CN107335227B - 基于激光雷达的避障转向装置、工作方法和无碳小车 - Google Patents

Abstract

本发明属于转向装置领域，具体涉及一种基于激光雷达的避障转向装置、工作方法和无碳小车，其中避障转向装置包括：控制单元、位于车身的转向机构；其中所述控制单元适于检测障碍物并驱动转向机构使小车实现自动避障行走；本发明的基于激光雷达的避障转向装置具有结构简单紧凑、加工容易、质量轻、成本低、智能避障和直线自我校正等优点。

Description

基于激光雷达的避障转向装置、工作方法和无碳小车

技术领域

本发明涉及一种转向装置，具体涉及一种基于激光雷达的避障转向装置、工作方法和无碳小车。

背景技术

设计并制作无碳小车已逐渐成为地区性乃至国家级的机械设计比赛。给定一重力势能为4焦耳(高度落差为400士2mm),质量为1kg,尺寸Φ50×65的重块,根据能量转换原理,设计一种重力势能驱动的具有方向控制功能的自行小车；小车为三轮结构,具有转向控制机构,且该转向控制机构具有可调节功能或者可快速更换结构以适应设有不同间距障碍物的竞赛场地，驱动小车行走及转向的能量只能由给定的重力势能转换而来,不可使用其他的能量来源。给定重力势能为重物下降来获得,重物落下后须被小车承载并同小车一起运动,不允许从小车上掉落。

现有的无碳小车的转向机构大部分都采用凸轮、齿轮、曲柄摇杆、不完全齿轮作为小车驱动的转向机构，这些机构存在以下缺点:一是机零件加工要求精度高，成本高,加工困难，此外零件受加工精度影响大；二是零件安装精度有要求，且容易受温度影响，安装不便；三是零件尺寸大，质量重，使得整车尺寸变大；四是存在多处摩擦副，且传动链长，行驶阻力大，导致能量损失严重，控制精度下降，致使小车转向不灵敏。传统的机械转向能量来自重物的势能，机械转向机构使得整车笨重，摩擦副的增加使得行进阻力大大增加，来驱动小车行驶的能量变得很少，直接限制小车运行最远距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种避障转向装置、工作方法和无碳小车，以使小车在行走过程中自动避障。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种避障转向装置，包括：

控制单元、位于车身的转向机构；其中

所述控制单元适于检测障碍物并驱动转向机构使小车实现自动避障行走。

进一步，所述转向机构包括：转向前轮和设于车身底板前部的转向基座，以及位于转向基座一侧的舵机；

所述转向基座沿竖直方向设一通孔；

一前叉的上部穿过所述通孔并通过齿轮副与舵机的输出轴相连，所述前叉的下部设有转向前轮；

当检测到障碍物时，所述控制单元控制舵机带动前叉转动，以使转向前轮转向，以使小车实现自动避障行走。

进一步，所述前叉的上部为前叉轴，以及位于前叉的下部为两前叉腿，两前叉腿上分别开有前轮轴孔；

所述转向前轮处于两前叉腿之间；即

位于所述转向前轮两侧的法兰轴承适于分别装配在相应前轮轴孔内；以及

所述控制单元中的光电编码器的转轴适于连接前轮轴孔和法兰轴承，以检测转向前轮的滚动距离。

进一步，所述齿轮副包括：安装于舵机输出轴端的舵机齿轮，以及安装于前叉轴的前叉齿轮；

所述舵机齿轮与前叉齿轮啮合，且

当舵机输出轴转动时，所述舵机齿轮跟随转动，并带动前叉齿轮转动，进而带动前叉转动，以使转向前轮转动相应角度，避开障碍物行走。

进一步，所述控制单元包括：

处理器模块、与所述处理器模块相应的输入端分别相连的陀螺仪和激光雷达，以及与处理器模块输出端相连的舵机驱动模块；

所述陀螺仪适于检测车身的绝对角度；

所述激光雷达位于车身中部且适于检测小车周身的障碍物信息；

所述障碍物信息包括：车身前端与障碍物的障碍距离，以及左、右车身分别与左、右道路边缘之间的左、右边距；

当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮1向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；以及

当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯。

进一步，当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和车身的绝对角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

