环卫智能小车及其控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种环卫智能小车及其控制系统，包括车体，所述车体上装设有随车电控部分，电控部分包括核心控制器，用于接收图像数据、超声波传感器测距信息，小车当前加速度等状态反馈信息，并对这些信息进行综合的处理，输出适当的控制量来对舵机与驱动电机进行控制。本发明可实现指定区域定时巡逻，清洁地面垃圾，使地面随时保持清洁,而且该智能小车的应用还可将大量的劳动力从重复性工作中解放出来，实现高效持续性发展；遵循简洁的原则，切合了节能环保、可持续发展的绿色要求。
【专利说明】环卫智能小车及其控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种智能小车，尤其涉及一种环卫智能小车及其控制系统。
【背景技术】
[0002]随着时代的发展，经济的腾飞，我国综合国力不断增强，人民的生活水平也在不断提高。汽车，作为人类工业革命的产物，正在日趋成为我们生活中不可或缺的代步工具。在汽车数量在与日俱增的今天，车辆的种类也有了很大的丰富，救护车，运输车，铺路车，搭桥车，推土车，挖掘车，清障车等等。现代社会中这些功能各异的车辆在不同领域发挥着极为重要的作用，大大加快了人类的现代化进程。
【发明内容】
[0003]针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种环卫智能小车及其控制系统。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:一种环卫智能小车，包括车体，所述车体上装设有随车电控部分，电控部分包括
核心控制器，用于接收图像数据、超声波传感器测距信息，小车当前加速度等状态反馈信息，并对这些信息进行综合的处理，输出适当的控制量来对舵机与驱动电机进行控制；图像采样模块，用于获取场景的图像数据；
超声波测距仪，用于测量与障碍物之间的距离；
电机驱动模块，分别用于实现小车的电机驱动和转向控制；
舵机管理模块，用于小车换向控制；
辅助调试模块，用于小车控制系统的程序烧写，功能调试和测试以及小车状态监控，系统参数和运行策略设置；
电源管理模块负责为上述各模块供电；
还包括后轮驱动模块和机械臂驱动模块，所述核心控制器经电机驱动模块分别与后轮驱动模块和机械臂驱动模块电连接，所述图像采样模块、超声波测距仪、电机驱动模块、舵机管理模块、辅助调试模块和电源管理模块分别与核心控制器电连接。
[0005]作为优选，图像采样模块包括AD模块(S12XS128)，外围视频分离芯片(LM1881)电路以及摄像头，所述摄像头获取场景的图像数据，经外围视频分离芯片和AD模块做进一步分析处理。
[0006]作为优选，核心控制器为MC9S12XS128单片机。
[0007]作为优选，舵机管理模块包括舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路，通过舵盘内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号。
[0008]作为优选，超声波测距模块为SRF05超声波传感器。
[0009]作为优选，后轮驱动模块采用两片BTS7960构成全桥电路来驱动电机，使其完成正反转。
[0010]环卫智能小车控制系统，包括系统初始化、数据采集、信息处理、控制策略等相关模块；
系统初始化针对各个模块的所需完成相应寄存器的配置；
数据采集包括摄像头图像信号采集、超声波测距；
信息处理主要完成对上述数据的相关分析处理，识别出各种不同的标识，判断出车所处的当前状态等；
控制部分针对信息处理的结果给出相应的控制指令。
[0011]与现有技术相比，本发明的优点在于:可实现指定区域定时巡逻，清洁地面垃圾，使地面随时保持清洁。而且该智能小车的应用还可将大量的劳动力从重复性工作中解放出来，实现高效持续性发展；遵循简洁的原则，切合了节能环保、可持续发展的绿色要求，同时采取某些艺术元素来提高车辆的美观性，体现其新时代的气息。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的第一种电源原理图；
图3为本发明的第二种电源原理图；
图4为本发明的第三种电源原理图；
图5为本发明的摄像头视频信号原理图；
图6为本发明的LM1881接口电路图；
图7为本发明的视频分离电路原理图；
图8为本发明的舵机管理模块的脉宽与转角线性关系图；
图9为本发明的电机驱动模块的BTS7960驱动电路图；
图10为本发明的电机驱动模块的L298驱动电路图；
图11为本发明的图像采样流程图；
图12为本发明的摄像头拍摄的图像示意图；
图13为本发明的控制系统的IengthO的流程图；
图14为本发明的控制系统的widthO的流程图；
