小于3cm时，小车停止运动，通过向左右方转向来寻找新的行进路径；后者通过对传感器数据的处理和分析，实时计算出小车运行时的方向角θ、位置角γ，以及小车的目标距离s，并以θ≈γ和s≈0为目标函数，生成对电机控制芯片的驱动信号，传递给控制层，采用闭环逻辑，控制小车向目的地移动，完成导航决策任务；

其中方向角θ是以小车初始前进方向作为起始方向，顺时针旋转到当前行进方向所转过的角度，位置角γ是以小车初始前进方向为起始方向，顺时针旋转到目的地方向时所转过的角度，上述两个角度的取值范围均为[0,2π]。

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