CN107943035A

CN107943035A - 导航行驶装置

Info

Publication number: CN107943035A
Application number: CN201711179192.7A
Authority: CN
Inventors: 阚庆云; 颜宋宋; 夏凡
Original assignee: Anhui Normal University
Current assignee: Anhui Normal University
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明涉及自动化导航领域，公开导航行驶装置，该导航行驶装置包括：导航小车、行驶轨道、电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块；其中，所述电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块设置于所述导航小车上，且所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块连接于所述控制器模块，所述传感器模块与所述行驶轨道相配合，感应所述行驶轨道的位置信息，所述述控制器模块接收所述位置信息，并以所述位置信息控制所述电机驱动模块和舵机控制模块启动，以带动所述导航小车沿所述行驶轨道的路线行动。该导航行驶装置克服了现有技术中的处理效率低，智能方法算法复杂的问题，实现了高效实现与普及。

Description

导航行驶装置

技术领域

本发明涉及自动化导航领域，具体地，涉及导航行驶装置。

背景技术

随着科技的不断进步，我国自动化技术发展越来越好，这对提高人们的生活质量有着较大帮助。应用自动化技术，可以生产出具有更多功能的机器与设备，比如，自动导航小车就是一种新型的机器，其具有自动定位与行驶的特点，可以利用计算机技术，对小车的行驶路径进行规划与控制。自动导航小车的设计与制作涉及多个领域，在科技不断发展的背景下，我国自动化控制水平越来越高，这也促进了自动导航小车的发展。

自动导航小车路径规划的方法主要有两类，其一是传统方法，其二是智能方法。第一类传统路径规划方法中，常用的有自由空间法、图搜索法、人工势场法等；第二类智能路径规划方法中，常用的是基于遗传算法的路径规划、基于人工势场的路径规划等等。传统方法中，由于采取信息有限，处理效率偏低等缺陷，正在被市场所淘汰。智能方法中，由于成本过高与算法复杂也无法大规模普及开来。

发明内容

本发明的目的是提供一种导航行驶装置，该导航行驶装置克服了现有技术中的处理效率低，智能方法算法复杂的问题，实现了高效实现与普及。

为了实现上述目的，本发明提供一种导航行驶装置，该导航行驶装置包括：导航小车、行驶轨道、电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块；其中，所述电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块设置于所述导航小车上，且所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块连接于所述控制器模块，所述传感器模块与所述行驶轨道相配合，感应所述行驶轨道的位置信息，所述述控制器模块接收所述位置信息，并以所述位置信息控制所述电机驱动模块和舵机控制模块启动，以带动所述导航小车沿所述行驶轨道的路线行动。

优选地，所述舵机控制模块连接于所述导航小车的前轮，以带动所述导航小车的前轮的左右转向；所述电机驱动模块连接于所述导航小车的后轮，以带动上所述导航小车的后轮的加减速转动。

优选地，所述行驶轨道为铝膜；所述传感器模块为金属检测电路。

优选地，所述控制器模块的型号为MKL26。

优选地，该导航行驶装置还包括：电源模块，所述电源模块连接于所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块，以提供工作电压。

优选地，该导航行驶装置还包括：速度检测模块，所述速度检测模块连接于所述导航小车的后轮，以感应所述导航小车的后轮的转速。

优选地，所述电源模块包括：型号为TPS76850的芯片和型号为TPS76833的芯片；其中，所述型号为TPS76850的芯片提供5V电压，并连接于所述传感器模块；所述型号为TPS76833的芯片提供3.3V电压，并连接于所述控制器模块。

优选地，该导航行驶装置包括：人机交互模块和无线通信模块；其中，所述人机交互模块通过无线通信模块连接于所述控制器模块，以控制所述控制器模块的运动。

通过上述技术方案，系统电路的设计目标是可靠、高效、简洁，在整个系统设计过程中严格按照规范进行。可靠性是系统设计的第一要求，本团队对电路的所有环节都进行了电磁兼容性设计，做好各部分的接地、屏蔽、滤波等工作，将高速数字电路与模拟电路分开，使本系统工作的可靠性达到了设计要求，高效是指本系统的性能要足够强劲，在此前提下还要优化电路结构，尽量做到简洁。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的一种航行驶装置的系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种导航行驶装置，该导航行驶装置包括：导航小车、行驶轨道、电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块；其中，所述电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块设置于所述导航小车上，且所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块连接于所述控制器模块，所述传感器模块与所述行驶轨道相配合，感应所述行驶轨道的位置信息，所述述控制器模块接收所述位置信息，并以所述位置信息控制所述电机驱动模块和舵机控制模块启动，以带动所述导航小车沿所述行驶轨道的路线行动。

