管道探测智能车的制作方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明属于管道探测领域，涉及一种使用单片机智能控制算法来实现三维立体构图技术的探测智能车。
【背景技术】
[0002]超声波测距技术:由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
[0003]单片机控制技术:通过使用单片机，完成算法控制，使各部分元件在传感器接收到信息后能够做出相应反应，以及按照需求完成既定任务的技术。
【发明内容】
[0004]考虑前面的内容，本发明提供的是一种使用单片机智能控制算法来实现三维立体构图技术的探测智能车。
[0005]该智能车具有垂直转向的移动机构，由万向轮驱动，可在狭窄的位置转向。
[0006]并且该智能车还包括:传感系统，用于探测车周围的障碍物；探测系统，用于扫描管道的轮廓；存储部件，用于存储对管道扫描的数据；MATLAB软件，用于计算存储部件中管道的扫描数据，并进行三维立体绘图。通过以上各系统的协调工作，实现对管道内部轮廓构造的智能化呈现。
[0007]本发明的智能车可以全自动自由移动，根据红外传感器采集的障碍物信息，通过特定程序控制可以无需人为操控实现全自动自主避障行走。
[0008]本发明的智能车采用超声波探测技术，对光照条件没有要求，而且可以探测管道内的细微结构，通过超声波采集的数据，对管道轮廓进行三维立体绘制，可直观地展示管道的内部结构。
[0009]本发明的有益效果:区别于现有技术的情况，本发明的智能车可以忽略管道内光源条件的影响，显示出管道的轮廓，可以扫描出管道的表面漏洞，而且实现了全自动探测。介于以上功能，本智能车可为探洞运动提供可靠的洞内结构信息，可以电缆、天然气管道等管道的维修中有效提高工作效率以及减少损失。
【附图说明】
[0010]图1是本发明管道智能车的概貌。
[0011]图2是本发明管道智能车的侧视图。
[0012]图3是本发明管道智能车的俯视图。
[0013]图4是显示图1和图3中所示智能车的电路构成的方框图。
[0014]图5是显示图1到图4所示智能车的功能和所探管道三维图像重构顺序概要的流程图。
[0015]图6是显示图1到图4所示智能车的整体运行流程图。
[0016]图7是显示图1到图4所示智能车的避障动作运行流程图。
[0017]图8是显示图1到图4所示智能车的超声波扫描运行流程图。
【具体实施方式】
[0018]附图是本发明的实施例，下面结合附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0019]以下将描述本发明的实施例。
[0020]图1是本发明智能车的概貌图，图2是该智能车的侧视示意图，图3是本发明管道智能车的俯视图。
[0021]智能车100由作为移动机构提供的轮子101，步进电机102，控制部件、驱动部件103，超声波模块104，红外避障模块105，云台106，电池107，车架108，超声波模块支架109，红外避障模块支架110，云台连接轴111以及辅助轮102组成。红外避障模块105固定在红外避障模块支架110上，红外避障模块支架110则固定在云台106前端，并且看起来像虫子的触角。超声波模块104固定在超声波模块支架109上。云台106通过云台连接轴与步进电机102相连。
[0022]轮子101配合上辅助轮112使智能车100可以自由移动。电池107供给所有部件所需电源。控制部件和驱动部件103具有机器人的全部控制权。控制部件、驱动部件103的功能为驱动红外避障模块105、步进电机102、超声波模块104和云台106，并接收相应模块返回的信息来完成整个智能车100的全部功能。在本实施例中，控制部件、驱动部件103如图4所示的智能车电路功能框图中。
[0023]超声波模块104用来完成最主要的扫描管道功能，红外避障模块105则用于避障动作和路线选择功能，轮子101固定于步进电机102上，行进方向和距离可精确行进，这些全部通过电源、控制部件、驱动部件103来实现。
[0024]图4是显示图1到图3中所示智能车的电路构成的方框图。
[0025]图4显示了控制部件、驱动部件103上所装载的电源稳压模块、主控核心板、红外避障模块芯片、超声波模块芯片、步进电机驱动芯片和SD储存卡插槽，这些在图1到图3中没有显示。电源稳压模块用于提供安全可靠的工作电压，红外避障模块芯片、超声波模块芯片和步进电机驱动芯片用于接收主控板控制信息进而控制步进电机102，超声波模块104，红外避障模块105以及云台106的相应动作，并将获取的信息传回主控核心板。主控核心板则负责所有的控制，并通过SD卡槽中的SD卡储存相应的管道信息。
[0026]图5是显示图1到图4所示智能车的功能顺序概要的流程图。
[0027]智能车上电自检并初始化无异常后，将自动行进。
[0028]行进过程中，不断利用超声波进行管道形状信息扫描，同时扫描有无障碍物，根据障碍物，管道路线进行相应避障和转向动作，超声波扫描动作也进行相应处理。
