CN104808667A - 自动导航避障智能小车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自动导航避障智能小车控制系统，主要连接关系如下：处理器模块1控制电机驱动模块，电机驱动模块控制直流电机；处理器模块1控制避障模块；导航模块信息送给处理器模块1，处理器模块1经数据处理后通过无线模块1将该信息发送给无线模块2，无线模块2接收到信息后通过处理器模块2数据处理后发送给上位机。同时上位机也可将目的坐标信息传送给处理器模块2进行数据处理，数据处理后的信息经无线模块2传送给处理器模块1，再利用导航模块导航；信息采集模块采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内。本发明所述智能小车自动导航能力强，避障范围广，且系统成本低廉，适用于环境恶劣的场合代替人类完成既定任务。

Description

自动导航避障智能小车控制系统

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，涉及一种能自动导航、智能避障和视频采集的智能小车。

背景技术

20 年代末期世界经济、科技大发展，催生了很多高科技产物，机器人就是在这个时代的大潮中产生的。世界上第一台能够自主移动的机器人是由美国斯坦福研究院（SRI）在 1968 年到 1972 年间研制出的，它的产生开启了移动机器人研究的大门。四十多年来，随着时代和科技的不断进步，特别是计算机技术和人工智能的飞速发展，移动机器人的研究发展也得到了长足的进步。移动机器人以其自主行动、感知和“思考”等特点在军事、搜救、探险、宇宙探测等领域都发挥着不可替代的作用，帮人们做了很多繁琐、高强度、高危险的工作。

智能车是移动机器人技术的一个重要分支，是一个综合了控制操作、环境感知和决策规划等功能的智能体。它的研究涉及计算机、动力学、运动学、信息处理、人工智能等多个领域，因此又可被称为高技术综合体的“轮式移动机器人”。智能车技术依靠安装在车体上的传感器来感知周围环境，并根据 GPS等装置来定位及定向，然后把这些数据传送给智能车处理器，处理器在综合分析处理过这些数据后，向智能车机械部件发送动作指令，保证智能车安全、合理、可靠的行驶。和移动机器人一样，随着计算机技术、人工智能和传感器技术等高新科技的发展，智能车技术也得到了飞速发展，特别是智能交通系统ITS(Intelligent Transportation System)兴起之后，智能车的研究发展达到了高潮。现阶段，经过各国科学家的不断努力，智能车已经更加智能化，具有了自主判断和决策能力，可以根据周围环境的变化自主做出迅速、正确的反应。

 目前已实现的智能机器人， 大部分研究均是针对某一方面的深化研究，很少有从整体上对智能机器人的避障导航性能进行改进，本方案从环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行三个方面来设计构建实体智能机器人，采用环境感知、自动导航的组合定位的方法， 实现智能小车的自动导航与避障。

发明内容

本发明的目的是提供一种自动导航避障智能小车控制系统。

本发明采用以下方案实现：自动导航避障智能小车控制系统，它包括电源稳压模块、电机驱动模块、四个直流电机、避障模块、信息采集模块、导航模块、无线模块1、无线模块2、处理器模块1、处理器模块2、上位机、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：处理器模块1连接电机驱动模块后与直流电机相连接；处理器模块1连接避障模块、信息采集模块、导航模块和无线模块1；处理器模块2连接无线模块2与上位机；电源稳压模块分别为电机驱动模块、避障模块、信息采集模块、导航模块、无线模块1、无线模块2、处理器模块1、处理器模块2提供电压；无线模块1可向无线模块2发送信号或接受无线模块2发来的信号；小车采用坦克履带式智能小车底盘。

所述处理器模块1控制避障模块扫描自动导航智能小车前方的障碍物，导航模块每间隔5秒采集系统的当前坐标与前进方向信息并送给处理器模块1，处理器模块1的数据处理后通过无线模块1将该信息发送给无线模块2，无线模块2接收到信息后通过处理器模块2数据处理后发送给上位机；同时上位机也可将目的坐标信息传送给处理器模块2，数据处理后的信息经无线模块1和无线模块2后传送给处理器模块1，再利用导航模块导航，信息采集模块固定在自动导航智能小车上，采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内；小车底盘采用坦克履带式智能小车底盘。