又一方面，本发明还提供了一种避障转向装置的工作方法。

所述避障转向装置包括：控制单元、位于车身的转向机构；

所述工作方法包括：通过控制单元检测障碍物并驱动转向机构以使小车自动避障行走。

进一步，所述转向机构包括：转向前轮和设于底板前部的转向基座，以及侧挂于转向基座的舵机；

所述控制单元包括：处理器模块、与处理器模块相应的输入端分别相连的陀螺仪和激光雷达、与处理器模块输出端相连的舵机驱动模块，以及安装在转向前轮上的编码器；

所述陀螺仪适于检测车身的绝对角度；

所述激光雷达位于车身中部且适于检测小车周身的障碍物信息；

所述障碍物信息包括：车身前端与障碍物的障碍距离，以及左、右车身分别与左、右道路边缘之间的左、右边距；

所述编码器适于记录转向前轮的滚动距离；

当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮1向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；

当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯；以及

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块适于发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

进一步，当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块适于发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正的方法包括：

通过直线修正方法对车身进行修正，即

所述处理器模块适于在小车避障之后，根据陀螺仪记录避障前的车身的绝对角度，并通过PID控制舵机使车身调正到避障前的绝对角度；在调整绝对角度后，激光雷达第一次记录车身到道路任一侧边的垂直距离，同时编码器开始检测滚动距离，当小车继续进行固定距离后，激光雷达第二次记录车身到同一侧边的垂直距离，通过三角函数计算出偏移角度，判断车身是否与道路平行；若不平行，则通过偏移角度修正车身直线行驶的默认绝对角度，然后再通过PID控制舵机；以及在小车完成掉头动作后，在陀螺仪重新确定小车的绝对角度后，再次通过上述直线修正方法对车身进行校正。

第三方面，本发明还提供了一种无碳小车。

所述无碳小车安装有所述的避障转向装置。

与现有技术相比，本发明优点在于：

1.本发明的基于激光雷达的自控行走避障前轮转向装置，通过设置激光雷达、陀螺仪、编码器、单片机以及舵机，陀螺仪可记录车身姿态，激光雷达识别速度快、精度高、范围广、稳定可靠，可适应各种困难以及不同间距的避障；

2.本发明的基于激光雷达的自控行走避障前轮转向装置,舵机侧挂固定在转向基座上，并且通过齿轮传动，空间结构合理；同时转向基座通过螺栓固定在车架底板，保证了转向装置的稳定可靠性能；

3.本发明的基于激光雷达的自控行走避障前轮转向装置,从舵机输出到转向前轮转动，其传动精度高、响应快，能够实现任意角度的转向以及校正，并且能快速准确的将转向动作传递给前轮，实现快速转向；

4.本发明的基于激光雷达的自控行走避障前轮转向装置,转向前轮采用固定轴连接，没有移动副，可大大降低摩擦能耗，提高能量利用效率；同时，转向前轮的轴为编码器的轴，测速方便。

5.本发明的基于激光雷达的自控行走避障前轮转向装置,各部件的加工精度要求不高，零件少，传动链短，转向基座齿轮等可用非金属材料，能批量生产。具有结构简单紧凑、加工容易、质量轻、成本低、智能避障和直线自我校正等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是基于激光雷达的避障转向装置的结构图；

图2是基于激光雷达的避障转向装置的转向机构的结构图；

图3是基于激光雷达的避障转向装置的原理框图；

图中：1为转向前轮，11为光电编码器的转轴，111为法兰轴承，2为转向基座，21为通孔，3为舵机，31为舵机输出轴，311为舵机齿轮，4为前叉，41为前叉轴，411为前叉齿轮，412为前叉轴承，42为前叉腿，421为前轮轴孔，5为编码器，6为车身底板，7为处理器模块，8为激光雷达。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

图1是基于激光雷达的避障转向装置的结构图；

如图1所示，本实施例1提供了一种避障转向装置，其适用于无碳小车，具体的结构包括：控制单元、位于车身的转向机构；其中所述控制单元适于检测障碍物并驱动转向机构使小车实现自动避障行走。

图2是基于激光雷达的避障转向装置的转向机构的结构图；

如图1和图2所示，所述转向机构包括：转向前轮1和设于车身底板6前部的转向基座2，以及位于转向基座2一侧的舵机3；所述转向基座2沿竖直方向设一通孔21；一前叉4的上部穿过所述通孔21并通过齿轮副与舵机3的输出轴相连，所述前叉4的下部设有转向前轮1；当检测到障碍物时，所述控制单元控制舵机带动前叉转动，以使转向前轮转向，以使小车实现自动避障行走。

