CN202267871U - 一种自动避障机器人平台 - Google Patents

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一种自动避障机器人平台，主要用于机器人自动躲避障碍，属于机器人控制技术领域。包括超声波测距传感器(1)，移动小车(2)和控制主板(3)三大部分组成。超声波测距传感器(1)安装在移动小车(2)的四周，为了适应不同的使用环境，可以调整每个超声波测距传感器的探测方向。控制主板(3)安装在移动小车(2)的车架上。彩色液晶显示模块(5)、蓝牙通信模块(4)、通信及电源接口(6)安装在控制主板(3)上。本实用新型系统集成度高，性能可靠，结构紧凑，成本低廉，模块化，易于维护和拓展。

Description

一种自动避障机器人平台
技术领域
本实用新型是一种基于超声波传感器和STM32微控制器的轮式自动避障机器人，主要用于机器人自动躲避障碍，属于机器人控制技术领域。 
技术背景
起初机器人从A到达B点的途中会遇到障碍物，为了能够自动躲避这些障碍物，自动避障机器人孕育而生。随着科技的发展，自动避障机器人平台的应用越来越多，比如搜救，物流，无人车间，管道布线等等。 
一般来讲，传统的自动避障机器人平台，为了能感知环境中的障碍物，传感器主要采用红外开关，激光测距传感器，摄像头等。 
红外开关工作原理：使用扩散反射型光电开关，它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。其优点在于成本非常低廉，结构简单，体积非常小；缺点是容易被干扰，无法准确测量出距离。 
激光测距工作原理：脉冲式激光测距传感器是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。其优点是精度高，测量距离远；缺点是结构比较复杂，成本高。 
摄像头工作原理：利用双目摄像头可以捕捉到实时图像，通过图像分析可以辨别是否有障碍物。其优点是盲区小，成本比较低；缺点是技术复杂，不能准确计算距离，光线影响大。 
实用新型内容
本实用新型主要针对自动避障机器人存在的以上问题，提供了一种基于STM32F103微控制器的智能自动避障机器人平台。该平台使用超声波雷达作为空间探测的主要传感器，利用比例为1∶10电动模型车底盘作为平台的移动机构。该自动避障机器人平台具有结构紧凑，成本低，模块化设计，拓展性强，应用灵活，反应灵敏等优点。 
本实用新型主要在平台周围安装了超声波传感器，可以自动躲避障碍。平台依靠电池提供主要电源。上位机软件通过蓝牙模块与机器人平台通信，实时获得机器人平台传感器的状态，同时可以向平台发送指令。 
本实用新型发明采用如下技术方案： 
一种自动避障机器人平台，包括超声波测距传感器1，移动小车2和控制主板3三大部分组成。超声波测距传感器1安装在移动小车2的四周，为了适应不同的使用环境，可以调整 每个超声波测距传感器的探测方向。控制主板3安装在移动小车2的车架上。彩色液晶显示模块5，蓝牙通信模块4，通信及电源接口6安装在控制主板3上。 
所述的超声波测距传感器1在移动小车1的车前后各安装4个，四个角各安装1个，在车的两侧各安装1个。 
电池17和外部电源19均与电源接口18相连，电源接口连接至稳压电源13，实时监控电源工作状况的电源监控模块7与为各个芯片、电机和传感器供电的稳压电源13连接。 
系统使用电池17或外部电源19通过电源接口18提供电源。通过稳压电源13输出3.3V和5V的直流电源，为各个芯片、电机和传感器供电。 
CAN总线25与CAN接口8连接，微控制器15通过CAN驱动器14与用于外部与机器人平台通信的CAN接口8连接。用于自动避障机器人平台与手持设备之间的无线通信的蓝牙通信模块4通过IO口与微控制器15连接。机器人平台和计算机通信使用用于传输命令和系统状态的USB接口9和RS-232接口10与微控制器15相连。微控制器15上留有用于功能模块扩展的IO功能口即IO扩展接口11。 
用于显示系统状态，选择功能和参数的触摸屏12贴附在彩色液晶显示模块5的屏幕上，触摸屏12和彩色液晶显示模块5分别与微控制器15连接。每个超声波测距模块由信号调理电路20和超声波测距传感器1两部分连接组成，信号调理电路20连接到微控制器15控制管脚上。微控制器15通过直流电机调速模块21控制用于驱动移动小车2的直流减速电机24。微控制器15与用于实时采集环境温度的温度传感器22、用于播放声音提示信息的语音模块23、为移动小车2的转向提供动力的舵机16连接。 