所述处理器模块1和处理器模块2均采用STM32F103。 系统工作稳定、抗干扰能力强。

所述电源稳压模块包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1。具体连线方法如图2所示：VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联，LED为电源指示灯。该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源，给导航模块、无线模块、处理器模块1提供3.3V电压，给避障模块、信息采集模块、电机驱动模块的提供5V电压。

所述的电机驱动模块包括两个图3所示驱动电路，每个驱动电路驱动两个直流电机，每个驱动电路包括： L298N（U5）、四个光耦合器、四个LED、八个二级管、四个电容，八个电阻。具体连接方法如图3所示：L298N的4号引脚接VDD，VDD接锂电池正极，再分别与瓷片电容C2，电解电容C4连接后接地；9号引脚接VCC，并与电解电容C3、瓷片电容C1连接后接地；2号、3号、13号、14号分别与D1、D2、D3、D4相连后接VCC，与D5、D6、D7、D8相连接；VCC接+5V电压；2号、3号引脚和13号、14号引脚分别和两个直流电机相连；1号、8号和15号引脚接地；6号和11号引脚接处理器模块1,；5号、7号、10号、12号分别与光耦合器U1、U2、U3、U4接收端相连，光耦合器经过LED后与处理器模块1连接，通过LED，可以直接观察处理器模块1发给L298N的电平信号；U1、U2、U3、U4分别与R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相连后接VCC。该模块采用光耦合器后，系统工作稳定，抗干扰能力强；在VDD与地间增加C2、C4的并联电容后，消除了尖峰电压对直流电机的影响。

所述的避障模块包括E18-D80NK 红外避障传感器与 P0050 舵机E18-D80NK与 P0050分别与处理器模块1连接，如图5所示。当遇到障碍物时，红外避障传感器接收到低电平，调用舵机扫描前面的障碍物，可以快速的找到无障碍通道。

所述的信息采集模块包括航拍摄像模块与内存卡。将摄像头固定在智能避障自动导航小车上， 航拍摄像模块与处理器模块1连接，如图6所示，由处理器模块1控制航拍摄像模块拍摄的启动或者停止。由于摄像信息不发送给上位机，而是储存在其内存卡上，因而小车可实现远程或者在通讯环境较差的地面进行探测。

所述的导航模块包括U-BLOX NEO-6M 模块(GPS模块)与电子罗盘HMC5883L。U-BLOX NEO-6M和HMC5883分别与处理器模块1连接。GPS模块自带高性能无源陶瓷天线，并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存）。 霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。当小车启动时，小车可以自己调整方向，使车头朝北，在行驶过程中，可以保证车头前进的方向。

所述小车底盘是采用坦克履带式智能小车底盘。负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。

所述的上位机软件采用visual basic软件实现数据的接收、显示与发送。

所述的无线模块1、无线模块2均使用NRF24L01芯片，分别与处理器模块1、处理器模块2相连接。通过处理器模块控制无线模块的发射与接收。NRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4~2.5 GHz 的ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时的工作电流只有18 mA，它具有多种低功率工作模式，节能环保。

所述处理器模块采用的芯片是 STM32F103。

本发明的有益效果：（1）采用了GPS与电子罗盘组合导航方式，成本低而导航精度高，自动导航能力强，相对现有的自动导航小车，无需人工初始化启动方向；（2）采用红外避障传感器与舵机想结合的避障方式，相对于现有的超声波避障模块成本低，占用处理器模块的内存少，系统更稳定，扫描范围更大，避障范围广；（3）嵌入了摄像头，使得用户对小车周围环境有更加直观的感知，具备存储性；（4）采用了履带式底盘，负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。（5）适用范围及推广前景：本系统主要适用于对人类具有威胁的、环境恶劣的场合，能代替人类完成既定任务。例如，本系统可以运用在灾后援救工作，通过对小车自动或手动导航，使小车到达既定地点完成特定任务；自动导航智能车代替人类从事农业活动，进一步解放生产力，例如田间数据采集、农药施肥、农田灌溉等，从而推动科技农业化进程。由于系统成本低廉，应用价值高，值得推广应用。