使用金属传感器获取轨道信息，通过PID控制策略和PWM控制技术对智能导航车的速度和转向进行控制，使智能导航车能够自主识别铝膜，并根据铝膜实现快速稳定的寻线行驶。整个智能导航车系统包括机械结构设计、硬件和软件设计，机械结构设计包括车模的简化、电轨传感器的安装、PCB主板的固定、测速编码器的安装等；车体硬件系统设计包括电磁传感器的设计、PCB主板的设计等；软件系统设计包括中断调用处理、PID控制算法处理、软件滤波处理、各个基本模块的分析及其初始化，经过一系列的信号处理，通过舵机打角、机械差速并结合编码器速度反馈控制赛车行进方向和速度，采用干簧管对起跑线进行检测，实现停车控制。

赛车的位置信号由车体前方的电轨传感器采集，经内部脉冲计数和DMA采集后，输入到控制核心，用于赛车的运动控制决策。通过编码器测速模块来检测车速，并采用KL26的输入捕捉功能进行脉冲计数，计算速度和路程；电机转速控制采用PID控制，通过PWM控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制，此外还增加了键盘作为输入输出设备，用于智能车的速度控制，液晶屏时刻显示车的状态以实现车模稳定高速的运行。

在本发明的一种具体实施方式中，系统包含七大模块：MKL26最小系统模块、电源模块、电机驱动模块、速度检测模块、舵机控制模块、传感器模块、调试模块。

在本发明的一种具体实施方式中，为了实现导航小车的前轮的转动，并实现导航小车的后轮的驱动，所述舵机控制模块连接于所述导航小车的前轮，以带动所述导航小车的前轮的左右转向；所述电机驱动模块连接于所述导航小车的后轮，以带动上所述导航小车的后轮的加减速转动。

在该种实施方式中，所述行驶轨道为铝膜；所述传感器模块为金属检测电路。

智能导航车传感器利用金属在交变磁场感应涡流的特性来检测铝膜金属，这种检测方式应用比较广泛，从安检过程所使用的手持金属探测仪到工业应用涡流距离传感器，都是应用类似的原理。

当通有交变电流(频率小于一定数值)线圈靠近金属物体的时候，线圈周围的交变磁场会在金属物体中感应出涡流。涡流所产生的二次磁场叠加在原来磁场中则会改变原有线圈中的感应电动势，进而可以等效改变原线圈的电抗。

线圈的电抗改变的大小与线圈的形状、振荡频率、线圈与金属的相对位置以及金属的电导率、磁导率有关系。如果在线圈形状、振荡频率以及金属种类都确定的情况下，线圈电抗的变化则能够反映线圈与金属之间的相对位置。

检测线圈电抗改变的简单方法是采用谐振电路。将线圈放在正弦波振荡电路的谐振回路中，当线圈的电抗改变，则谐振电路的频率会随之改变。通过震荡信号的频率变化反映出线圈的电抗的变化，进而可以检测线圈与金属之间的相对位置。

利用感应涡流的原理，检测线圈电感量的变化，从而获得线圈与铝膜之间的相对位置。实现的电路方式有很多种。下面给出一种基于电容三点振荡电路形式的检测方式。电路本身既是检测驱动信号源，同时又是信号检测电路，所以比较简单。

上面电路包括两部分。第一部分是以PNP三极管T1为核心的振荡电路；第二部分是利用LM311比较器获得频率脉冲信号。该脉冲信号送入单片机的定时器进行频率测量。

电路中L0既为检测线圈。它与C1，C2构成振荡电路的谐振回路。通过简化，上面振荡电路的形式可以化成电容三点式标准形式。

在该种实施方式中，所述控制器模块的型号为MKL26。

在本发明中，MKL26Z256VLL4微控制单元作为Kinetis系列的32位单片机，由标准片上外围设备组成，Cortex-M0+内核，256KB的Flash存储器、32KB的RAM、两个异步串行通信接口、两个串行外围接口，DMA模块，TPM、LPTM定时器模块，一组6通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组8通道10路模数转换器、6通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口、5个增强型CAN总线接口。同时，单片机内的锁相环电路可使能耗和性能适应具体操作的需要。

