CN109131019A - 模式动物自动化运载装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种模式动物自动化运载装置，包括：超声波传感器、激光雷达、顶升机构、防撞条及驱动轮；超声波传感器，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于检测障碍物信息；激光雷达，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于检测周围环境及距离；顶升机构，安装在模式动物自动化运载装置的顶部，用于升降模式动物；防撞条，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于防撞；驱动轮，安装在模式动物自动化运载装置的中部，受直流无刷伺服电机控制，用于驱动模式动物自动化运载装置。本发明实施例还提供了一种模式动物自动化运载方法，由上述装置实现。本发明可以实现实验过程中模式动物全程无人化及自动化的运输需求。

Description

模式动物自动化运载装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种模式动物自 动化运载装置及方法。

背景技术

为了保证这些动物实验更科学、准确和重复性好,可以用各种方法 把一些需要研究的生理或病理活动相对稳定地显现在标准化的实验动 物身上,供实验研究之用。这些标准化的实验动物就称之为模式动物。 针对国家级重大科学基础设施项目中实现高度自动化、高通量化、智 能化实验的要求，在进行针对模式动物的实验研究时，也应当实现实 验过程中模式动物全程无人化、自动化的运输需求，该需求也成为业 内亟待解决的重要技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种模式动 物自动化运载装置及方法。

一方面，本发明实施例提供了一种模式动物自动化运载装置，包 括：超声波传感器、激光雷达、顶升机构、防撞条及驱动轮；

所述超声波传感器，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用 于检测障碍物信息，模式动物自动化运载装置根据所述障碍物信息进 行避障；所述激光雷达，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用 于检测周围环境及距离；所述顶升机构，安装在模式动物自动化运载 装置的顶部，用于升降模式动物；所述防撞条，安装在模式动物自动 化运载装置的前部，用于防撞；所述驱动轮，安装在模式动物自动化 运载装置的中部，受直流无刷伺服电机控制，用于驱动模式动物自动 化运载装置。

另一方面，本发明实施例提供了一种模式动物自动化运载方法， 包括：将所述模式动物放置在上述模式动物自动化运载装置的顶升机 构上，启动所述模式动物自动化运载装置，将所述模式动物自动运载 至目的地。

本发明实施例提供了一种模式动物自动化运载装置及方法，通过 在动物科学实验中引入模式动物自动化运载装置，可以实现实验过程 中模式动物全程无人化及自动化的运输需求，提高了实验流程的智能 化程度，降低了实验的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例中模式动物自动化运载装置结构示意图；

图2是本发明第二实施例中模式动物自动化运载装置的系统示意 图；

图3是本发明实施例中模式动物自动化运载装置的差动运动控制 示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

本发明实施例提供了一种模式动物自动化运载装置及方法。参见 图1，图1是本发明第一实施例中模式动物自动化运载装置结构示意 图，包括：

超声波传感器101、激光雷达102、顶升机构105、防撞条103及 驱动轮104；

所述超声波传感器101，安装在模式动物自动化运载装置的前部， 用于检测障碍物信息，模式动物自动化运载装置根据所述障碍物信息 进行避障；超声波传感器101检测附近的障碍物信息及紧急避障，除 此之外结合导航算法检测30cm左右的障碍物，圆锥形取数，15度角 度的锥面。

所述激光雷达102，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于 检测周围环境及距离；激光雷达102的检测面呈扇形分布，检测270° 的角度范围，检测周围环境及距离。

所述顶升机构105，安装在模式动物自动化运载装置的顶部，用于 升降模式动物；顶升机构105是剪刀差式机构，能够顶升1吨重物。

所述防撞条103，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于防 撞；防撞条103是第三重保护机制，其承受冲撞力达到1牛顿时所述 模式动物自动化运载装置停止运动。

所述驱动轮104，安装在模式动物自动化运载装置的中部，受直流 无刷伺服电机控制，用于驱动模式动物自动化运载装置。驱动轮104 起到整车驱动作用，采用直流无刷伺服电机，精度能够达到2mm。

