CN212322113U

CN212322113U - 一种基于激光雷达的小车避障系统

Info

Publication number: CN212322113U
Application number: CN202021268430.9U
Authority: CN
Inventors: 段积杰; 李敏; 李永峰; 曹朝毓; 荣青; 李明辉; 范红凯; 谷志茹
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-01-08
Anticipated expiration: 2030-07-01

Abstract

本实用新型公布了一种基于激光雷达的小车避障系统，它包括小车底盘，所述小车底盘包括履带式执行机构，所述履带式执行结构连接有电机；所述小车底盘上方设置有用于控制小车运动的主控板；还公布了一种基于激光雷达的小车避障系统，它由上位机、下位机和电源模块组成；本实用新型装置结构紧凑，运转可靠，同时其系统可以实现自动导航避障、周围环境检测、自主规划路径和构建电子地图功能。

Description

一种基于激光雷达的小车避障系统

技术领域

本实用新型属于智能移动机器人技术领域，具体为一种基于激光雷达的小车避障系统。

背景技术

智能移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，其关键技术包含了多传感器技术、信息处理与融合技术、自动控制理论及人工智能技术等，是典型的高新技术综合体。移动机器人实现智能化和自主性的基础时能够获得精确的定位与导航。自主导航技术是移动机器人研究的核心，它指的是机器人通过自身携带的传感器设备来感知周围环境和自身的状态，同时能够在身处障碍物的空间中自主地规划出一条最优路径，从而实现由起始点（位置）到目标点（位置）的无障碍行进。发达国家早在上世纪已经成立了机器人技术相关的科研机构，其中很大一部分研究偏向于移动机器人技术，特别是相关高校在移动机器人领域已经取得诸多成果，并不断取得新的研究进展。国内相关研究起步较晚，但近几年发展迅速，并已经在世界范围内形成了较大的影响力。

智能小车正是模仿机器人的一种尝试。它是一种以汽车电子为背景，涵盖多学科的科技创新性设计，一般主要由环境感知、路径规划、自主决策与控制等模块组成。这种智能小车能够自动搜寻前进路线，感知前方的障碍物，并自动寻找前进方向,实现自主避障。在运动平面上具有前后、左右和自转的移动能力，可以实现转弯半径为零的旋转或在保持机器人姿态不变的情况下向任何方向移动，因此也可以称为是全向移动机器人。全向移动机器人的典型结构包括麦克纳姆轮、同心转向轮、偏心转向轮等。

目前基于麦克纳姆轮和主动偏转脚轮的全向移动机器人已经发展的较为完善，但也存在固有缺点。麦克纳姆轮的被动辊子交替接触地面，辊子不断收到地面的冲击会导致机器人颠簸和打滑，另外辊子受力较大，在长时间运行后后轮体变形和磨损情况也比较严重；转向轮组机器人在直线运动时，转向驱动结构不输出功率，成为额外的负载，能量消耗较大。同时麦克纳姆轮和转向轮结构的全向移动机器人负载能力有限，往往通过增加轮组的方法加强其载重能力，但增加了系统复杂度和控制难度。

在当前智能导航小车技术领域，自主定位导航是赋予机器人感知和行动能力的关键因素。传统的移动机器人一般采用轨道引导或遥控的方式运行，其控制方式较为简单，智能化程度不高；常用的视觉定位导航、超声波定位导航、红外线定位导航、iBeacon定位导航及灯塔定位导航等方法在稳定性、可靠性及高性能方面有所不足。同时小车自主导航系统普遍存在的定位精度不够高，移动平台通用性差，相关研究成果难以扩展等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上问题，提供一种基于激光雷达的小车避障系统，它装置结构紧凑，运转可靠，同时其系统可以实现自动导航避障、周围环境检测、自主规划路径和构建电子地图功能。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于激光雷达的避障小车，它包括小车底盘，所述小车底盘包括履带式执行机构，所述履带式执行机构连接有电机；所述小车底盘上方设置有用于控制小车运动的主控板；所述小车底盘前方设置有超声波感应装置和AGV传感器；所述小车底盘上方一侧设置有zigbee天线；所述主控板顶部设置有顶盖。