在本发明的一种具体实施方式中，该导航行驶装置还可以包括：电源模块，所述电源模块连接于所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块，以提供工作电压。

电机模块的驱动能力直接影响着小车的整体速度，所以必须找出一套可靠的方案。否则将影响车子的加减速性能，从而限制着车子的整体速度。最终采用IR2104+4NMOSFET管，其额定工作电流较易达到100A以上，并且带死区保护，大大提高了电动机的工作转矩和转速。

在本发明的一种具体实施方式中，该导航行驶装置还可以包括：速度检测模块，所述速度检测模块连接于所述导航小车的后轮，以感应所述导航小车的后轮的转速。

在本发明的一种具体实施方式中，所述电源模块可以包括：型号为TPS76850的芯片和型号为TPS76833的芯片；其中，所述型号为TPS76850的芯片提供5V电压，并连接于所述传感器模块；所述型号为TPS76833的芯片提供3.3V电压，并连接于所述控制器模块。

电源模块采用7.2V2000mAh Ni-cd电池供电。系统中3.3V电路功耗较小，考虑到姿态传感器对于电源低纹波的要求，我们决定使用线性稳压芯片。此外，当直流电机在高速运行时的，电池作为一个恒功率源输出电流增大，势必带来输出电压减小。因此，为了提高系统工作的稳定性，我们选择了TPS76850和TPS76833对各个模块进行供电。

TPS76850芯片提供5V电压给人机交互模块(包括OLED显示屏，按键开关等)和高速AD采集模块以及蓝牙串口无线通信模块正常工作电源。

TPS76833芯片提供3.3V电压提供KL26单片机核心板正常工作电压。

在本发明的一种具体实施方式中，该导航行驶装置可以包括：人机交互模块和无线通信模块；其中，所述人机交互模块通过无线通信模块连接于所述控制器模块，以控制所述控制器模块的运动。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims

1.一种导航行驶装置，其特征在于，该导航行驶装置包括：导航小车、行驶轨道、电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块；其中，所述电机驱动模块、传感器模块、舵机控制模块和控制器模块设置于所述导航小车上，且所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块连接于所述控制器模块，所述传感器模块与所述行驶轨道相配合，感应所述行驶轨道的位置信息，所述述控制器模块接收所述位置信息，并以所述位置信息控制所述电机驱动模块和舵机控制模块启动，以带动所述导航小车沿所述行驶轨道的路线行动。

2.根据权利要求1所述的导航行驶装置，其特征在于，所述舵机控制模块连接于所述导航小车的前轮，以带动所述导航小车的前轮的左右转向；所述电机驱动模块连接于所述导航小车的后轮，以带动上所述导航小车的后轮的加减速转动。

3.根据权利要求1所述的导航行驶装置，其特征在于，所述行驶轨道为铝膜；所述传感器模块为金属检测电路。

4.根据权利要求1所述的导航行驶装置，其特征在于，所述控制器模块的型号为MKL26。

5.根据权利要求1所述的导航行驶装置，其特征在于，该导航行驶装置还包括：电源模块，所述电源模块连接于所述电机驱动模块、传感器模块和舵机控制模块，以提供工作电压。

6.根据权利要求1所述的导航行驶装置，其特征在于，该导航行驶装置还包括：速度检测模块，所述速度检测模块连接于所述导航小车的后轮，以感应所述导航小车的后轮的转速。

7.根据权利要求5所述的导航行驶装置，其特征在于，所述电源模块包括：型号为TPS76850的芯片和型号为TPS76833的芯片；其中，所述型号为TPS76850的芯片提供5V电压，并连接于所述传感器模块；所述型号为TPS76833的芯片提供3.3V电压，并连接于所述控制器模块。

8.根据权利要求7所述的导航行驶装置，其特征在于，该导航行驶装置包括：人机交互模块和无线通信模块；其中，所述人机交互模块通过无线通信模块连接于所述控制器模块，以控制所述控制器模块的运动。