所述的微控制器15采用STM32F103芯片。 
所述的手持设备包括手机、平板电脑。 
所述的微控制器15最多可以连接16个超声波测距模块。 
本实用新型的工作原理如下： 
彩色液晶会显示机器人状态及配置餐单，通过触摸屏选择系统的参数配置。上位机(述的上位机包括计算机、平板电脑或手机系统)发送命令给通信端口，微控制器处理并执行对应的命令，同时把系统的状态发给上位机。微控制器实时采集温度和超声波传感器的数据，然后计算出每个超声波距障碍物的距离，从而计算出机器人平台空间位置，通过预先的规划，系统决策出下一步的运动轨迹，控制机器人平台的运动方向和运动速度，直至到达目的地。在系统运行中，会有语音提示信息，例如遇到障碍，通信失败或者电池电量不足等。 
本实用新型较传统机器人自动避障有如下优势： 
系统集成度高，性能可靠，结构紧凑，成本低廉，模块化，易于维护和拓展。 
超声波传感器测量覆盖面较大，测量盲区较小。 
采用多种通信接口，方便数据连接。可多机通信，协同工作。 
系统带过流自动保护，过压保护，延长其使用寿命。 
STM32F微控制器具有72MHz主频，处理速度快，内部ADC具有12位的高精度采集，最高1MHz转换速率。 
STM32F微控制器可以设定、存储或者发送机器人自动避障平台的配置参数。 
可以实时反馈一路或者多路超传感器数据、温度和电源电压大小。 
附图说明
图1本实用新型的组装结构图 
图2本实用新型的电路结构图 
图中：1、超声波测距传感器，2、移动小车，3、控制主板，4、蓝牙通信模块，5、彩色液晶显示模块，6、通信及电源接口，7、电源监控模块，8、CAN接口，9、USB接口，10、RS-232接口，11、IO扩展接口，12、触摸屏，13、稳压电源，14、CAN驱动器，15、微控制器，16、舵机，17、电池，18、电源接口，19、外部电源，20、信号调理电路，21、直流电机调速模块，22、温度传感器，23、语音模块，24、直流减速电机，25、CAN总线 
具体实施方式
如图1所示，本实例由三大部分组成：14个超声波测距传感器1，移动小车2和控制主板3三大部分组成。 
其中，移动小车2为1∶10比例电动模型车。超声波测距传感器1安装在移动小车1的四周围，车前后各安装4个，四个角各安装1个，在车的两侧各安装1个。每个超声波测距传感器1测量角度约为20°～30°，通过调整每个超声波测距传感器的探测方向，让其尽可能的覆盖到整个机器人四周每个方向，减少探测的盲区。超声波测距传感器1通过线缆连接到控制主板3上信号调理电路20接口上。舵机16通过线缆连接到控制主板3的舵机接口上，舵机16控制机器人平台的前轮转向功能。直流减速电机24通过线缆连接到控制主板3的直流电机调速模块21上，用于驱动机器人平台前进还是后退。 
控制主板3安装在移动小车2的车架上。电池17通过开关与电源接口18连接，为系统提供电源。彩色液晶显示模块5，蓝牙通信模块4，通信及电源接口6安装在控制主板3上。其中，触摸屏12贴附在彩色液晶显示模块5上，与液晶显示的内容相对应，当需要选择菜单和设置参数时候使用。 
如图2所示自动避障机器人提供了多种接口，主要用于与机器人其它部件，外部终端设备或者其它机器人之间的通信。CAN总线25与CAN接口8连接，STM32F103微控制器13通过CAN驱动器14与CAN接口8连接，主要用于与机器人平台其它模块之间的通信。蓝牙通信模块4通过IO口与微控制器13连接，用于自动避障机器人平台与手持设备之间的无线通信，手持设备例如带有蓝牙通信功能的手机，平板电脑等。USB接口9和RS-232接口10都是用于机器人平台和计算机通信使用，主要用于传输命令和系统状态。IO扩展接口11是微控制器15上留出的IO功能端口，主要用于功能模块扩展。 
每个超声波测距模块由信号调理电路20和超声波测距传感器模块1两部分组成，信号调理电路20连接到微控制器15控制管脚上，微控制器最多可以连接16个超声波测距模块。微控制器15与温度传感器22连接，用于实时采集环境温度。微控制器15按照扫描的方式，依次测量每个超声波测距传感器模块1发出声波遇到障碍物返回的时间，参照温度信息，计算出每个超声波对应方向上的障碍物距该超声波的距离。利用这些障碍物的距离，可以构建机器人在障碍物中的空间位置，利用空间位置，可以让机器人决策向哪个方向运动来躲避障碍物，寻找到合理的路线，最终到达目的地。微控制器15会根据计算的路线控制舵机16旋转前轮，朝向运动的方向，同时控制直流减速电机24驱动机器人以一定速度前进、后退或者停止。在系统运行过程中，微控制器15连接语音模块23，用于播放声音提示信息。 