进一步的，所述主控板由驱动板、核心控制板和传感板组成。

一种基于激光雷达并应用于避障小车的避障系统，它由上位机、下位机和电源模块组成，所述电源模块连接有上位机和下位机，所述上位机包括用于搭建软件架构和安装硬件驱动的操作系统，所述上位机通过串口通信模块与下位机相连；所述下位机包括核心控制模块，所述核心控制模块连接有移动控制模块和信息采集模块；所述移动控制模块连接有履带式驱动。

进一步的，所述移动控制模块包括电机控制器和编码器，所述电机控制器和编码器连接有电机，所述电机连接有履带式驱动；所述编码器与信息采集模块中的里程计相连。

进一步的，所述信息采集模块包括惯性测量单元和激光雷达；所述信息采集模块还包括有里程计，所述里程计与移动控制模块中的编码器相连。

进一步的，所述核心控制模块为STM32控制器，所述STM32控制器的主控芯片型号为STM32F103RCT6。

进一步的，所述电源模块包括用于给上位机供电的MP2307DN-5V供电模块、用于给STM32控制器供电的AMS1117-3.3V供电模块和用于给移动控制模块与信息采集模块供电的AMS1117-5V供电模块。

进一步的，所述上位机为树莓派3B，所安装的操作系统为Ubuntu16.04，用于搭建ROS自主导航的软件架构以及安装硬件驱动。

进一步的，所述惯性测量单元包括陀螺仪ITG3205、弱磁传感器芯片HMC5883L和三轴加速计ADXL345。

进一步的，所述电机控制器为驱动芯片TB6612FNG。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型将STM32F103作为主控芯片，采用激光雷达获取周围环境点云信息，并将这些点云信息映射为三维栅格空间地图；通过惯性测量单元IMU获取智能小车的位姿信息，并结合里程计信息实现对小车的运动控制。通过加载障碍物检测、激光扫描、串口连接、主控板，对驾驶机器人的状态及位置进行测量，并将测量数据传输到主控板，然后由主控板根据所测得的各组数据，对智能驾驶机器人进行智能控制。

2、本实用新型装置中小车底盘的驱动模式采用的是履带式驱动，相较于麦克纳姆轮和普通四驱的模式，更适于多种道路，特别是崎岖不平的道路，采用履带式驱动的小车，其效果相比其他驱动模式的小车要更好。

3、本实用新型系统为了提高机器人的通用性和智能化程度，设计并使用多履带全向移动机器人在ROS 中的控制与数据解析节点，并对ROS 中的相关功能包进行配置，实现机器人基于激光雷达的即时定位与地图构建，完成机器人的自主导航与避障。采用ROS 框架可以使机器人变得更加智能与规范，可以接入更多的传感器和执行机构，使得机器人拓展性大大增强。通过ROS与新型全向移动设计方案结合，能够更深入的研究被动转向机制的控制方法，可以拓展全向移动机器人应用范围。。

4、本实用新型系统中电机控制器采用TB6612FNG作为电机驱动芯片。相比L293D每通道平均600 mA的驱动电流和1.2 A的脉冲峰值电流，它的输出负载能力提高了一倍。相比L298N的热耗性和外围二极管续流电路，它无需外加散热片，外围电路简单，只需外接电源滤波电容就可以直接驱动电机，利于减小系统尺寸。

5、本实用新型系统中激光雷达采用思岚科技的RPLIDAR A1[2]进行定位导航。其采用激光三角测距技术，配合自主研发的高速视觉采集处理机构，可进行每秒高达8000次以上的测距动作。每次测距过程中，RPLIDAR A1将发射经过调制的红外激光信号，该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被RPLIDAR A1的视觉采集系统接受。经过嵌入在其内部的DSP处理器实时计算，被照射到的目标物体与RPLIDAR A1的距离之以及当前的夹角信息将从通讯接口输出。激光雷达凭借良好的指向性和高度聚焦性，使得激光雷达+SLAM技术相结合的激光SLAM成为主流定位导航方式。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构图。