图15为本发明的控制系统的start_line()的流程图。
【具体实施方式】
[0013]下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0014]作为本发明的一种实施方式，参阅图1，本发明包括车体，所述车体上装设有随车电控部分，电控部分包括
核心控制器，用于接收图像数据、超声波传感器测距信息，小车当前加速度等状态反馈信息，并对这些信息进行综合的处理，输出适当的控制量来对舵机与驱动电机进行控制；图像采样模块，用于获取场景的图像数据；
超声波测距仪，用于测量与障碍物之间的距离；
电机驱动模块，分别用于实现小车的电机驱动和转向控制；
舵机管理模块，用于小车换向控制；
辅助调试模块，用于小车控制系统的程序烧写，功能调试和测试以及小车状态监控，系统参数和运行策略设置；
电源管理模块负责为上述各模块供电；
还包括后轮驱动模块和机械臂驱动模块，所述核心控制器经电机驱动模块分别与后轮驱动模块和机械臂驱动模块电连接，所述图像采样模块、超声波测距仪、电机驱动模块、舵机管理模块、辅助调试模块和电源管理模块分别与核心控制器电连接。
[0015]图像采样模块包括AD模块(S12XS128)，外围视频分离芯片(LM1881)电路以及摄像头，所述摄像头获取场景的图像数据，经外围视频分离芯片和AD模块做进一步分析处理。
[0016]核心控制器为MC9S12XS128单片机。
[0017]舵机管理模块包括舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路，通过舵盘内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号。
[0018]超声波测距模块为SRF05超声波传感器。
[0019]后轮驱动模块采用两片BTS7960构成全桥电路来驱动电机，使其完成正反转。
[0020]环卫智能小车的控制系统，包括系统初始化、数据采集、信息处理、控制策略等相关丰吴块；
系统初始化针对各个模块的所需完成相应寄存器的配置；
数据采集包括摄像头图像信号采集、超声波测距；
信息处理主要完成对上述数据的相关分析处理，识别出各种不同的标识，判断出车所处的当前状态等；
控制部分针对信息处理的结果给出相应的控制指令。
[0021]电源管理模块
电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。全部硬件电路的电源由配发的标准车模用7.2V、2000mAh Ni_cd蓄电池提供。由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。主要包括以下不同的电压。
[0022]7.2V电压:这部分直接取自蓄电池两端电压，主要为舵机、后轮电机驱动模块和部分接口电路提供电源。
[0023]5V电压:主要为单片机系统、信号调理电路以及部分接口电路提供电源，电压要求稳定、噪声小，电流容量大于500mA。
[0024]12V电压:为摄像头提供12V的工作电源。
[0025]6V电压:为工作电压为6V的舵机供电。
[0026]3.3V电压:为机械臂电机驱动模块供电。
[0027]降压稳压电路设计
LM2940-5为串联稳压芯片，工作电压差可以小于0.5V稳压芯片，输出电流大于1A。开关稳压芯片的工作效率高，但有较高的电源噪声，耗电量比较大的电路适于采用开关稳压电路，这里我们使用了 LM2940作为降压稳压芯片，其性能很不错，其典型接线图如下图2 ;除此之外，机械臂电机驱动模块需要3.3V电源供电，这里我们选用LM1117，接线图如下图3所示；
升压稳压电路设计
参阅图4，摄像头12伏升压采用的WRB_S-2W系列产品是专门针对线路板上分布式电源系统中需要产生一组与输入电源隔离的单电源的应用场合而设计的，适用于:
1)输入电源的电压变化范围〈=2:1
2)输入输出之间要求隔离〈=1.5KVDC
3)输出电压稳定度和输出纹波噪声要求较高。
[0028]而此处恰好对应，故选用电源。
[0029]其特性主要如下 宽输入电压范围:
2:1宽工作温度范围:-40°C-+85°C 短路保护(自恢复)
MTBF > I, 000， 000 小时
使用此电源需注意一下事项:
①CS端该端子提供一个连接DC/DC转换器输出端内部主滤波电容的连接点(接电容正极)，通过在该端子与第7脚端子(接电容的负极)之间接一个低ESR的电容可以进一步改善输出纹波和噪声值；(一般CS〈=100 μ F)
②输出负载要求
为了确保电路高效可靠地工作，该类型的DC/DC转换器，除了规定最大负载(即满负载)，同时也规定了一个最小负载。在使用时，要确保在整个输入电压范围内，其输出最小负载不能小于满负载的10%。若实际的电路中负载确实长期较轻，在输出端并联一个适当阻值的电阻以增加负载。
[0030]图像采样模块
(I)摄像头工作原理