进一步，所述前叉的上部为前叉轴41，以及位于前叉的下部为两前叉腿42，两前叉腿42上分别开有前轮轴孔421；所述转向前轮1处于两前叉腿之间；即位于所述转向前轮1两侧的轴承111适于分别装配在相应前轮轴孔421内；以及所述控制单元中的光电编码器的转轴11适于连接前轮轴孔421和轴承，以检测转向前轮的滚动距离，进而保证小车在行进过程中转向传动机构的稳定性和转向前轮进行方向的准确性；并且在本实施例中，转向前轮通过两侧的轴承装设于前叉内，转向前轮1采用此种固定轴连接方式，没有移动副，可大大降低摩擦能耗，提高能量利用效率。

所述齿轮副包括：安装于舵机输出轴31端的舵机齿轮311，以及安装于前叉轴41的前叉齿轮411；所述舵机齿轮311与前叉齿轮411啮合，且当舵机输出轴31转动时，所述舵机齿轮311跟随转动，并带动前叉齿轮411转动，进而带动前叉4转动，以使转向前轮1转动相应角度，避开障碍物行走。

所述控制单元包括：处理器模块7、与所述处理器模块7相应的输入端分别相连的陀螺仪和激光雷达8，以及与处理器模块输出端相连的舵机驱动模块；所述陀螺仪适于检测车身的绝对角度；所述激光雷达8位于车身中部且适于检测小车周身的障碍物信息，即360°检测；所述障碍物信息包括：车身前端与障碍物的障碍距离，以及左、右车身分别与左、右道路边缘之间的左、右边距；当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮1向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；以及当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯。

所述处理器模块7例如但不限于采用单片机STM32F103ZET6，所述陀螺仪设于控制板上，所述激光雷达8可以设置于车身中部；具体的，激光雷达8对对应的雷达信号处理芯片以spi协议连接到处理器模块7对应的引脚上，陀螺仪通过串口通讯方式与处理器模块7相连，以及光电编码器的信号线连接到处理器模块7的相应引脚上。

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和车身的绝对角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

本实施例通过设置激光雷达、陀螺仪、编码器、单片机以及舵机，转向信号从舵机输出到动作，其传动精度高、响应快，能够实现任意角度的转向以及校正，并且能快速准确的将转向动作传递给前轮，实现快速转向；具有结构简单紧凑、加工容易、质量轻、成本低、智能避障和直线自我校正等优点。

所述激光雷达通过道路两侧的台阶可以作为边缘进行测距，定位，在其他实施例中，所述道路可以为小车行进用赛道，两侧设有挡板，以便于激光雷达进行测距、定位

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种避障转向装置的工作方法。

其中，所述避障转向装置包括：控制单元、位于车身的转向机构；且具体结构及其工作原理见实施例1的相关描述，此处不再赘述。

所述工作方法包括：通过控制单元检测障碍物并驱动转向机构以使小车自动避障行走。

所述自动避障行走方式包括：转向、掉头和直线校正。

在实施例中，转向和掉头过程相似，具体通过处理器模块7对陀螺仪和激光雷达8以及光电编码器的信号进行采集、分析进而实现对转向机构进行控制。

当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮1向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯；以及当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块适于发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

在本实施例中，直线校正的具体做法包括：

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块可以发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正的方法包括：通过直线修正方法对车身进行修正，即所述处理器模块适于在小车避障之后，根据陀螺仪记录避障前的车身的绝对角度，并通过PID控制(比例、积分、微分控制)舵机使车身调正到避障前的绝对角度；在调整绝对角度后，激光雷达第一次记录车身到道路任一侧边的垂直距离，同时编码器开始检测滚动距离，当小车继续进行固定距离后，激光雷达第二次记录车身到同一侧边的垂直距离，通过三角函数计算出偏移角度，判断车身是否与道路平行；若不平行，则通过偏移角度修正车身直线行驶的默认绝对角度，然后再通过PID控制舵机；以及在小车完成掉头动作后，在陀螺仪重新确定小车的绝对角度后，再次通过上述直线修正方法对车身进行校正。

具体的，若在小车完成掉头动作后，将陀螺仪将小车的绝对角度值在原角度基础上加或减180°后，再次通过上述直线修正方法对车身进行校正。

实施例3

在实施例1基础上，本实施例3还提供了一种无碳小车，安装有如实施例1所述的避障转向装置。

具体的，所述避障转向装置的具体结构及其工作原理如实施例1所述，所述避障转向装置执行小车的自动避障行走方式包括：转向、掉头和直线校正指令。

上述转向、掉头和直线校正指令的具体过程如实施例2所述，此处不再赘述。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种避障转向装置，其特征在于，包括：

