CN102902273A

CN102902273A - 一种自动纠偏激光导航系统

Info

Publication number: CN102902273A
Application number: CN2012104243821A
Authority: CN
Inventors: 尹东富; 张志胜; 戴敏; 史金飞
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明公开了一种自动纠偏激光导航系统，包括移动小车、光敏电池、旋转激光器、支架、激光控制器、激光器无线通信模块、车载无线通信模块、车载控制器。车载控制器具有两种工作模式，当移动小车左右偏差不大时，车载控制器根据照射在小车前端光敏电池的位置，控制移动小车左转、右转或停止转向。当移动小车偏离中心线较大时，车载控制器发送旋转指令，激光控制器根据旋转指令控制激光旋转装置旋转，旋转激光器主动寻找移动小车目标，车载控制器根据移动小车周围光敏电池信号变化情况，做出左右转向判断。本发明具有控制方式简单，扩展性好，应用范围较广，较大偏差时移动小车无需人为控制可自动回到设定路径等优势。

Description

一种自动纠偏激光导航系统

技术领域

本发明属于激光导航技术领域，涉及一种自动纠偏激光导航系统。

背景技术

导航是指引导某一设备，沿设定路线从一处运动到另一处的方法。激光导航是利用激光的不发散性对运载机器人所处的位置进行精确定位来引导机器人行走。目前，主要的导航方式有激光导航、GPS导航、视觉导航、无线电导航，室内磁轨迹线导航等。但视觉导航方法受路面导航标志、光线等影响较大；GPS导航方式精度不高，不能满足精确导航要求；无线电导航抗干扰能力较差；室内磁轨迹线导航需要预先在机器人运行路线上埋设磁轨迹线，附属设施施工复杂，成本较高等。激光导航具有成本低、可全时段工作、不受电磁干扰、定位精度高、无累积误差和地面附属设施施工简单等特点，因此适用于机器人的高精度导航定位。目前，激光导航技术已在生产车间、航空航天、农业生产等领域中得到广泛的应用。

目前已有的激光导航装置，导航控制系统复杂，价格成本较高，且偏离设定路线较大时不能正常工作。如实用新型专利200820028079.9公开了一种直线运动激光导航测量装置，包括激光光源，光学准直系统，二维PSD，信号调理电路，A/D转换器，单片机，控制电机等。该导航装置以激光光束为导航基准，利用光电传感器对该基准做非接触测量，并通过单片机进行数据处理，控制电机引导小车回到正确位置。该系统可引导小车实现直线运动，但该装置控制方法复杂，且当小车位置偏差较大时，该装置不能引导小车回到原先设定的正确轨道。

发明内容

本发明的目的是针对现有激光导航系统中存在的问题，提供了一种控制方案简单，成本较低、在较大偏差时仍能正常工作的激光导航系统。

本发明采用的技术方案为：一种自动纠偏激光导航系统，包括车载系统和激光器系统；

所述车载系统包括移动小车、光敏电池组、车载无线通信模块和车载控制器，所述光敏电池组固定在移动小车四周，并与车载控制器相连，车载控制器位于移动小车内，并与车载无线通信模块相连；

所述激光器系统包括旋转激光器、支架、激光控制器和激光器无线通信模块，高度可调整的所述支架固定在导航路径终点一端，上端可旋转的所述旋转激光器固定在支架上，所述激光控制器位于旋转激光器内，并与激光器无线通信模块相连。

作为优选，所述光敏电池组为由光敏电池组一和光敏电池组二连接而成的四边形，所述光敏电池组一为四组，每两组光敏电池组一之间设有光敏电池组二，光敏电池组二的位置设在上述四边形的各边的中间。

作为优选，为了减小移动小车行进过程中光敏电池组所遇到的阻力，光敏电池组前端为圆弧形结构。

当激光照射到光敏电池上时，光敏电池组一和组二产生不同电压信号。当激光照射到光敏电池组一上时，车载控制器根据光敏电池电压变化控制车轮左转或右转；当激光照射到光敏电池组二上时，车轮停止转向。

