CN112947470B - 一种无人物流末端配送小车及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无人物流末端配送小车及其控制方法，包括车体，还包括驱动地盘、传感器转盘和货物托盘；货物托盘位于传感器托盘上方；三者均可绕中心轴独立转动；在三者与中心轴连接处设置有步进电机和步进电机固定座；步进电机上安装有主动伞形齿轮；车体上设置有被动伞形齿轮；中心轴上配合连接有推力轴承；主动伞形齿轮与被动伞形齿轮啮合；被动伞形齿轮与推力轴承滑动配合并通过步进电机转动带动整个轮盘转动。本发明采用分层独立的车体结构，具有相当的灵活性，可适应复杂路况，顶层的货物托盘通过推杆电机、万向节，保证货架保持水平状态，从而保证车体的稳定性，本发明使用5G传输模块，可通过云端处理器进行控制，提高运行速度。

Description

一种无人物流末端配送小车及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种无人物流末端配送小车及其控制方法，属于无人技物流配送术领域。
背景技术
随着信息技术，5G技术的发展，高速的数据传输使得云端计算有了更多的运用场景，许多无人技术，无人管理系统也被逐渐提出。对于无人物流系统，其大致流程为货物从总站通过运输卡车运送的各个社区，最后的一公里的末端配送，由无人控制的物流小车完成。目前已有的多数物流小车用于仓库货物分拣，使用环境受限，难以应对室外的诸多问题。少数适用于室外的配送无人车体型较大，行驶速度较慢，仍有相当程度的局限性。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种无人物流末端配送小车及其控制方法，通过基于5G高速传输实现的云端控制，以及独特的车体结构，能适用于社区、人行道等复杂的路况环境。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：种无人物流末端配送小车，包括车体，还包括安装在车体上的驱动地盘和设于驱动底盘竖直方向上的传感器转盘和货物托盘；所述货物托盘位于传感器托盘上方；所述驱动底盘、传感器转盘以及货物托盘通过中心轴自下而上布置，且三者均可绕中心轴独立转动；
所述位于驱动底盘、传感器转盘、货物托盘与中心轴的连接处设置有步进电机和步进电机固定座；所述步进电机安装在所述步进电机安装座上；所述步进电机上安装有主动伞形齿轮；所述车体上设置有被动伞形齿轮；所述被动伞形齿轮通过螺栓固定在车体上；所述中心轴上配合连接有推力轴承；所述主动伞形齿轮与被动伞形齿轮啮合；所述被动伞形齿轮与推力轴承滑动配合并通过步进电机转动带动整个轮盘转动。
进一步的，所述中心轴内部为空腔，中心轴底部安装有充电座，其通过导线连接至中心轴的各层连接处，中心轴与各层连接处固定有微型电磁铁，各层电源充电开口槽置于靠中心轴一端。
进一步的，所述电源充电口包括金属挡板，弹簧，磁吸充电线；所述金属挡板与电源充电开口槽采用滑动配合连接；所述弹簧设置有两个，且分别布置在磁吸充电线两侧，弹簧与磁吸充电线同侧与金属挡板连接；所述磁吸充电线一端置于微型电磁铁端口，另一端置于各层电源充电口。
进一步的，所述驱动底座上安装有电源、控制器、麦克纳姆轮悬架系统、无刷电机以及麦克纳姆轮；所述麦克纳姆轮悬架系统包括车架和压力弹簧；所述无刷电机与麦克纳姆轮均固定于车架上。
进一步的，所述传感器装盘上安装有电源、控制器一以及传感器组；所述传感器组包括高清摄像头和激光测距仪；所述控制器一包括数据处理器以及5G传输模块。
进一步的，所述货物托盘包括底座，保护罩，防撞条，螺栓，推杆电机，万向节，货架，电子水平仪，电源及控制芯片；所述保护罩、推杆电机固定于底座；所述防撞条通过螺栓固定于保护罩外侧，万向节连接货架与推杆电机，电子水平仪安装于货架底部；所述货架上方安装8个对称分布的微型推杆电磁铁，用于夹装货箱。
一种无人物流末端配送小车控制方法，包括以下控制步骤；
步骤一：固定货箱，货物装入进货箱中，货箱放置于货架上时，货架上对称安装的8个推杆电磁铁会将推杆推入货箱底部的凹槽中；