在另一实施例中，所述模式动物自动化运载装置还包括万向轮， 万向轮在驱动轮的带动下辅助车体转向，并承担部分附重。

本发明第二实施例是对第一实施例中的模式动物自动化运载装置 的系统做出了描述，参见图2，图2是本发明第二实施例中模式动物自 动化运载装置的系统示意图，包括：

主控模块201、驱动模块202、辅助安全模块203、通讯模块204 及后台服务器205；

所述主控模块201，与所述驱动模块202连接，用于根据激光雷达 及超声波传感器的反馈信号对所述驱动模块202发出直行、原地旋转 或转弯指令；主控模块201根据激光雷达、超声波传感器以及碰撞传 感器的反馈信号对小车发出直行、原地旋转以及转弯指令。

所述驱动模块202，接收所述主控模块201的指令，用于协调驱动 轮，实现模式动物自动化运载装置的运动；驱动模块202通过电机控 制器协调两个车轮驱动电机运行，实现运载装置车前行、后退、转向， 控制器采用PWM或DA调速法调节电机转速，在运载装置运行过程 中的不同阶段要求不同的速度，如启动、停止、转弯，并且各阶段之 间要以平滑速度过渡，这就对驱动模块202性能提出了较高要求，驱 动模块202接收到指令后，执行对应代码，改变运载装置运行状态， 并监控电机运行状态，将电机运行信息上传到主控模块201中。

所述辅助安全模块203，与所述主控模块201连接，作为激光雷达 的辅助措施，用于检测障碍物；辅助安全模块203的作用为防止运载 装置车体与障碍物碰撞。由于单线激光雷达嵌运载装置头部，在小车 行驶过程中难免会有激光雷达盲区，辅助安全模块203由超声波雷达 和碰撞传感器组成，当激光雷达未能检测出盲区障碍物时，超声波雷 达予以辅助检测，当前两者都未能检测到障碍物时，运载装置前部和 后部外壳上布置的碰撞传感器作为最后一道防护手段，当碰撞传感器 已接触到障碍物时，系统优先处理该事件，发出紧急制动命令并报警。

所述通讯模块204，与所述主控模块201、驱动模块202及辅助安 全模块203均有连接，用于向所述主控模块201、驱动模块202及辅助 安全模块203传递信息。所述通讯模块204还用于连接后台服务器205。 通讯模块204的作用一方面负责运载装置内部各功能模块的通讯，另 一方面负责连接运载装置和控制后台服务器205，当多运载装置同时运 行的时候，协调与其它运载装置的工作路径，避免运载装置之间的相 互干扰。

运载装置系统包括硬件车体和控制系统两大部分，在运行过程中 车体和控制系统都会影响运载装置的运动过程，为了实现运载装置运 动过程的精确控制，在合理设计车体的基础上，研究运载装置运动学 与动力学之间的关系，最终构建出实现运载装置精确控制的运动学模 型。

运动学分析：硬件车体为一体化钣金底盘，两侧装配2个差动车轮， 以及与之相连的直流无刷电机。导向轮安装在底盘中部，维持车体平 衡，承载一定重量。

运载装置的前进、后退以及转向都是通过控制左右两个直流无刷 电机，直流无刷电机提供前进、后退的动力，并可以形成差速控制实 现运载装置转向。

正向控制：机器人本体命令，即主要误差信号，代表轨迹规划器 提供的行程计划与反馈检测系统提供的行程进度更新信息之间的差 异。这些信号被馈入逆向运动学系统，后者将机器人本体命令转换成 每个车轮的转向和速度配置文件。这些配置文件使用阿克曼转向关系， 进行计算，整合了轮胎直径、表面接触面积、间距和其他重要几何特 性。利用阿克曼转向原理和关系，上述机器人平台可创建以电子方式 链接的转向角度配置。运载装置车轮驱动和转向系统：每个车轮均有 一个驱动轴，通过变速箱以机械方式连接至驱动马达，同吋通过另一 个变速箱耦合至光学编码器，即测程反馈系统的输入端。转向轴将车 轴耦合至另一伺服马达，该马达负责确立车轮的转向角度。转向轴还 将通过变速箱耦合至第二个光学编码器，也即测程反馈系统的另一个 输入端。反馈检测和控制：导航系统使用一个增强的Kalman filter3,通 过结合多个传感器的数据来估算行程图上机器人的姿态。机器人上的 测程数据从车轮牵引和转向编码器(提供转换)和MEMS陀螺仪(提供 旋转)获得。

为实现可靠的激光引导控制，车体的机械结构设计必须考虑一个 适当的设计比例，包括质量分布，重心未知和执行机构的选择都是机 械结构设计的重要阶段，对机器人的性能有直接的影响。本文采用双 驱六轮设计，目的是保证车体稳定的运行及里程计算的精确性。驱动 轮轴心即为车体中心和重心。

