CN204759199U - 一种自动导航智能避障小车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动导航智能避障小车，主要连接关系如下：第一处理器模块控制电机驱动模块，电机驱动模块控制直流电机；第一处理器模块控制避障模块；导航模块信息送给第一处理器模块，第一处理器模块经数据处理后通过第一无线模块将该信息发送给第二无线模块，第二无线模块接收到信息后通过第二处理器模块数据处理后发送给上位机。同时上位机也可将目的坐标信息传送给第二处理器模块进行数据处理，数据处理后的信息经第二无线模块传送给第一处理器模块，再利用导航模块导航；信息采集模块采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内。本实用新型所述智能小车自动导航能力强，避障范围广，且系统成本低廉，适用于环境恶劣的场合代替人类完成既定任务。

Description

一种自动导航智能避障小车

技术领域

本实用新型属于智能机器人技术领域，涉及一种能自动导航、智能避障和视频采集的智能小车。

背景技术

20年代末期世界经济、科技大发展，催生了很多高科技产物，机器人就是在这个时代的大潮中产生的。世界上第一台能够自主移动的机器人是由美国斯坦福研究院（SRI）在1968年到1972年间研制出的，它的产生开启了移动机器人研究的大门。四十多年来，随着时代和科技的不断进步，特别是计算机技术和人工智能的飞速发展，移动机器人的研究发展也得到了长足的进步。移动机器人以其自主行动、感知和“思考”等特点在军事、搜救、探险、宇宙探测等领域都发挥着不可替代的作用，帮人们做了很多繁琐、高强度、高危险的工作。

智能车是移动机器人技术的一个重要分支，是一个综合了控制操作、环境感知和决策规划等功能的智能体。它的研究涉及计算机、动力学、运动学、信息处理、人工智能等多个领域，因此又可被称为高技术综合体的“轮式移动机器人”。智能车技术依靠安装在车体上的传感器来感知周围环境，并根据GPS等装置来定位及定向，然后把这些数据传送给智能车处理器，处理器在综合分析处理过这些数据后，向智能车机械部件发送动作指令，保证智能车安全、合理、可靠的行驶。和移动机器人一样，随着计算机技术、人工智能和传感器技术等高新科技的发展，智能车技术也得到了飞速发展，特别是智能交通系统ITS(IntelligentTransportationSystem)兴起之后，智能车的研究发展达到了高潮。现阶段，经过各国科学家的不断努力，智能车已经更加智能化，具有了自主判断和决策能力，可以根据周围环境的变化自主做出迅速、正确的反应。

目前已实现的智能机器人，大部分研究均是针对某一方面的深化研究，很少有从整体上对智能机器人的避障导航性能进行改进，本方案从环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行三个方面来设计构建实体智能机器人，采用环境感知、自动导航的组合定位的方法，实现智能小车的自动导航与避障。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种自动导航智能避障小车。

本实用新型采用以下方案实现：一种自动导航智能避障小车，它包括电源稳压模块、电机驱动模块、四个直流电机、避障模块、信息采集模块、导航模块、第一无线模块、第二无线模块、第一处理器模块、第二处理器模块、上位机、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：第一处理器模块连接电机驱动模块后与直流电机相连接；第一处理器模块连接避障模块、信息采集模块、导航模块和第一无线模块；第二处理器模块连接第二无线模块与上位机；电源稳压模块分别为电机驱动模块、避障模块、信息采集模块、导航模块、第一无线模块、第二无线模块、第一处理器模块、第二处理器模块提供电压；第一无线模块可向第二无线模块发送信号或接受第二无线模块发来的信号；小车采用坦克履带式智能小车底盘。

所述第一处理器模块控制避障模块扫描自动导航智能小车前方的障碍物，导航模块每间隔5秒采集系统的当前坐标与前进方向信息并送给第一处理器模块，第一处理器模块的数据处理后通过第一无线模块将该信息发送给第二无线模块，第二无线模块接收到信息后通过第二处理器模块数据处理后发送给上位机；同时上位机也可将目的坐标信息传送给第二处理器模块，数据处理后的信息经第一无线模块和第二无线模块后传送给第一处理器模块，再利用导航模块导航，信息采集模块固定在自动导航智能小车上，采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内；小车底盘采用坦克履带式智能小车底盘。