步骤二：采集周围路况信息，货箱固定完毕后小车开始运行，小车的传感器转盘中心的推力轴承与被动伞形齿轮滑动配合，安装于传感器转盘上的步进电机可根据控制器的控制转动，因而端口的主动伞形齿轮带动被动伞形齿轮转动，使传感器转盘绕中心轴转动；
步骤三：控制指令传输，传感器转盘上带有三组传感器，每组包含一个高清摄像头与一个激光测距仪；每组传感器的信息将会由传感器转盘上的5G传输模块传输至云端处理器，通过高性能的处理器进行处理后，将控制指令传输回驱动底座的控制器和传感器转盘的控制器；
步骤四：驱动底座带动整个车体的运动；车体按照控制器中的定位导航系统行进，并在传感器转盘所提供的数据下进行微调完成避障；
步骤五：当车体试过较大地表障碍物，车体出现明显倾斜时，货物托盘中，货架底部的电子水平仪将记录倾斜方向及倾斜角度，并将信息传输至货物托盘控制器，控制器处理后将调整货物托盘中四个推杆电机所伸出的推杆长度，其中，推杆电机与货架底部用万向节进行连接，从而保证货架始终保持水平，防止倾倒；
步骤六：在完成配送进行充电时，充电底座通电，各层转盘复位至原点，使安装在转盘中的磁吸充电线正对与中心轴连接处的开口；在开口处，中心轴内部固定有微型电磁铁，并在微型电磁铁靠开口一端固定磁吸充电口；在充电座通电后，微型电磁铁通电产生磁力，会吸引磁吸充电线；其中，磁吸充电线与金属挡板，在微型电磁铁磁力的作用下压缩金属挡板前的弹簧，与磁吸充电口连接，开始充电；
步骤七：充电结束后，微型电磁铁断电，弹簧复原，并将磁吸充电线推回原位。
所述步骤三中高清摄像头识别的影像先传输至云端，由云端计算机进行处理后识别出周围障碍物，并对障碍物进行分类，并由提前设定好的类型优先级，按照从高到低排序，并通过障碍物在影像中的相对位置定位，而后将信息传输至传感器转盘控制器，传感器转盘通过转动，使对应的传感器组的激光测距仪对准目标进行距离的精准测量，而后再将测量出的距离数据传输至云端，经处理后产生相应的避障指令，传输至驱动底座的车体控制器，使车体完成避障。
所述障碍物分类优先级设定方法为障碍物在影像中所占的大小的百分比的排序为第一得分；障碍物在影像中的相对位移排序为第二得分。将两项得分相加后所得的总分进行排序，分出优先级。
所述驱动底盘、传感器转盘以及货物托盘三者的运行方式设置有两种模式，一种为5G信号良好时的高速模式，各轮盘可在云端处理器的辅助下快速处理信息，快速反应，将车速控制在20km/h左右；另一种是当5G信号质量较差时，各信息由车载处理器进行处理，将车速降低至5km/h。
本发明的有益效果是：本发明采用分层独立的车体结构，具有相当的灵活性，可适应复杂路况；本发明使用5G传输模块，可通过云端处理器进行控制，提高运行速度。同时为了保证安全，设置了低速运行模式；本发明的麦克纳姆轮悬挂系统可以保证在不平稳路面运行时的车体稳定；中心轴充电口的设计解决了了各层轮盘的充电和运行的冲突，不会因旋转导致充电线缠绕；顶层的货物托盘通过推杆电机、万向节，保证货架保持水平状态，从而保证车体的稳定性；货架上安装8个推杆电磁铁，保证了货箱可固定于货架上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意主视图；
图3为本发明的驱动底盘、传感器转盘、货物托盘与中心轴的连接处结构示意图；
图4为本发明的电源充电口及其连接位置结构示意图；
图5为本发明的驱动底座及其连接位置结构示意图；
图6为本发明的麦克纳姆轮悬架系统部分结构示意图；
图7为本发明的传感器转盘部分结构示意图；
图8为本发明的货物托盘结构示意爆炸图；
图9为本发明的无人物流末端配送小车控制方法原理图。
图中：1、驱动底盘，2、传感器转盘，3、货物托盘，4、中心轴，5、步进电机，6、步进电机安装座，7、主动伞形齿轮，8、被动伞形齿轮，9、推力轴承，10、充电座，11、微型电磁铁，12、金属挡板，13、弹簧，14、磁吸充电线，15、磁吸充电口，16、控制器，17、麦克纳姆轮悬架系统，18、无刷电机，19、麦克纳姆轮，20、车架，21、压力弹簧，22、控制器一，23、高清摄像头，24、保护罩，25、防撞条，26、推杆电机，27、万向节，28、货架，29、电子水平仪，30、控制芯片，31、微型推杆电磁铁，32、底座。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1和图2所示，一种无人物流末端配送小车，包括车体，还包括安装在车体上的驱动地盘1和设于驱动底盘1竖直方向上的传感器转盘2和货物托盘3；所述货物托盘3位于传感器托盘2上方；所述驱动底盘1、传感器转盘2以及货物托盘3通过中心轴4自下而上布置，且三者均可绕中心轴4独立转动；