车载控制器具有工作模式1及工作模式2两种工作状态。在正常工作过程中，移动小车左右偏差不大，车载控制器处于工作模式1工作方式。车载控制器间隔设定时间接收一次光敏电池信号，并根据不同光敏电池的信号控制车轮向左或向右转向，车轮每次转角大小固定。当激光照射到左边光敏电池组一上时，转向电机控制车轮往左转；当激光照射到右边光敏电池组一上时，转向电机控制车轮往右转。当激光照射到光敏电池组二上时，可视为左右偏差均较小，移动小车沿直线行走，此时车轮停止向左或向右转向。

当移动小车偏离中心线较大时，车载控制器开始启动工作模式2。此时，车载控制器发送旋转指令，车载无线通信模块将该指令发送到激光器无线通信模块，激光控制器根据该指令控制上端激光旋转装置开始旋转。旋转激光器主动寻找移动小车目标，旋转激光器旋转一周后处于等待状态，若激光控制器未接收到停止旋转指令，则旋转激光器继续旋转一周。车载控制器根据激光首先照射到的光敏电池位置情况，做出左右转向判断，使移动小车迅速回到中间线位置。车载控制器内部设旋转时间与等待时间，车载控制器根据不同光敏电池电压信息及控制器内部所处的时间段，判断移动小车是否已经回到中间线位置，当移动小车回到中心线位置时，控制器发送停止旋转指令，重新开始工作模式1工作方式。

本发明的有益效果：

1.在移动小车偏离中心线较小时，可保证移动小车沿直线行走。在偏离中心线较大时，移动小车无需人为控制可自动回到中心线附近。

2.控制方式简单，将光敏电池分成两组，且每次车轮转角固定，车载控制器无需根据每一块光敏电池的位置计算转角大小。

3.激光器安装在移动小车上时，移动小车前进方向小的偏差会导致激光器另一端偏差较大，出现激光无法照射到光敏元件上的脱靶现象。在本方案中激光器未安装在移动小车上，可减少脱靶现象的发生。另外，避免了导航装置随移动小车运动引起的振动，提高了激光系统工作时的精度及寿命。

4.当激光照射到光敏电池组二上时，车轮停止转向，因此转向电机不必频繁调整车轮左右转向；并可通过改变光敏电池组组二宽度大小，满足不同行走直线精度要求。

5.本系统扩展性较好，如对本系统稍作改进，可准确获取移动小车相对激光器发射装置的具体位置。即在激光旋转装置下添加编码器，利用编码器测得激光器照射到移动小车时的旋转角度，可获取移动小车的方向信息。由光电元件接收光敏电池反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，可计算出激光器到移动小车的距离。

附图说明

图1是自动纠偏激光导航系统原理图；

图2是激光导航控制系统结构图；

图3是光敏电池组位置分布图；

图4是激光开始照射到不同方向移动小车时的位置图。

图中：1.移动小车；2.光敏电池组；2.1.光敏电池组一；2.2.光敏电池组二；3.旋转激光器；4.支架；5.激光控制器；6.激光器无线通信模块；7.车载无线通信模块；8.车载控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1和图3所示，一种自动纠偏导航系统，包括车载系统和激光器系统。车载系统包括移动小车1、光敏电池组2、车载无线通信模块7、车载控制器8。其中，光敏电池组2固定在移动小车1四周，车载控制器8位于移动小车1内，车载无线通信模块7与车载控制器8相连。为了减小移动小车1行进过程中光敏电池组2所遇到的阻力，光敏电池组2前端为圆弧形结构。

如图2所示，光敏电池组2分为两类，光敏电池组一2.1和光敏电池组二2.2。移动小车1周围光敏电池组一2.1按逆时针方向分为A、B、C、D四组，分别对应移动小车1右前、左前、左后、右后方向。每一组内由若干独立的光敏电池构成。一组光敏电池一2.1和另一组光敏电池一2.1之间为光敏电池组二2.2。光敏电池的工作原理是利用半导体的光电效应，内部电阻随着射入光的强弱而改变，当光照变强时，光敏电池内部电阻减小，所在电路电压变小。

激光器系统包括旋转激光器3、支架4、激光控制器5、激光器无线通信模块6。支架4固定在导航路径终点位置，旋转激光器3固定在支架4上，旋转激光器3上端可旋转，并在旋转过程中连续发射激光脉冲，支架4高度可调，以保证激光可准确照射到光敏电池上。激光控制器5位于旋转激光器3内，与激光器无线通信模块6相连。