所述第一处理器模块和第二处理器模块均采用STM32F103。系统工作稳定、抗干扰能力强。

所述电源稳压模块包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1。具体连线方法如图2所示：VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联，LED为电源指示灯。该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源，给导航模块、无线模块、第一处理器模块提供3.3V电压，给避障模块、信息采集模块、电机驱动模块的提供5V电压。

所述的电机驱动模块包括两个图3所示驱动电路，每个驱动电路驱动两个直流电机，每个驱动电路包括：L298N（U5）、四个光耦合器、四个LED、八个二级管、四个电容，八个电阻。具体连接方法如图3所示：L298N的4号引脚接VDD，VDD接锂电池正极，再分别与瓷片电容C2，电解电容C4连接后接地；9号引脚接VCC，并与电解电容C3、瓷片电容C1连接后接地；2号、3号、13号、14号分别与D1、D2、D3、D4相连后接VCC，与D5、D6、D7、D8相连接；VCC接+5V电压；2号、3号引脚和13号、14号引脚分别和两个直流电机相连；1号、8号和15号引脚接地；6号和11号引脚接第一处理器模块,；5号、7号、10号、12号分别与光耦合器U1、U2、U3、U4接收端相连，光耦合器经过LED后与第一处理器模块连接，通过LED，可以直接观察第一处理器模块发给L298N的电平信号；U1、U2、U3、U4分别与R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相连后接VCC。该模块采用光耦合器后，系统工作稳定，抗干扰能力强；在VDD与地间增加C2、C4的并联电容后，消除了尖峰电压对直流电机的影响。

所述的避障模块包括E18-D80NK红外避障传感器与P0050舵机E18-D80NK与P0050分别与第一处理器模块连接，如图5所示。当遇到障碍物时，红外避障传感器接收到低电平，调用舵机扫描前面的障碍物，可以快速的找到无障碍通道。

所述的信息采集模块包括航拍摄像模块与内存卡。将摄像头固定在智能避障自动导航小车上，航拍摄像模块与第一处理器模块连接，如图6所示，由第一处理器模块控制航拍摄像模块拍摄的启动或者停止。由于摄像信息不发送给上位机，而是储存在其内存卡上，因而小车可实现远程或者在通讯环境较差的地面进行探测。

所述的导航模块包括U-BLOXNEO-6M模块(GPS模块)与电子罗盘HMC5883L。U-BLOXNEO-6M和HMC5883分别与第一处理器模块连接。GPS模块自带高性能无源陶瓷天线，并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存）。霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。当小车启动时，小车可以自己调整方向，使车头朝北，在行驶过程中，可以保证车头前进的方向。

所述小车底盘是采用坦克履带式智能小车底盘。负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。

所述的上位机软件采用visualbasic软件实现数据的接收、显示与发送。

所述的第一无线模块、第二无线模块均使用NRF24L01芯片，分别与第一处理器模块、第二处理器模块相连接。通过处理器模块控制无线模块的发射与接收。NRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4~2.5GHz的ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01芯片的能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时的工作电流只有18mA，它具有多种低功率工作模式，节能环保。

所述处理器模块采用的芯片是STM32F103。

本实用新型的有益效果：（1）采用了GPS与电子罗盘组合导航方式，成本低而导航精度高，自动导航能力强，相对现有的自动导航小车，无需人工初始化启动方向；（2）采用红外避障传感器与舵机想结合的避障方式，相对于现有的超声波避障模块成本低，占用处理器模块的内存少，系统更稳定，扫描范围更大，避障范围广；（3）嵌入了摄像头，使得用户对小车周围环境有更加直观的感知，具备存储性；（4）采用了履带式底盘，负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。（5）适用范围及推广前景：本系统主要适用于对人类具有威胁的、环境恶劣的场合，能代替人类完成既定任务。例如，本系统可以运用在灾后援救工作，通过对小车自动或手动导航，使小车到达既定地点完成特定任务；自动导航智能车代替人类从事农业活动，进一步解放生产力，例如田间数据采集、农药施肥、农田灌溉等，从而推动科技农业化进程。由于系统成本低廉，应用价值高，值得推广应用。

