智能巡检机器小车的制作方法

专利名称：智能巡检机器小车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种智能巡检机器小车，用于在一些人类无法到达的地方或需 要全天候监控的地方采集数据。
背景技术：
机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生了根本性的变 化，使人类生产方式从手工业，机械化，自动化到智能化的新时代。近十年来 移动机器人的研究已经十分活跃，其得到快速发展主要有两个方面的原因其
一:移动机器人冇着广泛的应用范围，机器人不仅在工业上应用越来越广，而且
正在社会服务，海洋开发，宇宙空间，地下矿藏，抢险救灾，军事等领域开拓 新应用，以代替人在其无法适应的环境下工作，这将极大地扩展人类的生活和 生产范围。其二，与任何一门现代化技术分枝一样，其中一个最直接的因素是 计算机技术的发展。计算机信息处理，存储能力的提高，为移动机器人运行更 复杂的实时控制算法创造了条件。
同时智能控制作为一种与机器人技术关系紧密的研究方向也是越来越多的 被应用于工业，军事，交通等领域。采用各种智能技术来实现复杂系统和其他 系统的控制目标，是一种具有强大生命力的新型自动控制技术。智能控制的产 生和发展正反映了当代自动控制以至整个科学技术的发展趋势。智能控制已成 为自动控制发展道路上的一个新的里程碑，正发展为一种日趋成熟和日臻完善 的控制手段，并获得日益广泛的应用。
智能机器人的产生是对机器人技术和智能控制技术研究的必然结果，智能 控制方法提高了机器人的速度及精度，但是也有其自身的局限性，例如机器人
模糊控制中的规则库如果很庞大，推理过程的时间就会过长；如果规则库很简 单，控制的精确性又会受到限制；无论是模糊控制还是变结构控制，抖振现象 都会存在，这将给控制带来严重的影响；神经网络的隐层数量和隐层内神经元 数的合理确定仍是目前神经网络在控制方面所遇到的问题，另外神经网络易陷 于局部极小值等问题，都是智能控制设计中要解决的问题，智能机器人的研究 目标并不是完全取代人，复杂的智能机器人系统仅仅依靠计算机来控制目前是 有一定困难的，即使可以做到，也由于缺乏对环境的适应能力而并不实用。智 能机器人系统还不能完全排斥人的作用，而是需要借助人机协调来实现系统控 制。因此，设计良好的控制系统就成为智能机器人研究的重点问题之一。智能 机器人技术的发展涉及到多个学科领域，如机械学、电子技术、控制理论、传 感技术等等，这充分反映了一个国家的高技术水平，所以各国对智能机器人的 研究都是投入很大的精力和经费。
随着智能控制理论与方法的迅速发展，智能方法在移动机器人导航中得到 了广泛应用。目前主要存在的智能算法主要有模糊算法、神经网络算法、模糊神经网络等。这些算法为移动机器人的研究开创了新的局面，使得移动机器人 能够有着复杂的算法，但这些算法目前还是在理论层面的研究比较多。随着时 代的发展，对实用性移动的机器人的需求越来越迫切，为此我们需要在一定理 论研究的基础上，做应用性的尝试。
粮食的安全储藏是关系到国际民生的战略大事，我国许多粮库，由于还运 用80年代传统的模拟方式和人工方式进行粮情监控，不但费人费力，还经常出
现误报警，甚至断点现象的出现，不能够及时地给工作人员正确的粮情信息，
己经严重的影响到日常工作。