运载装置的差动运动控制模型如图3所示，图3是本发明实施例中 模式动物自动化运载装置的差动运动控制示意图，包括：原始模式动 物自动化运载装置302及改变方向后模式动物自动化运载装置301。车 体是由一个机器人底盘、两个差动驱动轮以及连接到车轮上的直流无 刷电机组成，还有4个万象轮安装在车体底盘的四角，辅助支撑车体， 保证车体稳定。车体的运动和方向是通过左右两边驱动轮的独立执行 机构来完成的，直流电机提供驱动力并形成差速控制实现转向运动。 途中虚线表示车体原运行方向，实线表示车体在△t秒后的实际运动方 向，设△t秒后，原方向与实际方向额坐标偏差为(△x，△y)，方向角 偏差为θ，运载装置车体运动模型为：

ν_R＝R*ω_R

ν_L＝R*ω_L

△S＝R*△θ

以上为车体在平面中的运动约束方程，其中L代表的是运载装置车 体两轮之间的距离，R代表车轮半径，νL和νR分别代表的是左右两 轮的线速度，ωL和ωR分别代表左右两轮的角速度，(△x，△y)和θ 分别代表车体的位置偏差和方向偏差，ν和ω分别代表车体的速度和 角速度，△S和△θ分别表示车体走过的圆弧长度和弧度。

x²+y²＝l²

vx＝v*cos(θ)

运载装置车体的状态方程可以写成：

其中分别是x，y及θ的微分。

由于激光雷达和超声波传感器均可以对车辆姿态进行检测，并且 都含有噪声。为了更为精确的估算运载装置姿态，一般采用数据融合 的方法，本文采用Kalman进行数据融合，Kalman滤波是一种基于概率 模型的状态和参数估计，根据前一时刻的系统状态，估计出当前的系 统状态，然后以当前时刻的实际观测值作为反馈，来修正估计的状态。

本发明第四实施例中提供了一种模式动物自动化运载方法，由第 一实施例中的模式动物自动化运载装置实现，所述方法包括：将所述 模式动物放置在所述顶升机构上，启动所述模式动物自动化运载装置， 将所述模式动物自动运载至目的地。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而 非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领 域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技 术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修 改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方 案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种模式动物自动化运载装置，其特征在于，包括：

超声波传感器、激光雷达、顶升机构、防撞条及驱动轮；

所述超声波传感器，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于检测障碍物信息，模式动物自动化运载装置根据所述障碍物信息进行避障；

所述激光雷达，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于检测周围环境及距离；

所述顶升机构，安装在模式动物自动化运载装置的顶部，用于升降模式动物；

所述防撞条，安装在模式动物自动化运载装置的前部，用于防撞；

所述驱动轮，安装在模式动物自动化运载装置的中部，受直流无刷伺服电机控制，用于驱动模式动物自动化运载装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声波传感器以15度的锥面角进行超声波探测。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光雷达以270度的扇形角检测周围环境及距离。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，若所述防撞条承受冲撞力达到1牛顿，则所述模式动物自动化运载装置停止运动。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模式动物自动化运载装置的系统包括：

主控模块、驱动模块、辅助安全模块及通讯模块；

所述主控模块，与所述驱动模块连接，用于根据所述激光雷达及超声波传感器的反馈信号对所述驱动模块发出直行、原地旋转或转弯指令；

所述驱动模块，接收所述主控模块的指令，用于协调所述驱动轮，实现所述模式动物自动化运载装置的运动；

所述辅助安全模块，与所述主控模块连接，作为所述激光雷达的辅助措施，用于检测障碍物；

所述通讯模块，与所述主控模块、驱动模块及辅助安全模块均有连接，用于向所述主控模块、驱动模块及辅助安全模块传递信息。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述辅助安全模块包括：

碰撞传感器及所述超声波传感器；

其中，所述碰撞传感器及所述超声波传感器用于检测所述激光雷达未能检测出的障碍物。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述通讯模块还用于连接后台服务器。

8.一种模式动物自动化运载方法，由权利要求1所述的模式动物自动化运载装置实现，其特征在于，包括：

将所述模式动物放置在所述顶升机构上，启动所述模式动物自动化运载装置，将所述模式动物自动运载至目的地。