Claims (5)

1.一种自动避障机器人平台，包括超声波测距传感器(1)，移动小车(2)和控制主板(3)；其特征在于：超声波测距传感器(1)安装在移动小车(1)的四周；控制主板(3)安装在移动小车(2)的车架上；彩色液晶显示模块(5)，蓝牙通信模块(4)，通信及电源接口(6)安装在控制主板(3)上；
电池(17)和外部电源(19)均与电源接口(18)相连，电源接口连接至稳压电源(13)，实时监控电源工作状况的电源监控模块(7)与为各个芯片、电机和传感器供电的稳压电源(13)连接；
电池(17)或外部电源(19)通过电源接口(18)为系统提供电源；通过稳压电源(13)输出3.3V和5V的直流电源，为各个芯片、电机和传感器供电；
CAN总线(25)与CAN接口(8)连接，微控制器(15)通过CAN驱动器(14)与用于外部与机器人平台通信的CAN接口(8)连接，用于自动避障机器人平台与手持设备之间的无线通信的蓝牙通信模块(4)通过IO口与微控制器(15)连接；机器人平台和计算机通信使用用于传输命令和系统状态的USB接口(9)和RS-232接口(10)分别与微控制器(15)相连；微控制器(15)上留有用于功能模块扩展的IO功能口即IO扩展接口(11)；
用于显示系统状态，选择功能和参数的触摸屏(12)贴附在彩色液晶显示模块(5)的屏幕上，触摸屏(12)和彩色液晶显示模块(5)分别与微控制器(15)连接；每个超声波测距模块由信号调理电路(20)和超声波测距传感器(1)两部分连接组成，信号调理电路(20)连接到微控制器(15)控制管脚上；微控制器(15)通过直流电机调速模块(21)控制用于驱动移动小车(2)的直流减速电机(24)；微控制器(15)与用于实时采集环境温度的温度传感器(22)、用于播放声音提示信息的语音模块(23)、为移动小车(2)的转向提供动力的舵机(16)连接。
2.根据权利要求1所述的一种自动避障机器人平台，其特征在于：所述的超声波测距传感器(1)在移动小车(2)的车前后各安装4个，四个角各安装1个，在车的两侧各安装1个。
3.根据权利要求1所述的一种自动避障机器人平台，其特征在于：所述的微控制器(15)采用STM32F103芯片。
4.根据权利要求1所述的一种自动避障机器人平台，其特征在于：所述的手持设备包括手机、平板电脑。
5.根据权利要求1所述的一种自动避障机器人平台，其特征在于：所述的微控制器(15)最多可以连接16个超声波测距模块。 
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