参照图3，位于驱动底盘1、传感器转盘2、货物托盘3与中心轴4的连接处设置有步进电机5和步进电机固定座6；所述步进电机5安装在所述步进电机安装座6上；所述步进电机5上安装有主动伞形齿轮7；所述车体上设置有被动伞形齿轮8；所述被动伞形齿轮8通过螺栓固定在车体上；所述中心轴4上配合连接有推力轴承9；所述主动伞形齿轮7与被动伞形齿轮8啮合；所述被动伞形齿轮8与推力轴承9滑动配合并通过步进电机转动带动整个轮盘转动。
继续参照图2和图4，中心轴4内部为空腔，中心轴4底部安装有充电座10，其通过导线连接至中心轴4的各层连接处，中心轴4与各层连接处固定有微型电磁铁11，各层电源充电开口槽置于靠中心轴4一端。
继续参照图4，电源充电口包括金属挡板12，弹簧13，磁吸充电线14；所述金属挡板12与电源充电开口槽采用滑动配合连接；所述弹簧13设置有两个，且分别布置在磁吸充电线14两侧，弹簧13与磁吸充电线14同侧与金属挡板12连接；所述磁吸充电线14一端置于微型电磁铁端口，另一端置于各层电源充电口。
参照图5和图6，驱动底座1上安装有电源、控制器16、麦克纳姆轮悬架系统17、无刷电机18以及麦克纳姆轮19；所述麦克纳姆轮悬架系统17包括车架20和压力弹簧21；所述无刷电机18与麦克纳姆轮19均固定于车架20上。
参照图7，传感器转盘2上安装有电源、控制器一22以及传感器组；所述传感器组包括高清摄像头23和激光测距仪24；所述控制器一22包括数据处理器以及5G传输模块。
参照图8，货物托盘3包括底座32，保护罩24，防撞条25，螺栓，推杆电机26，万向节27，货架28，电子水平仪29，电源及控制芯片30；所述保护罩24、推杆电机26固定于底座23；所述防撞条25通过螺栓固定于保护罩24外侧，万向节27连接货架28与推杆电机26，电子水平仪29安装于货架28底部；所述货架28上方安装8个对称分布的微型推杆电磁铁31，用于夹装货箱。
参照图9所示的原理图，本发明所运行的环境是无人物流配送末端的最后一公里路程，主要为行人较多，路况较为复杂的社区环境。
货物将装在特制的货箱中，货箱放置于货架28上时，货架上对称安装的8个推杆电磁铁31会将推杆推入货箱底部的凹槽中，从而固定货箱。
货箱固定完毕后小车开始运行，小车的传感器转盘2中心的推力轴承9与被动伞形齿轮8滑动配合，安装于传感器转盘3上的步进电机可根据控制器22的控制转动，因而端口的主动伞形齿轮7带动被动伞形齿轮8转动，使传感器转盘绕2中心轴4转动，采集周围路况信息。
传感器转盘上带有三组传感器，每组包含一个高清摄像头23与一个激光测距仪24。每组传感器的信息将会由传感器转盘上的5G传输模块传输至云端处理器，通过高性能的处理器进行处理后，将控制指令传输回驱动底座1的控制器16和传感器转盘2的控制器22。
其中，高清摄像头23识别的影像先传输至云端，由云端计算机进行处理后识别出周围障碍物，并对障碍物进行分类，并由提前设定好的类型优先级，按照从高到低排序，并通过障碍物在影像中的相对位置定位，而后将信息传输至传感器转盘控制器22，传感器转盘2通过转动，使对应的传感器组的激光测距仪24对准目标进行距离的精准测量，而后再将测量出的距离数据传输至云端，经处理后产生相应的避障指令，传输至启动底座1的车体控制器16，使车体完成避障。
其中，关于上述的优先级，提出一种计分制的设想方案。障碍物在影像中所占的大小的百分比的排序为第一得分；障碍物在影像中的相对位移排序为第二得分。将两项得分相加后所得的总分进行排序，分出优先级。
此外，任何测距显示距离的相对靠近速度超过车速，则立刻减速，并划为最高优先级，通过转盘转动使激光测距仪24跟踪运动物体测距，直至完成避障。
驱动底座1带动整个车体的运动。车体大致按照控制器16中的定位导航系统行进，并在传感器转盘2所提供的数据下进行微调完成避障。