附图说明

图1为本实用新型系统结构框图。

图2为本实用新型电源稳压电路原理图。

图3为本实用新型电机驱动电路原理图。

图4为本实用新型导航模块结构框图。

图5为本实用新型避障模块结构框图。

图6为本实用新型信息采集模块结构框图。

在图中，1、第一处理器模块，2、电机驱动模块，3、直流电机，4、避障模块，5、信息采集模块,6、导航模块,7、第一无线模块，8、第二处理器模块，9、第二无线模块，10、上位机，11、电源稳压模块。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图对本实用新型的实施方式作进一步阐明。

下面结合附图对本发明的结构、工作原理及工作过程进行详细说明：

自动导航智能避障小车整体框图如图1所示，其包括：电源稳压模块（11）、电机驱动模块（2）、四个直流电机（3）、避障模块（4）、信息采集模块（5）、导航模块（6）、第一无线模块（7）、第二无线模块（9）、第一处理器模块（1）、第二处理器模块（8）、上位机（10）、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：第一处理器模块（1）连接电机驱动模块（2）后与直流电机（3）相连接；第一处理器模块（1）连接避障模块（4）、信息采集模块（5）、导航模块（6）及第一无线模块（7）；第二处理器模块（8）连接第二无线模块（9）与上位机（10）；小车采用坦克履带式底盘。第一处理器模块（1）控制避障模块（4）扫描自动导航智能小车前方的障碍物，定位器采集模块每间隔5秒采集系统的当前坐标与前进方向信息并送给第一处理器模块（1），第一处理器模块（1）的数据处理后通过第一无线模块（7）将该信息发送给第二无线模块（9），第二无线模块（9）接收到信息后通过第二处理器模块（8）数据处理后发送给上位机（10）。同时上位机（10）也可将目的坐标信息传送给第二处理器模块（8），数据处理后的信息经无线模块传送给第一处理器模块（1），再利用导航模块导航，信息采集模块（5）固定在自动导航智能小车上，采集周围信息，并将信息存入与之相连的存储卡内；小车底盘采用坦克履带式智能小车底盘。其中第一处理器模块（1）和第二处理器模块（8）均采用STM32F103。系统工作稳定、抗干扰能力强。

如图2所示，所述电源稳压模块11包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1。具体连线方法：VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联。LED为电源指示灯，该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源，给导航模块、无线模块、第一处理器模块提供3.3V电压，给避障模块、信息采集模块、电机驱动模块的提供5V电压。

如图3所示，所述的电机驱动模块2包括两个图3所示驱动电路，每个驱动电路驱动两个直流电机，图3所示电机驱动模块包括：L298N（U5）、四个光耦合器、四个LED、八个二级管、四个电容，八个电阻。具体连接方法：L298N的4号引脚接VDD，VDD接锂电池正极，再分别与瓷片电容C2，电解电容C4连接后接地；9号引脚接VCC，并与电解电容C3、瓷片电容C1连接后接地；2号、3号、13号、14号分别与D1、D2、D3、D4相连后接VCC，与D5、D6、D7、D8相连接；VCC接+5V电压；2号、3号引脚和13号、14号引脚分别和两个直流电机相连；1号、8号和15号引脚接地；6号和11号引脚接第一处理器模块,；5号、7号、10号、12号分别与光耦合器U1、U2、U3、U4接收端相连，光耦合器经过LED后与第一处理器模块连接，通过LED，可以直接观察第一处理器模块发给L298N的电平信号；U1、U2、U3、U4分别与R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8相连后接VCC。该模块采用光耦合器后，系统工作稳定，抗干扰能力强；在VDD与地间增加C2、C4的并联电容后，消除了尖峰电压对直流电机的影响。

如图4所示，所述的导航模块6包括U-BLOXNEO-6M模块(GPS模块)与电子罗盘HMC5883L。U-BLOXNEO-6M和HMC5883分别与第一处理器模块连接。GPS模块自带高性能无源陶瓷天线，并自带可充电后备电池（以支持温启动或热启动，后备电池在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS接收数据保存）。霍尼韦尔HMC5883L是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。当小车启动，小车可以自己调整方向，使车头朝北，在行驶过程中，可以保证车头前进的方向。

