CN207164246U - 超声波避障惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了超声波避障惯性导航系统，包括惯性导航系统和超声波避障系统，所述超声波避障系统与惯性导航系统电连接，通过超声波避障系统探测载体的障碍物信息，并将障碍物信息发送至惯性导航系统，通过惯性导航结合惯性敏感元件信息和障碍物信息，计算导航参数，引导载体完成预定的移动任务，从而构建了一个集避障导航和惯性导航为一体的综合导航系统，实现了智能载体在未知或时变环境下的避障与导航定位。

Description

超声波避障惯性导航系统

技术领域

本实用新型涉及导航技术领域，尤其涉及超声波避障惯性导航系统。

背景技术

导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆等载体安全、准确地沿着选定的路线到达目的地的一种手段。惯性导航系统是利用惯性敏感器件、基准方向和初始的位置信息来确定载体的位置、速度和姿态的自主式导航系统。惯性导航系统完全依靠载体自身的设备进行导航，不依赖任何外部信息，也不向外部辐射能量，因此，它具有隐蔽性、全天候等优点，被广泛应用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种移动载体上应用的主要导航设备。但对于很多需要在未知或时变环境下自动移动的智能载体，在跟随导航自动移动时不可避免会遇到一些障碍物，如何在灵活、实时的避开这些障碍物的基础上进行导航成为当前需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种超声波避障惯性导航系统，构建一个集避障导航和惯性导航为一体的综合导航系统，实现智能载体在未知或时变环境下的避障与导航定位。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

超声波避障惯性导航系统，包括惯性导航系统和超声波避障系统，

所述超声波避障系统与惯性导航系统电连接，用于探测载体的障碍物信息，具体包括多路超声波换能器、选择开关、发射驱动放大电路、接收驱动放大电路、音频解码电路和从CPU，每一路超声波换能器均包括一个超声波发射器和一个超声波接收器；所述从CPU用于发出超声波发射指令和超声波换能器选择指令，并获取超声波换能器采集的检测数据，计算障碍物与载体之间的距离；所述超声波发射器与选择开关电连接，用于向外界辐射超声波；所述超声波接收器与选择开关电连接，用于接收从障碍物反射回来的超声波；所述选择开关与从CPU电连接，用于根据从CPU发送的指令选取某一路超声波换能器进行数据采集或控制；所述发射驱动放大电路与选择开关、从CPU均电连接，用于将从 CPU发出的超声波发射指令信号功率放大后驱动超声波发射器动作；所述接收驱动放大电路与选择开关、音频解码电路均电连接，用于将超声波接收器采集的检测数据进行放大滤波后发送至音频解码电路；所述音频解码电路与从CPU电连接，用于将放大后的超声波数据数字化后发送至从CPU；

所述惯性导航系统用于获取载体的导航参数，具体包括主CPU、加速度计、陀螺仪、信号调理电路和A/D转换电路；所述加速度计与信号调理电路电连接，用于获取载体相对于惯性空间的线运动的加速度；所述陀螺仪与信号调理电路电连接，用于获取载体相对于惯性空间的角运动的角速率；所述信号调理电路与A/D转换电路电连接，用于将加速度计、陀螺仪获取的载体的运动参数信号调理成A/D转换电路能够识别的信号；所述A/D转换电路与主CPU电连接，用于将信号调理电路输出的模拟量的运动参数信号转换为数字量发送至主CPU；所述主CPU与从CPU通讯，进行数据交换，获取障碍物与载体之间距离，结合载体的加速度和角速率，计算导航参数，引导载体完成预定的航行任务。

特别地，所述多路超声波换能器包括四路超声波换能器，分别设置于载体的前、后、左、右四个方向上，分别对载体的前、后、左、右四个方向上的障碍物信息进行探测。

特别地，所述每一路超声波换能器均靠近载体中心设置，每一路超声波换能器距离载体任一侧面的距离均大于等于该路超声波换能器的测距盲区。

特别地，所述惯性导航包括三个加速度传感器，所述加速度传感器采用 ADXL202E加速度传感器。

特别地，所述惯性导航包括三个陀螺仪，所述陀螺仪采用ADXRS612角速率传感器。

特别地，所述超声波避障惯性导航系统还包括GPS模块，所述GPS模块与主CPU通讯连接，用于获取GPS信号发送至主CPU。

特别地，所述主CPU和从CPU均采用MSP430F135单片机。

特别地，所述超声波避障系统还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路与从CPU电连接，用于引入温度补偿，消除温度对超声波避障系统精度产生的影响。