附图说明

图 1 为本发明系统结构框图。

图 2 为本发明电源稳压电路原理图。

图 3 为本发明电机驱动电路原理图。

图 4 为本发明导航模块结构框图。

图 5 为本发明避障模块结构框图。

图 6 为本发明信息采集模块结构框图。

在图中，1、处理器模块1，2、电机驱动模块，3、直流电机，4、避障模块，5、信息采集模块,6、导航模块,7、无线模块1，8、处理器模块2，9、无线模块2，10、上位机，11、电源稳压模块。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图对本发明的实施方式作进一步阐明。

下面结合附图对本发明的结构、工作原理及工作过程进行详细说明：

自动导航智能避障小车整体框图如图 1 所示，其包括：电源稳压模块（11）、电机驱动模块（2）、四个直流电机（3）、避障模块（4）、信息采集模块（5）、导航模块（6）、无线模块1（7）、无线模块2（9）、处理器模块1（1）、处理器模块2（8）、上位机（10）、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：处理器模块1（1）连接电机驱动模块（2）后与直流电机（3）相连接；处理器模块1（1）连接避障模块（4）、信息采集模块（5）、导航模块（6）及无线模块1（7）；处理器模块2（8）连接无线模块2（9）与上位机（10）；小车采用坦克履带式底盘。处理器模块1（1）控制避障模块（4）扫描自动导航智能小车前方的障碍物，定位器采集模块每间隔5秒采集系统的当前坐标与前进方向信息并送给处理器模块1（1），处理器模块1（1）的数据处理后通过无线模块1（7）将该信息发送给无线模块2（9），无线模块2（9）接收到信息后通过处理器模块2（8）数据处理后发送给上位机（10）。同时上位机（10）也可将目的坐标信息传送给处理器模块2（8），数据处理后的信息经无线模块传送给处理器模块1（1），再利用导航模块导航，信息采集模块（5）固定在自动导航智能小车上，采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内；小车底盘采用坦克履带式智能小车底盘。其中处理器模块1（1）和处理器模块2（8）均采用STM32F103。 系统工作稳定、抗干扰能力强。

如图2所示，所述电源稳压模块11包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1。具体连线方法：VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联。LED为电源指示灯，该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源，给导航模块、无线模块、处理器模块1提供3.3V电压，给避障模块、信息采集模块、电机驱动模块的提供5V电压。

如图3所示，所述的电机驱动模块2包括两个图3所示驱动电路，每个驱动电路驱动两个直流电机，图3所示电机驱动模块包括： L298N（U5）、四个光耦合器、四个LED、八个二级管、四个电容，八个电阻。具体连接方法：L298N的4号引脚接VDD，VDD接锂电池正极，再分别与瓷片电容C2，电解电容C4连接后接地；9号引脚接VCC，并与电解电容C3、瓷片电容C1连接后接地；2号、3号、13号、14号分别与D1、D2、D3、D4相连后接VCC，与D5、D6、D7、D8相连接；VCC接+5V电压；2号、3号引脚和13号、14号引脚分别和两个直流电机相连；1号、8号和15号引脚接地；6号和11号引脚接处理器模块1,；5号、7号、10号、12号分别与光耦合器U1、U2、U3、U4接收端相连，光耦合器经过LED后与处理器模块1连接，通过LED，可以直接观察处理器模块1发给L298N的电平信号；U1、U2、U3、U4分别与R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相连后接VCC。该模块采用光耦合器后，系统工作稳定，抗干扰能力强；在VDD与地间增加C2、C4的并联电容后，消除了尖峰电压对直流电机的影响。

如图4所示，所述的导航模块6包括U-BLOX NEO-6M 模块(GPS模块)与电子罗盘HMC5883L。U-BLOX NEO-6M和HMC5883分别与处理器模块1连接。GPS模块自带高性能无源陶瓷天线，并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存）。 霍尼韦尔 HMC5883L 是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。当小车启动，小车可以自己调整方向，使车头朝北，在行驶过程中，可以保证车头前进的方向。

如图5所示，所述的避障模块4包括E18-D80NK 红外避障传感器与 P0050 舵机。E18-D80NK与 P0050分别与处理器模块1连接。当遇到障碍物时，红外避障传感器接收到低电平，调用舵机扫描前面的障碍物，可以快速的找到无障碍通道。