摄像头的工作原理是:按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言(参见图5)，摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，该电压信号的低起伏反映了该行图像的灰度变化。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平(如0.3V),并保持一段时间。这样相当于，紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脉冲，它是扫描换行的标志。
[0031]然后，跳过一行后(因为摄像头是隔行扫描的)，开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着又会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于(即持续时间长于)其它的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分，等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。
[0032]摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。摄像头有两个重要的指标:有效像素和分辨率。分辨率实际上就是每场行同步脉冲数，这是因为行同步脉冲数越多，则对每场图像扫描的行数也越多。
[0033]事实上，分辨率反映的是摄像头的纵向分辨能力。有效像素常写成两数相乘的形式，如“320X240”，其中前一个数值表示单行视频信号的精细程度，即行分辨能力；后一个数值为分辨率，因而有效像素=行分辨能力X分辨率。
[0034](2)视频信号分离
要对有效地对视频信号进行采样，首先要处理好的问题是如何提取出摄像头信号中的行同步脉冲，消隐脉冲和场同步脉冲。
[0035]这里有两种可行的方法。第一，直接通过单片机AD进行提取。因为行同步脉冲、消隐脉冲或场同步脉冲信号的电平低于这些脉冲以外摄像头信号的电平，所以据此可设定一个信号电平阀值判断AD采样到的信号是否为上述三类脉冲。第二，就是给单片机配以合适的外围芯片，此芯片要能够提取出摄像头信号的行同步脉冲、消隐脉冲和场同步脉冲以供单片机作控制之用。
[0036]考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较短，为了减轻其处理负担，采用了第二种方法进行信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信号信息等，并将它们转换成TTL电平直接输出给单片的I/O 口作控制信号之用。LM1881的端口接线方式如下图6所示；
其中，引脚2为视频信号输入端，引脚I为行同步信号输出端。引脚3为场同步信号输出端，当摄像头信号的场同步脉冲到来时，该端将变为低电平，一般维持230us，然后重新变回高电平。引脚7为奇-偶场同步信号输出端，当摄像头信号处于奇场时，该端为高电平，当处于偶场时，为低电平。事实上，我们不仅可以用场同步信号作为换场的标志，也可以用奇_偶场间的交替作为换场的标志。
[0037]图像采样模块由S12XS128的AD模块，外围视频分离芯片(LM1881)，以及摄像头组成。其功能是获取场景的图像数据，以供S12XS128作进一步分析处理，其原理图所下图7所示；
舵机管理模块
舵机本身是一个位置随动系统。它是由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成的。通过内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号，因此对于它的控制可以使用开环控制方式。
[0038]舵机的控制是通过周期固定的脉冲信号控制的，舵机的转位正比于脉冲的宽度，这个连续的脉冲信号可以由PWM实现。舵机内部会产生一个频率为50Hz的基准信号，通过基准信号与外部所给PWM波的正脉冲持续时间进行比较，从而确定转向和转角的大小。当所加PWM波的频率为50Hz时，脉宽与转角之间满足下图8所示的线性关系。
[0039]超声波测距模块
选用的是SRF05超声波传感器，SRF05是SRF04的增强版，在SRF04的基础上增加了灵活性和幅度，并且进一步降低了成本，扫描范围增加到3米至4米。SRF存在着一种新的操作模式(使模式引脚接地):允许SRF05使用单一引脚同时触发和回声，从而节省宝贵的控制器引脚。当MODE弓丨脚悬空，SRF05触发和回声引脚分别独立工作。但是此时SRF05会有一个前向回波脉冲控制器的延迟。测距原理为首先需要提供一个IOus的输入短脉冲来触发启动。SRF05将循环8次发送一个频率在40kHz的超声回波线。与此同时SRF05开始监听回声，并提高检测速度，因为它检测到的回声线会降低。而通过回声线将得到与其脉冲宽度成正比的物体的距离。由脉宽的时间，是可以计算出精确度为厘米的范围与尺寸。其中5V和OV分别提供电源和地，短脉冲由PWMO来触发启动，回声信号通过中断来监听。