本实用新型提出了一种超声波避障惯性导航系统，构建了一个集避障导航和惯性导航为一体的综合导航系统，实现了智能载体在未知或时变环境下的避障与导航定位。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例1提供的超声波避障惯性导航系统结构框图。

图2为本实用新型实施例1提供的超声波发射器电路原理图。

图3为本实用新型实施例1提供的超声波接收器电路原理图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

如图1所示，图1为本实用新型实施例1提供的超声波避障惯性导航系统结构框图。

所述超声波避障惯性导航系统包括惯性导航系统和超声波避障系统，

超声波是一种频率在20KHz以上、人耳听不到的机械波，其波长较短，近似做直线传播。超声波具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处会发生发射现象，利用这一特性，本实施例通过超声波判断载体的有效探测范围内是否存在障碍物。所述超声波避障系统与惯性导航系统电连接，用于探测载体的障碍物信息，具体包括多路超声波换能器、选择开关、发射驱动放大电路、接收驱动放大电路、音频解码电路和从CPU。

为增强探测的全面性，以便更为准确的判断载体前后左右各个方向是否有障碍物，本实施例的优选实施方式为所述多路超声波换能器包括四路超声波换能器，分别设置于载体的前、后、左、右四个方向上，分别对载体的前、后、左、右四个方向上的障碍物信息进行探测。

超声波发射超声后必须经过一段时间才能接收返回的声波，如果障碍物距离太近，则传感器收不到返回的声波，故所述超声波换能器存在一定的测量盲区，该盲区通常为0.2米。为了抵消盲区造成的影响，本实施例的优选实施方式为所述四路超声波换能器均靠近载体中心设置，每路超声波换能器距离载体任一侧面的的距离均大于等于该路超声波换能器的测距盲区，这样可以借助载体本身的长度和宽度等几何参数来抵消盲区。

每一路超声波换能器均包括一个超声波发射器和一个超声波接收器。如图2 所示，图2为本实用新型实施例1提供的超声波发射器电路原理图。所述超声波发射器与选择开关电连接，向外界辐射超声波。如图3所示，图3为本实用新型实施例1提供的超声波接收器电路原理图。所述超声波接收器与选择开关电连接，接收从障碍物反射回来的超声波。所述从CPU发出超声波发射指令和超声波换能器选择指令，并获取超声波换能器采集的检测数据，计算障碍物与载体之间的距离。本实施例的优选实施方式为所述从CPU采用MSP430F135单片机。所述MSP430F135是TI公司推出的Flash系列的16位单片机，具有较高的处理速度、精简的指令集结构、丰富的寻址方式以及大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加运算。所述选择开关与从CPU电连接，CPU以特定的时间间隔循环向四路超声波发送器发出发送超声波指令，同时以特定的时间间隔对四路超声波接收器发出的数据进行采集。所述发射驱动放大电路与选择开关、从 CPU均电连接，将从CPU发出的超声波发射指令信号功率放大后驱动超声波发射器动作。所述接收驱动放大电路与选择开关、音频解码电路均电连接，将超声波接收器采集的检测数据进行放大滤波后发送至音频解码电路。所述音频解码电路与从CPU电连接，将放大后的超声波数据数字化后发送至从CPU。从CPU在特定的时间间隔内没有收到反射回来的超声波，则认为当前的探测距离内没有障碍物；若从CPU在特定的时间间隔内收到反射回来的超声波，则测量声波信号由发射至反射回波的整个运行时间，从而计算障碍物到载体的距离。

超声波在空气中的传播速度和温度有关，因此，为了获得较精确的声速，消除温度对超声波避障系统精度产生的影响，本实施例的优选实施方式为所述超声波避障系统设置温度补偿电路，所述温度补偿电路与从CPU电连接，引入温度补偿。