控制单元、位于车身的转向机构；其中

所述控制单元适于检测障碍物并驱动转向机构使小车实现自动避障行走；

所述转向机构包括：转向前轮和设于车身底板前部的转向基座，以及位于转向基座一侧的舵机；

所述转向基座沿竖直方向设一通孔；

一前叉的上部穿过所述通孔并通过齿轮副与舵机的输出轴相连，所述前叉的下部设有转向前轮；

当检测到障碍物时，所述控制单元控制舵机带动前叉转动，以使转向前轮转向，以使小车实现自动避障行走；

所述前叉的上部为前叉轴，以及位于前叉的下部为两前叉腿，两前叉腿上分别开有前轮轴孔；

所述转向前轮处于两前叉腿之间；即

位于所述转向前轮两侧的轴承适于分别装配在相应前轮轴孔内；以及

所述控制单元中的光电编码器的转轴适于连接前轮轴孔和轴承，以检测转向前轮的滚动距离；

所述控制单元包括：

处理器模块、与所述处理器模块相应的输入端分别相连的陀螺仪和激光雷达，以及与处理器模块输出端相连的舵机驱动模块；

所述陀螺仪适于检测车身的绝对角度；

所述激光雷达位于车身中部且适于检测小车周身的障碍物信息，即360°检测小车周身的障碍物信息；

所述障碍物信息包括：车身前端与障碍物的障碍距离，以及左、右车身分别与左、右道路边缘之间的左、右边距；

当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；以及

当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯。

2.根据权利要求1所述的避障转向装置，其特征在于，

所述齿轮副包括：安装于舵机输出轴端的舵机齿轮，以及安装于前叉轴的前叉齿轮；

所述舵机齿轮与前叉齿轮啮合，且

当舵机输出轴转动时，所述舵机齿轮跟随转动，并带动前叉齿轮转动，进而带动前叉转动，以使转向前轮转动相应角度，避开障碍物行走。

3.根据权利要求2所述的避障转向装置，其特征在于，

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和车身的绝对角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

4.一种避障转向装置的工作方法，其特征在于，

所述避障转向装置包括：控制单元、位于车身的转向机构；

所述工作方法包括：通过控制单元检测障碍物并驱动转向机构以使小车自动避障行走；

所述转向机构包括：转向前轮和设于底板前部的转向基座，以及侧挂于转向基座的舵机；

所述转向基座沿竖直方向设一通孔；

一前叉的上部穿过所述通孔并通过齿轮副与舵机的输出轴相连，所述前叉的下部设有转向前轮；

所述控制单元包括：处理器模块、与处理器模块相应的输入端分别相连的陀螺仪和激光雷达、与处理器模块输出端相连的舵机驱动模块，以及安装在转向前轮上的编码器；

所述陀螺仪适于检测车身的绝对角度；

所述激光雷达位于车身中部且适于检测小车周身的障碍物信息，即360°检测小车周身的障碍物信息；

所述障碍物信息包括：车身前端与障碍物的障碍距离，以及左、右车身分别与左、右道路边缘之间的左、右边距；

所述编码器适于记录转向前轮的滚动距离；

当车身的正前方出现障碍，激光雷达检测障碍距离，若该障碍距离小于处理器模块设定距离，所述处理器模块根据左、右边距判断车身处于道路的位置；若车身偏于道路一侧，则所述处理器模块控制舵机驱动模块启动舵机带动转向前轮向该道路另一侧偏转，以避过障碍物；

当小车行进至道路弯道时，车身的左边距和/或右边距瞬间增大且超过道路宽度，所述处理器模块控制舵机转动使车身掉头或转弯；以及

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块适于发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，

当车身的正前方障碍消失后，所述处理器模块适于发出直线行走信号，并根据转向前轮的滚动距离和绝对转动角度，控制舵机对小车行进路线进行直线修正的方法包括：

通过直线修正方法对车身进行修正，即

所述处理器模块适于在小车避障之后，根据陀螺仪记录避障前的车身的绝对角度，并通过PID控制舵机使车身调正到避障前的绝对角度；在调整绝对角度后，激光雷达第一次记录车身到道路任一侧边的垂直距离，同时编码器开始检测滚动距离，当小车继续进行固定距离后，激光雷达第二次记录车身到同一侧边的垂直距离，通过三角函数计算出偏移角度，判断车身是否与道路平行；若不平行，则通过偏移角度修正车身直线行驶的默认绝对角度，然后再通过PID控制舵机；以及

在小车完成掉头动作后，在陀螺仪重新确定小车的绝对角度后，再次通过上述直线修正方法对车身进行校正。

6.一种无碳小车，其特征在于，安装有如权利要求1-3任一项所述的避障转向装置。

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