[0029]当智能车到达轨道终点，检测出到达终点，停止相应检测功能、停止行进，取回智能车上存储有管道信息的SD卡。将获取的管道信息输入进上位机软件，绘制出管道形状，完成所探管道的三维图像重构。
[0030]图6是显示图1到图4所示智能车的整体运行流程图。
[0031]管道智能车开始进行上电后开始自检、初始化(步骤I);然后判断是否异常(步骤2)，若异常则跳转到步骤1，重新初始化，若无异常，给出指示信号，开始行进(步骤3);行进过程中不断进行管道的信息扫描，同时检测前方障碍物和行进路线(步骤4)，管道信息存储至SD卡，对不同障碍和路线情况进行不同处理，见图7和图8 ;最后行至终点，停止所有功能，进入待机状态(步骤5)。结束整个过程。
[0032]图7是显示图1到图4所示智能车的避障动作运行流程图。图7中的流程图详细显示了图6所示流程图中的步骤4中避障部分。
[0033]智能车100在行进过程中不断扫描是否遇到障碍物(步骤4.1.1);若没遇到障碍物重复步骤4.1.1，若遇到障碍物，则判断障碍方位、类型(步骤4.1.2)，根据障碍方位类型进行相应避障处理(步骤4.1.3);最后再进行终点判断(步骤4.1.4);若不为终点，则返回步骤4.1.1，若为终点，则结束。
[0034]图8是显示图1到图4所示智能车的超声波扫描运行流程图。图8中的流程图详细显示了图6所示流程图中的步骤4中超声波扫描部分。
[0035]智能车100在行进过程中不断循环扫描管道的形状信息并储存(步骤4.2.1);同样根据避障部分的判断(步骤4.2.2);若无障碍，返回步骤4.2.1，若遇到障碍，获取障碍信息(步骤4.2.3);超声波扫描模块根据障碍信息进行相应动作(步骤4.2.4);最后，根据信息判断是否为终点(步骤4.2.5);若为终点，则结束，若不为终点，返回步骤4.2.1。
[0036]参照附图，一种管道探测智能车，包括:
[0037]整车尺寸:长300mmX宽300mmX高150mm，由于步进电机的型号限制，本发明所用电池是12V锂电池，电池需充电。电路板中自带调压装置，可以将同一电压进行分流，调整以适应各元件所需电压。机身装有6块步进电机，一对正交编码器，一块超声波测距模块，四组红外线测距模块。同时360°的云台可以使超声波测距模块总能测到最合适的有限范围内。
[0038]工作原理
[0039]管道探测智能车进入管道前要先打开电源，通过人工的方式为智能车找到初始出发点，各类电机和传感器开始工作，本发明的电机均为步进电机，三种功能的步进电机，第一种功能是驱使万向轮运动，完成实际程序产生多少脉冲产生多少扭矩的精确控制；第二种是控制云台旋转，将步进电机置于云台底部，步进电机给予多大角度，将会产生多大角度的旋转；第三种是控制超声波测距模块，定时旋转180°，扫描智能车的上半空间的障碍物(管壁)到智能车的距离。通过数据存储技术，将所获得的数据自动转存到车上所带的SD卡中，然后随小车一起带出管道，在电脑中读取SD卡中的数据，然后用MATLAB软件自动生成三维立体构图。同时智能车还能够完成红外的避障功能，巧妙利用红外探测模块的有效张角是35°这一特性，使智能车能够更有效地完成对全障碍面的避障，云台会随之转动，使其上的超声波测距模块和红外避障模块随之发生转动。
[0040]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制，凡是依据本发明的结构作任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
【主权项】
1.一种探测管道、隧道等管道型空间轮廓的可自动移动的智能车，其具有: 主板，用于探测部件、存储部件、避障系统与行走机构的控制； 行走机构，用于使车体行走； 避障系统，用于使车自动躲避障碍，实现全自动行驶； 探测部件，用于扫描管道内壁结构数据； 存储部件，用于存储探测部件获得的数据。
2.根据权利要求1所述的智能车，其中， 探测部件采集管道内壁各点到智能车的距离，探测部件将采集的数据保存到存储部件，并且，避障部件(红外传感器)扫描车体附近的障碍物信息，通过信息的电信号控制行走机构避障。
3.根据权利要求1或2所述的智能车，其特征在于， 所述行走机构为轮式行走机构，编码器与车轮轴相连，其中， 探测部件与存储部件相连，编码器通过电路与主板相连，主板与步进电机相连，步进电机驱动车轮行走，车轮采用万向轮，可实现90°直角转向。
4.根据权利要求1或2或3所述的智能车，其特征在于， 所述智能车探测部件为超声波探测。
【专利摘要】本发明涉及一种使用单片机智能控制算法来实现三维立体构图技术的探测智能车。适用于探洞运动或电缆隧道、天然气管道的检修等特殊环境。通过特定程序控制智能车在管道中全自动自主避障行走，并对管道的内壁特征采样，通过智能算法对管道内壁三维立体构图，揭示管道内壁特征。
【IPC分类】G01B17-06, G05D1-02
【公开号】CN104535023
【申请号】CN201510041087
【发明人】张婷, 高桥, 冯惠源, 赵洋, 游清, 谢俊锋, 游振涛
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月27日