设前方障碍经检测，水平位置未超过车体竖直三等分线，则驱动地租通过麦克纳姆轮19的横向驱动，横向移动避障，若障碍物经检测超过车体竖直三等分线，则驱动底座1减速，根据控制指令转弯避障。
其中，驱动底座1可通过转动以调整麦克纳姆轮19角度，从而提高运行速度，减少麦克纳姆轮19磨损。
驱动底座1的麦克纳姆轮悬挂系统17，各轮均独立悬挂，因而底部较小障碍物不会导致车体的倾斜。
当车体试过较大地表障碍物，车体出现明显倾斜时，货物托盘3中，货架28底部的电子水平仪29将记录倾斜方向及倾斜角度，并将信息传输至货物托盘3控制器30，控制器30处理后将调整货物托盘3中四个推杆电机26所伸出的推杆长度，其中，推杆电机26与货架28底部用万向节27进行连接。从而保证货架28始终保持水平，防止倾倒。
其中，上述各轮盘的运行方式设置了两种模式，一种为5G信号良好时的高速模式，各轮盘可在云端处理器的辅助下快速处理信息，快速反应，将车速控制在20km/h左右。当5G信号质量较差时，各信息由车载处理器进行处理，将车速降低至5km/h。
在完成配送进行充电时，充电底座10通电，各层转盘复位至原点，使安装在转盘中的磁吸充电线14正对与中心轴4连接处的开口。在开口处，中心轴4内部固定有微型电磁铁11，并在微型电磁铁11靠开口一端固定磁吸充电口15。在充电座10通电后，微型电磁铁11通电产生磁力，会吸引磁吸充电线14。其中，磁吸充电线14与金属挡板12，在微型电磁铁14磁力的作用下压缩金属挡板12前的弹簧13，与磁吸充电口15连接，开始充电。
充电结束后，微型电磁铁11断电，弹簧12复原，并将磁吸充电线14推回原位。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人物流末端配送小车的控制方法，小车，包括车体，还包括安装在车体上的驱动底盘（1）和设于驱动底盘（1）竖直方向上的传感器转盘（2）和货物托盘（3）；所述货物托盘（3）位于传感器转盘（2）上方；所述驱动底盘（1）、传感器转盘（2）以及货物托盘（3）通过中心轴（4）自下而上布置，且三者均可绕中心轴（4）独立转动；
所述位于驱动底盘(1)、传感器转盘(2)、货物托盘(3)与中心轴(4)的连接处设置有步进电机（5）和步进电机固定座（6）；所述步进电机（5）安装在所述步进电机固定座（6）上；所述步进电机（5）上安装有主动伞形齿轮（7）；所述车体上设置有被动伞形齿轮（8）；所述被动伞形齿轮（8）通过螺栓固定在车体上；所述中心轴（4）上配合连接有推力轴承（9）；所述主动伞形齿轮（7）与被动伞形齿轮（8）啮合；所述被动伞形齿轮（8）与推力轴承（9）滑动配合并通过步进电机转动带动整个轮盘转动；
基于上述小车的控制方法，包括以下控制步骤；
步骤一：固定货箱，货物托盘（3）包括底座(32)，保护罩(24)，防撞条(25)，螺栓，推杆电机(26)，万向节(27)，货架(28)，电子水平仪(29)，电源及控制芯片(30)；所述保护罩(24)、推杆电机(26)固定于底座(32)；所述防撞条(25)通过螺栓固定于保护罩(24)外侧，万向节(27)连接货架(28)与推杆电机(26)，电子水平仪(29)安装于货架(28)底部；所述货架（28）上方安装8个对称分布的微型推杆电磁铁(31)；首先货物装入进货箱中，货箱放置于货架(28)上时，货架（28）上对称安装的8个推杆电磁铁(31)会将推杆推入货箱底部的凹槽中；
步骤二：采集周围路况信息，货箱固定完毕后小车开始运行，小车的传感器转盘(2)中心的推力轴承(9)与被动伞形齿轮(8)滑动配合，安装于传感器转盘(2)上的步进电机可根据控制器一(22)的控制转动，因而端口的主动伞形齿轮(7)带动被动伞形齿轮(8)转动，使传感器转盘(2) 绕中心轴(4)转动；
步骤三：控制指令传输，传感器转盘上带有三组传感器，每组包含一个高清摄像头(23)与一个激光测距仪；每组传感器的信息将会由传感器转盘（2）上的5G传输模块传输至云端处理器，通过高性能的处理器进行处理后，将控制指令传输回驱动底盘(1)的控制器(16)和传感器转盘(2)的控制器一(22)；
步骤四：驱动底盘(1)带动整个车体的运动；车体按照控制器(16)中的定位导航系统行进，并在传感器转盘(2)所提供的数据下进行微调完成避障；