[0040]电机驱动模块
环卫型智能小车的电机驱动模块分为两部分，一部分是提供后轮驱动，是小车前进或后退；另一部分是提供机械臂的电机驱动，使机械臂可以顺利拾取物体。
[0041]后轮驱动采用两片BTS7960构成全桥电路来驱动电机，使其完成正反转。其原理图如9所示；
由于机械臂上面有两个电机，一个控制前端机械爪，一个控制后端机械臂，且其只对正反转有要求，故选用L298作为驱动芯片，可同时驱动两个电机，其原理图如图10所示；系统软件设计
系统软件设计主要包括系统初始化、数据采集、信息处理、控制策略等相关模块。系统初始化主要是针对各个模块的所需完成相应寄存器的配置；数据采集包括摄像头图像信号采集、超声波测距。信息处理主要完成对上述数据的相关分析处理，识别出各种不同的标识，判断出车所处的当前状态等；控制部分针对信息处理的结果给出相应的控制指令。
[0042]系统初始化
在整个系统设计中，用到了单片机基本功能模块:时钟模块、PWM输出模块、中断模块、ECT模块、AD模块、串口通信 模块以及普通IO模块。根据系统实际需求，对各个模块进行了初始化配置，通过对相应数据寄存器或状态寄存器的读写，实现相应的功能。
[0043]时钟模块
S12XS128单片机中有四个不同的时钟，即外部晶振时钟、锁相环时钟、总线时钟和内核时钟。当前电路板采用的是16MHz的外部晶振，因此外部晶振时钟为16MHz，默认设置下，锁相环时钟为32MHz，总线时钟为8MHz，内核时钟为16MHz。
[0044]锁相环时钟与外部晶振时钟的倍频、分频关系由SYNR、REFDV两寄存器决定。总线时钟用作片上外围设备的同步，而内核时钟则用作CPU的同步，它决定了指令执行的速度。为了提高AD采集性能，增加在一行视频信号的时间内的采样点数，我们对单片机进行了超频(正常最高40M)。最终，超频后的总线时钟为64MHz，具体设置过程为:
【权利要求】
1.一种环卫智能小车，包括车体，所述车体上装设有随车电控部分，其特征在于:所述电控部分包括 核心控制器，用于接收图像数据、超声波传感器测距信息，小车当前加速度等状态反馈信息，并对这些信息进行综合的处理，输出适当的控制量来对舵机与驱动电机进行控制；图像采样模块，用于获取场景的图像数据； 超声波测距仪，用于测量与障碍物之间的距离； 电机驱动模块，分别用于实现小车的电机驱动和转向控制； 舵机管理模块，用于小车换向控制； 辅助调试模块，用于小车控制系统的程序烧写，功能调试和测试以及小车状态监控，系统参数和运行策略设置； 电源管理模块负责为上述各模块供电； 还包括后轮驱动模块和机械臂驱动模块，所述核心控制器经电机驱动模块分别与后轮驱动模块和机械臂驱动模块电连接，所述图像采样模块、超声波测距仪、电机驱动模块、舵机管理模块、辅助调试模块和电源管理模块分别与核心控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的环卫智能小车，其特征在于:所述图像采样模块包括AD模块(S12XS128)，外围视频分离芯片(LMl881)电路以及摄像头，所述摄像头获取场景的图像数据，经外围视频分离芯片和AD模块做进一步分析处理。
3.根据权利要求1所述的环卫智能小车，其特征在于:所述核心控制器为MC9S12XS128单片机。
4.根据权利要求1所述的环卫智能小车，其特征在于:所述舵机管理模块包括舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路，通过舵盘内部的位置反馈，使它的舵盘输出转角正比于给定的控制信号。
5.根据权利要求1所述的环卫智能小车，其特征在于:所述超声波测距模块为SRF05超声波传感器。
6.根据权利要求1所述的环卫智能小车，其特征在于:所述后轮驱动模块采用两片BTS7960构成全桥电路来驱动电机，使其完成正反转。
7.—种环卫智能小车控制系统，其特征在于:包括系统初始化、数据采集、信息处理、控制策略等相关模块； 系统初始化针对各个模块的所需完成相应寄存器的配置； 数据采集包括摄像头图像信号采集、超声波测距； 信息处理主要完成对上述数据的相关分析处理，识别出各种不同的标识，判断出车所处的当前状态等； 控制部分针对信息处理的结果给出相应的控制指令。
【文档编号】G05D1/02GK103455032SQ201210168049
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年5月28日 优先权日:2012年5月28日
【发明者】李寅雪 申请人:李寅雪