图2为本实用新型系统的系统结构框图。

图3为本实用新型系统的系统功能框架图。

图4为本实用新型系统中电机控制器的模块原理图。

图5为本实用新型系统中串口通信模块的原理图。

图6为本实用新型系统中ROS导航规划层框架图。

图中：1、小车底盘；2、主控板；3、超声波感应装置；4、AGV传感器；5、天线；6、顶盖；101、履带式执行机构；102、电机。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图6所示，本实用新型的具体结构为：一种基于激光雷达的避障小车，它包括小车底盘1，所述小车底盘1包括履带式执行机构101，所述履带式执行机构101连接有电机102；所述小车底盘1上方设置有用于控制小车运动的主控板2；所述小车底盘1前方设置有超声波感应装置3和AGV传感器4；所述小车底盘1上方一侧设置有zigbee天线5；所述主控板2顶部设置有顶盖6。

优选的，所述主控板2由驱动板、核心控制板和传感板组成。

优选的，所述移动控制模块包括电机控制器和编码器，所述电机控制器和编码器连接有电机，所述电机连接有履带式驱动；所述编码器与信息采集模块中的里程计相连。

优选的，所述信息采集模块包括惯性测量单元和激光雷达；所述信息采集模块还包括有里程计，所述里程计与移动控制模块中的编码器相连。

优选的，所述核心控制模块为STM32控制器，所述STM32控制器的主控芯片型号为STM32F103RCT6。

优选的，所述电源模块包括用于给上位机供电的MP2307DN-5V供电模块、用于给STM32控制器供电的AMS1117-3.3V供电模块和用于给移动控制模块与信息采集模块供电的AMS1117-5V供电模块。

优选的，所述上位机为树莓派3B，所安装的操作系统为Ubuntu16.04，用于搭建ROS自主导航的软件架构以及安装硬件驱动。

优选的，所述惯性测量单元包括陀螺仪ITG3205、弱磁传感器芯片HMC5883L和三轴加速计ADXL345。

优选的，所述电机控制器为驱动芯片TB6612FNG。

优选的，所述串口通信模块采用CH340G芯片。

优选的，所述激光雷达为思岚A1激光雷达。

本系统分为上位机和下位机两部分，二者互相协作实现各功能。上位机通过激光雷达获取周围环境信息，生成电子地图用于小车导航避障，当用户设定目标终点后，一方面通过IMU模块获取小车实时的位姿信息和在当前电子地图的所处的坐标信息，另一方面通过捕获电机编码器的PWM波来获取小车行驶的里程计信息，并且通过驱动板输出的PWM波控制小车电机的转速，从而达到控制小车行进的速度和方向，小车驱动板收集这些信息通过串口传输给上位机进行处理，实时更新小车在当前电子地图中小车的位置信息，上位机通过串口向小车驱动板发送指令驱动小车向目标终点行驶。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于激光雷达的小车避障系统，它由上位机、下位机和电源模块组成，所述电源模块连接有上位机和下位机，其特征在于，所述上位机包括用于搭建软件架构和安装硬件驱动的操作系统，所述上位机通过串口通信模块与下位机相连；所述下位机包括核心控制模块，所述核心控制模块连接有移动控制模块和信息采集模块；所述移动控制模块连接有履带式驱动。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述移动控制模块包括电机控制器和编码器，所述电机控制器和编码器连接有电机，所述电机连接有履带式驱动；所述编码器与信息采集模块中的里程计相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述信息采集模块包括惯性测量单元和激光雷达；所述信息采集模块还包括有里程计，所述里程计与移动控制模块中的编码器相连。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述核心控制模块为STM32控制器，所述STM32控制器的主控芯片型号为STM32F103RCT6。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述电源模块包括用于给上位机供电的MP2307DN-5V供电模块、用于给STM32控制器供电的AMS1117-3.3V供电模块和用于给移动控制模块与信息采集模块供电的AMS1117-5V供电模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述上位机为树莓派3B，所安装的操作系统为Ubuntu16.04，用于搭建ROS自主导航的软件架构以及安装硬件驱动。

7.根据权利要求3所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括陀螺仪ITG3205、弱磁传感器芯片HMC5883L和三轴加速计ADXL345。

8.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的小车避障系统，其特征在于，所述电机控制器为驱动芯片TB6612FNG。