步骤五：当车体试过较大地表障碍物，车体出现明显倾斜时，货物托盘(3)中，货架(28)底部的电子水平仪(29)将记录倾斜方向及倾斜角度，并将信息传输至货物托盘(3)控制芯片(30)，控制芯片(30)处理后将调整货物托盘(3)中四个推杆电机(26)所伸出的推杆长度，其中，推杆电机(26)与货架(28)底部用万向节(27)进行连接，从而保证货架(28)始终保持水平，防止倾倒；
步骤六：在完成配送进行充电时，充电座(10)通电，各层转盘复位至原点，使安装在转盘中的磁吸充电线(14)正对与中心轴(4)连接处的开口；在开口处，中心轴(4)内部固定有微型电磁铁(11)，并在微型电磁铁(11)靠开口一端固定磁吸充电口(15)；在充电座(10)通电后，微型电磁铁(11)通电产生磁力，会吸引磁吸充电线(14)；其中，磁吸充电线(14)与金属挡板(12)，在微型电磁铁(11)磁力的作用下压缩金属挡板(12)前的弹簧(13)，与磁吸充电口(15)连接，开始充电；
步骤七：充电结束后，微型电磁铁(11)断电，弹簧(13)复原，并将磁吸充电线(14)推回原位。
2.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，所述中心轴（4）内部为空腔，中心轴（4）底部安装有充电座（10），其通过导线连接至中心轴（4）的各层连接处，中心轴（4）与各层连接处固定有微型电磁铁（11），各层电源充电开口槽置于靠中心轴（4）一端。
3.根据权利要求2所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，电源充电口包括金属挡板(12)，弹簧(13)，磁吸充电线(14)；所述金属挡板(12)与电源充电开口槽采用滑动配合连接；所述弹簧（13）设置有两个，且分别布置在磁吸充电线(14)两侧，弹簧（13）与磁吸充电线(14)同侧与金属挡板（12）连接；所述磁吸充电线（14）一端置于微型电磁铁端口，另一端置于各层电源充电口。
4.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，所述驱动底盘（1）上安装有电源、控制器(16)、麦克纳姆轮悬架系统(17) 、无刷电机(18)以及麦克纳姆轮(19)；所述麦克纳姆轮悬架系统(17)包括车架（20）和压力弹簧(21)；所述无刷电机(18)与麦克纳姆轮(19)均固定于车架（20）上。
5.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，所述传感器转盘（2）上安装有电源、控制器一（22）以及传感器组；所述传感器组包括高清摄像头(23)和激光测距仪；所述控制器一（22）包括数据处理器以及5G传输模块。
6.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，所述步骤三中高清摄像头(23)识别的影像先传输至云端，由云端计算机进行处理后识别出周围障碍物，并对障碍物进行分类，并由提前设定好的类型优先级，按照从高到低排序，并通过障碍物在影像中的相对位置定位，而后将信息传输至传感器转盘的控制器一(22)，传感器转盘(2)通过转动，使对应的传感器组的激光测距仪对准目标进行距离的精准测量，而后再将测量出的距离数据传输至云端，经处理后产生相应的避障指令，传输至驱动底盘(1)的控制器(16)，使车体完成避障。
7.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，所述障碍物分类优先级设定方法为障碍物在影像中所占的大小的百分比的排序为第一得分；障碍物在影像中的相对位移排序为第二得分；将两项得分相加后所得的总分进行排序，分出优先级。
8.根据权利要求1所述的一种无人物流末端配送小车的控制方法，其特征在于，驱动底盘（1）、传感器转盘（2）以及货物托盘（3）三者的运行方式设置有两种模式，一种为5G信号良好时的高速模式，各轮盘可在云端处理器的辅助下快速处理信息，快速反应，将车速控制在20km/h左右；另一种是当5G信号质量较差时，各信息由车载处理器进行处理，将车速降低至5km/h。
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