如图6所示，所述的信息采集模块5包括航拍摄像模块与内存卡。将摄像头固定在智能避障自动导航小车上， 航拍摄像模块与处理器模块1连接，由处理器模块1控制航拍摄像模块拍摄的启动和停止。由于摄像信息不发送给上位机，而是储存在其内存卡上，因而小车可实现远程或者在通讯环境较差的地面进行探测。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述小车底盘是采用坦克履带式智能小车底盘。负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。

所述的自动导航智能小车，其特征是：所述的上位机10软件采用visual basic软件实现数据的接收、显示与发送。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述的无线模块1、无线模块2均使用NRF24L01芯片，分别与处理器模块1、处理器模块2相连接。通过处理器模块控制该模块接收与发射。NRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4~2.5 GHz 的ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01芯片的能耗非常低，以-5 dBm 的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时的工作电流只有18 mA，它具有多种低功率工作模式，节能环保。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述处理器模块采用的芯片是 STM32F103。

本智能小车的具体操作步骤： 打开小车电源后，操作者只需在上位机上输入目标点的经纬度，按下“出发”键，则小车开始启动自动导航，利用电子罗盘和GPS模块，判断前进的方向，通过目的地经纬度与小车所在地的经纬度对比，从而引导小车行驶，当红外无线传感器接收到信号，则小车遇到障碍，调用避障程序，舵机开始带动红外传感器扫描，快速的找到无障碍通道，通过障碍后，小车再调整到遇到障碍物前的前进方向，再利用导航模块导航，小车运行的过程中我们可以通过切换上位机的窗口，直观了解小车当前的经纬度、运动轨迹等信息。

Claims (8)

1.自动导航避障智能小车控制系统，它包括电源稳压模块、电机驱动模块、四个直流电机、避障模块、信息采集模块、导航模块、无线模块1、无线模块2、处理器模块1、处理器模块2、上位机、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：处理器模块1连接电机驱动模块后与直流电机相连接；处理器模块1连接避障模块、信息采集模块、导航模块和无线模块1；处理器模块2连接无线模块2与上位机；电源稳压模块分别为电机驱动模块、避障模块、信息采集模块、导航模块、无线模块1、处理器模块1提供电压；无线模块1可向无线模块2发送信号或接受无线模块2发来的信号；小车采用坦克履带式智能小车底盘。

2.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述电源稳压模块包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1，VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联，LED为电源指示灯，该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源。

3.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的电机驱动模块包括两个驱动电路，每个驱动电路驱动两个直流电机，每个驱动电路包括：L298N（U5）、四个光耦合器、四个LED、八个二级管、四个电容，八个电阻，L298N的4号引脚接VDD，VDD接锂电池正极，再分别与瓷片电容C2，电解电容C4连接后接地；9号引脚接VCC，并与电解电容C3、瓷片电容C1连接后接地；2号、3号、13号、14号分别与D1、D2、D3、D4相连后接VCC，与D5、D6、D7、D8相连接；VCC接+5V电压；2号、3号引脚和13号、14号引脚分别和两个直流电机相连；1号、8号和15号引脚接地；6号和11号引脚接处理器模块1；5号、7号、10号、12号分别与光耦合器U1、U2、U3、U4接收端相连，光耦合器经过LED后与处理器模块1连接；U1、U2、U3、U4分别与R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相连后接VCC。

4.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的避障模块包括E18-D80NK 红外避障传感器与 P0050 舵机，E18-D80NK与 P0050分别与处理器模块1连接。

5.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的信息采集模块包括航拍摄像模块与内存卡，将摄像头固定在自动导航智能避障小车上，航拍摄像模块与处理器模块1连接。

6.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的导航模块包括U-BLOX NEO-6M 模块与电子罗盘HMC5883L，U-BLOX NEO-6M和HMC5883分别与处理器模块1连接。

7.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的无线模块1和无线模块2均采用NRF24L01芯片，分别与处理器模块1、处理器模块2相连接。

8.根据权利要求 1 所述的自动导航避障智能小车控制系统，其特征是：所述的上位机软件采用visual basic软件实现数据的接收、显示与发送。