车载控制器8与光敏电池组2相连，车载控制器8选用ARM处理器。当旋转激光器3发射的激光照射到光敏电池上时，根据光敏电池的光电效应，光敏电池将产生相应的电压变化，四组光敏电池组一2.1及光敏电池组二2.2产生不同的电压信号，这些电压信号经调理电路放大后送给A/D转换模块转换成数字信号，车载控制器8根据不同光敏电池组的信号判断移动小车1位置是左偏还是右偏，从而控制车轮左转或右转，保证其沿直线路径行走；当激光照射光敏电池组二2.2时，产生另一种不同的电压信号，控制器接收到该信号时，车轮不左右转向。

车载控制器8具有工作模式1及工作模式2两种工作状态。在正常工作过程中，车载控制器8处于工作模式1工作方式，此时激光照射到移动小车1前端左侧或右侧光敏电池组一2.1上或中间光敏电池组二2.2上。移动小车1沿直线行走，左右偏差不大，车载无线通信模块7及激光器无线通信模块6均不工作。转向电机每次转过较小且固定的角度，当激光照射到左边光敏电池组一2.1上时，表明移动小车1前进方向偏右，此时转向电机控制车轮往左转；当激光照射到右边光敏电池组一2.1上时，表明移动小车1前进方向偏左，转向电机控制车轮往右转。当激光照射到光敏电池组二2.2上时，可视为左右偏差均较小，移动小车1沿直线行走，无需转向电机频繁左右调节车轮转向。

当移动小车1偏离中心线较大时，车载控制器8超过设定时间未检测到光敏电池组2电压信号，车载控制器8开始启动工作模式2，此时车载无线通信模块7及激光器无线工作模块均开始工作。由工作模式1切换到工作模式2时，车载控制器8发送旋转指令，车载无线通信模块7将该指令发送到激光器无线通信模块6，激光控制器5根据旋转指令控制上端激光旋转装置开始旋转，旋转激光器3旋转过程中不断发射激光脉冲信号。上端激光旋转装置旋转一周后停止，等待接受车载无线通信模块7发送的停止旋转信号，如果超过设定等待时间未接收到停止旋转指令，则继续旋转一周。在工作模式2中，车载控制器8内部设定有旋转时间与等待时间，旋转时间指激光旋转装置旋转一周的时间，等待时间指激光旋转装置旋转一周后距离下次旋转一周之间的时间。车载控制器8交替工作在旋转时间与等待时间，旋转及等待时间内包括系统响应等时间。如果车载控制器8在旋转时间内接收到光敏电池电压信号，表明移动小车1未回到中间线位置，则激光器继续旋转一周，继续工作模式2；如果在等待时间内接受到光敏信号，表明移动小车1已到中间线附近，车载控制器8发送停止旋转指令，启动工作模式1。由工作模式2切换到工作模式1时，车载控制器8发送停止旋转指令，激光控制器5接收到停止旋转信号后，控制旋转装置停止转动，如果旋转装置正在旋转过程中则继续旋转至初始位置停止。

图4为激光照射到八种不同方位下的移动小车1情况。在工作模式2中，通过对八种情况下激光照射在不同位置、不同方向的移动小车1分析知，当激光首先照射到移动平台尾部C或D组光敏电池组一2.1时，控制器调整移动小车1往右偏，可使移动小车1迅速回到中间线位置；当激光首先照射到移动小车1前部A组或B组光敏电池组一2.1时，控制器调整移动小车1往左偏，可使移动小车1迅速回到中间线位置。当移动小车1的形状与图4中形状差别较大时，转向判断的依据与上述依据可能略有不同，但对于特定的移动小车1，由于其外部形状固定，仍可根据激光旋转过程中首先照射的光敏电池组一2.1位置，找到一定的规律，从而实现简单的控制，使移动小车回到正确轨道上来。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims

1.一种自动纠偏激光导航系统，其特征在于：包括车载系统和激光器系统；

2.根据权利要求1所述的一种自动纠偏激光导航系统，其特征在于：所述光敏电池组为由光敏电池组一和光敏电池组二连接而成的四边形，所述光敏电池组一为四组，每两组光敏电池组一之间设有光敏电池组二，光敏电池组二的位置设在上述四边形的各边的中间。

3.根据权利要求1所述的一种自动纠偏激光导航系统，其特征在于：所述光敏电池组前端为圆弧形结构。