所述惯性导航系统通过惯性敏感元件测量载体相对于惯性空间的线运动和角运动参数，在给定初始条件下，推算出载体的姿态、方位、速度、位置等导航参数，引导载体完成预定的移动任务，具体包括主CPU、加速度计、陀螺仪、信号调理电路和A/D转换电路。所述加速度计与信号调理电路电连接，获取载体相对于惯性空间的线运动的加速度。本实施例的优选实施方式为所述惯性导航系统设置3个加速度传感器，所述加速度传感器采用ADXL202E加速度传感器。所述陀螺仪与信号调理电路电连接，获取载体相对于惯性空间的角运动的角速率。本实施例的优选实施方式为所述惯性导航包括设置3个陀螺仪或一个三轴稳定陀螺平台，所述陀螺仪采用ADXRS612角速率传感器。所述信号调理电路与 A/D转换电路电连接，将加速度计、陀螺仪获取的载体的运动参数信号调理成 A/D转换电路能够识别的信号。所述A/D转换电路与主CPU电连接，将信号调理电路输出的模拟量的运动参数信号转换为数字量发送至主CPU。所述主CPU与从 CPU经SPI通讯，进行数据交换，获取障碍物与载体之间距离，结合载体的加速度和角速率，计算导航参数，引导载体完成预定的航行任务。

本实施例的优选实施方式为所述主CPU采用MSP430F135单片机。

为防止惯性导航系统发生故障不能正常获取信号，本实施例的优选实施方式为所述超声波避障惯性导航系统还包括GPS模块，所述GPS模块与主CPU通讯连接，获取GPS信号发送至主CPU计算导航参数。

本实用新型的技术方案，通过超声波避障系统探测载体的障碍物信息，并将障碍物信息发送至惯性导航系统，通过惯性导航结合惯性敏感元件信息和障碍物信息，计算导航参数，引导载体完成预定的移动任务，从而构建了一个集避障导航和惯性导航为一体的综合导航系统，实现了智能载体在未知或时变环境下的避障与导航定位。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.超声波避障惯性导航系统，其特征在于，包括惯性导航系统和超声波避障系统，

所述超声波避障系统与惯性导航系统电连接，用于探测载体的障碍物信息，具体包括多路超声波换能器、选择开关、发射驱动放大电路、接收驱动放大电路、音频解码电路和从CPU，每一路超声波换能器均包括一个超声波发射器和一个超声波接收器；所述从CPU用于发出超声波发射指令和超声波换能器选择指令，并获取超声波换能器采集的检测数据，计算障碍物与载体之间的距离；所述超声波发射器与选择开关电连接，用于向外界辐射超声波；所述超声波接收器与选择开关电连接，用于接收从障碍物反射回来的超声波；所述选择开关与从CPU电连接，用于根据从CPU发送的指令选取某一路超声波换能器进行数据采集或控制；所述发射驱动放大电路与选择开关、从CPU均电连接，用于将从CPU发出的超声波发射指令信号功率放大后驱动超声波发射器动作；所述接收驱动放大电路与选择开关、音频解码电路均电连接，用于将超声波接收器采集的检测数据进行放大滤波后发送至音频解码电路；所述音频解码电路与从CPU电连接，用于将放大后的超声波数据数字化后发送至从CPU；

所述惯性导航系统用于获取载体的导航参数，具体包括主CPU、加速度计、陀螺仪、信号调理电路和A/D转换电路；所述加速度计与信号调理电路电连接，用于获取载体相对于惯性空间的线运动的加速度；所述陀螺仪与信号调理电路电连接，用于获取载体相对于惯性空间的角运动的角速率；所述信号调理电路与A/D转换电路电连接，用于将加速度计、陀螺仪获取的载体的运动参数信号调理成A/D转换电路能够识别的信号；所述A/D转换电路与主CPU电连接，用于将信号调理电路输出的模拟量的运动参数信号转换为数字量发送至主CPU；所述主CPU与从CPU通讯，进行数据交换，获取障碍物与载体之间距离，结合载体的加速度和角速率，计算导航参数，引导载体完成预定的航行任务。

2.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在于，所述多路超声波换能器包括四路超声波换能器，分别设置于载体的前、后、左、右四个方向上，分别对载体的前、后、左、右四个方向上的障碍物信息进行探测。

3.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在于，所述每一路超声波换能器均靠近载体中心设置，每一路超声波换能器距离载体任一侧面的距离均大于等于该路超声波换能器的测距盲区。

4.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航包括三个加速度传感器，所述加速度传感器采用ADXL202E加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航包括三个陀螺仪，所述陀螺仪采用ADXRS612角速率传感器。

6.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在于，还包括GPS模块，所述GPS模块与主CPU通讯连接，用于获取GPS信号发送至主CPU。

7.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在，所述主CPU和从CPU均采用MSP430F135单片机。

8.根据权利要求1所述的超声波避障惯性导航系统，其特征在，所述超声波避障系统还包括温度补偿电路，所述温度补偿电路与从CPU电连接，用于引入温度补偿，消除温度对超声波避障系统精度产生的影响。