如图5所示，所述的避障模块4包括E18-D80NK红外避障传感器与P0050舵机。E18-D80NK与P0050分别与第一处理器模块连接。当遇到障碍物时，红外避障传感器接收到低电平，调用舵机扫描前面的障碍物，可以快速的找到无障碍通道。

如图6所示，所述的信息采集模块5包括航拍摄像模块与内存卡。将摄像头固定在智能避障自动导航小车上，航拍摄像模块与第一处理器模块连接，由第一处理器模块控制航拍摄像模块拍摄的启动和停止。由于摄像信息不发送给上位机，而是储存在其内存卡上，因而小车可实现远程或者在通讯环境较差的地面进行探测。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述小车底盘是采用坦克履带式智能小车底盘。负重能力强，能在较为复杂的路面行驶。

所述的自动导航智能小车，其特征是：所述的上位机10软件采用visualbasic软件实现数据的接收、显示与发送。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述的第一无线模块、第二无线模块均使用NRF24L01芯片，分别与第一处理器模块、第二处理器模块相连接。通过处理器模块控制该模块接收与发射。NRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4~2.5GHz的ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01芯片的能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时的工作电流只有18mA，它具有多种低功率工作模式，节能环保。

所述的自动导航智能避障小车，其特征是：所述处理器模块采用的芯片是STM32F103。

本智能小车的具体操作步骤：打开小车电源后，操作者只需在上位机上输入目标点的经纬度，按下“出发”键，则小车开始启动自动导航，利用电子罗盘和GPS模块，判断前进的方向，通过目的地经纬度与小车所在地的经纬度对比，从而引导小车行驶，当红外无线传感器接收到信号，则小车遇到障碍，调用避障程序，舵机开始带动红外传感器扫描，快速的找到无障碍通道，通过障碍后，小车再调整到遇到障碍物前的前进方向，再利用导航模块导航，小车运行的过程中我们可以通过切换上位机的窗口，直观了解小车当前的经纬度、运动轨迹等信息。

Claims (6)

1.一种自动导航智能避障小车，它包括电源稳压模块、电机驱动模块、四个直流电机、避障模块、信息采集模块、导航模块、第一无线模块、第二无线模块、第一处理器模块、第二处理器模块、上位机、坦克履带式智能小车底盘，其特征是：第一处理器模块连接电机驱动模块后与直流电机相连接；第一处理器模块连接避障模块、信息采集模块、导航模块和第一无线模块；第二处理器模块连接第二无线模块与上位机；电源稳压模块分别为电机驱动模块、避障模块、信息采集模块、导航模块、第一无线模块、第一处理器模块提供电压；第一无线模块可向第二无线模块发送信号或接受第二无线模块发来的信号；小车采用坦克履带式智能小车底盘。

2.根据权利要求1所述的一种自动导航智能避障小车，其特征是：所述电源稳压模块包括LM7805（U1）、ASM1117(U2)，1300mah锂电池，电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R1和LED发光管D1，VDD接锂电池正极，GND接负极，LM7805的1号引脚分别与电解电容C1，瓷片电容C2连接，2号引脚接地，3号引脚分别与瓷片电容C3、电解电容C4连接后与ASM1117的1号引脚连接，ASM1117的2号引脚接地，3号引脚与电解电容C5、瓷片电容C6连接，R1串联D1后与C6并联，LED为电源指示灯，该电源稳压模块可输出5V与3.3V的稳压电源。

3.根据权利要求1所述的一种自动导航智能避障小车，其特征是：所述的避障模块包括E18-D80NK红外避障传感器与P0050舵机，E18-D80NK与P0050分别与第一处理器模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种自动导航智能避障小车，其特征是：所述的信息采集模块包括航拍摄像模块与内存卡，将摄像头固定在自动导航智能避障小车上，航拍摄像模块与第一处理器模块连接。

5.根据权利要求1所述的一种自动导航智能避障小车，其特征是：所述的导航模块包括U-BLOXNEO-6M模块与电子罗盘HMC5883L，U-BLOXNEO-6M和HMC5883分别与第一处理器模块连接。

6.根据权利要求1所述的一种自动导航智能避障小车，其特征是：所述的第一无线模块和第二无线模块均采用NRF24L01芯片，分别与第一处理器模块、第二处理器模块相连接。