发明内容
本发明的目的在于提供一种智能巡检机器小车，在一些人类无法到达的地
方比如矿下， 一些需要全天候监控的地方比如粮库，放置所述智能巡检机器小
车，采集该环境下人类需要的温度和湿度数据，人只需坐在电脑前便可以检测 所需的数据。
按照本发明提供的技术方案， 一种智能巡检机器小车，包括带行走轮和电 动机的小车和安装于小车上的控制系统，小车上安装有光电轨迹检测器，用于 检测小车的轨迹。
所述控制系统包括电机驱动模块、轨迹采样及逻辑控制模块、通讯模块、 红外避障模块、温湿度检测模块；小车通过通讯模块和上位机检测系统进行通 讯。
所述光电轨迹检测器的输出连接所述轨迹采样及逻辑控制模块，所述轨迹 采样及逻辑控制模块根据检测到的轨迹控制所述电机驱动模块，通过简易的码 盘作为小车的反馈量。
所述电机驱动模块，用于驱动电动机工作，由电动机带动行走轮转动；所 述电动机的转速通过通讯模块发送至上位机检测系统，所述上位机检测系统根 据检测到的电机转速做反馈控制。
所述红外避障模块，通过红外传感器的检测来进行避障，确保小车按要求 的路径移动。
所述检测系统以单片机为主要处理器，具有自动显示功能和与上位机通信 的功能。
所述通讯模块是一个无线发送模块，将USB转串口作为基本配置，通过单 片机实现UART通讯向无线通讯。
所述温湿度检测模块包括数字温度湿度传感器SHTll芯片、AT89C51单片 机、MAX7219驱动芯片、两片4位LED数码显示器和看门狗芯片MAX813L， 利用SHT11芯片实时检测环境的温度和湿度并通过SHT11芯片的I2C总线输出 给AT89C51单片机进行计算处理，经过AT89C51单片机计算处理过的温度和湿 度值送到MAX7219驱动芯片并显示在两片4位，即8位LED数码显示器上， 同时所述温度和湿度值通过单片机的串口发送到通讯模块，再发送到上位机检 测系统并显示；所述上位机检测系统将检测到的温度和湿度值与上位机数据库 中的温度和湿度值进行对比做出判断。所述光电轨迹检测器采用4路反射式光电采样器。
所述上位机检测系统修正温湿度传感器SHT11芯片所检测到的环境湿度值 的公式为
纽"恥"+C2xSO册+C3X对w
其中，i /4"，是修正后的湿度值，c,、 c2、 q是湿度转换系数，so^是测 量的分辨率，在不同的分辨率so皿下，，q作偏移量修正，q湿度作分辨率修正，
q作双分辨率修正，参数取值为当SG册是12比特时，c尸-4， C2=0.0405， C3=
-2.8X10-6;当SO册是8比特时，C尸-4， C2=0.648， C3=-7.2X 10—4。
所述上位机检测系统修正温湿度传感器SHT11芯片所检测到的温度值的公
式为
WA潔=(;，_ 25) x " + 2 x + / 仏證
其中，i /^，是修正后的温度值，^、 ^是温度修正系数，r。c是实际测得湿
度，d乍温度偏移量修正，^作温度分辨率修正，参数取值为当S^^是12比特
时，f尸O.Ol， ^=0.00008;当SO肌是8比特时，f尸O.Ol， 。=0連28。
所述机器小车上的电源在检测过程中一直处于8V的供电状态，经电源转换 模块转换成5V和3.3V的工作电压，分别供给不同的用电模块，以保证各用电模 块之间的通信一直处于工作状态。
本发明的优点是将机器小车应用于粮库里防火，防酶，可以全天候的监 测，避免人工消耗和人工的疏忽而导致火灾从而产生重大损失。小车可以在粮 库里自动避障和寻找路径，自动巡逻，根据安装的传感器得到的数据来判断是 否会引起火灾，消除隐患，还可以根据环境湿度，来判断粮食是否会发霉，同 时也可以去到人类无法到达的一些危险环境下，通过通信模块将传感器采集到 的信息送至计算机，并通过计算机处理和显示。
本发明具有如下功能1、上位机和小车实现无线通信。2、环境温度和湿 度检测功能。3、红外测距功能，主要用于配合避障功能。4、路径寻优功能， 可以寻找适合路径来监测粮库的情况。


图1为控制部分总体系统框图。
图2为轨迹采样部分电路。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明通过光电轨迹检测器，检测小车的轨迹，根据检测到的 轨迹通过轨迹采样及逻辑控制部分来控制电机驱动模块，通过简易的码盘作为 小车的反馈量来更好地控制电动机。
如图2所示是光电轨迹检测器包含的4路反射式光电采样器电路中的一路。 采样信号经LMV358芯片缓冲后作背景光减除处理，之后放大送单片机AD转换， 将AD结果转换为是否在轨迹上的逻辑值，进行预处理，输出轨迹偏移位置信息。 处理时先将采样的模拟值转换为逻辑值，之后将逻辑值转换为一个关于位置的数值，送入上位机进行处理。
小车的控制系统包括电机驱动模块、轨迹采样及逻辑控制模块、通讯模块、 红外避障模块、温湿度检测模块。
小车作为巡检系统的载体，其路径规划，避障等功能都要通过控制模块来 实现，其中电机驱动模块、轨迹采样及逻辑控制模块均为独立的单片机系统， 这样设计主要出于
1、 单片机已十分便宜，可以像普通IC (集成电路)那样使用。
2、 电机驱动逻辑比较简单，但是实时性要求较高，所以独立出来，编程较 为容易，便于上手。
3、 电机驱动部分通常会有较大的干扰，尤其是驱动普通的直流有刷电机， 电刷的火花干扰很强，单独使用简单、但抗干扰能力强的单片机可使系统更加 可靠。
4、 电机驱动部分独立做成一个模块后可以在以后自己的其它项目上使用， 增加投入的附加值，例如作为RCX的大功率电机驱动器。
5、 采用独立的逻辑控制便于学习者掌握构建复杂系统的能力，学会多模块 协同工作时如何交换信息、如何协调。目前在控制上利用单独的智能节点完成 单一任务，采用通讯方式将这些独立节点组合实现复杂的功能是一个趋势。
6、 采用独立的逻辑控制模块便于以后根据需要替换为其他单片机，这些新 的单片机通常都有成品模块出售，具有完善的数字、模拟以及通讯接口，这样 设计就十分容易接入。
所述电机驱动模块硬件设计
电机驱动部分按设计要求应满足以下的一些需求
1、 可驱动一个直流电机，驱动电压范围5 12V，电流10 20A;
2、 电机驱动要支持4种工作模式正转、反转、慢走、制动；
3、 控制信号可接受UART (通用异步接收/发送装置)、SPI控制，标准 的宽度l 2ms、周期20ms的PWM控制；
4、 可支持脉冲反馈，实现调速而非调功；
5、 可根据脉冲计数控制行走距离；
6、 可检测转动方向；
7、 支持第二路反馈的脉冲信号，以实现转速跟踪。
详细硬件设计以STC12C54XX单片机为控制核心，该芯片具有4个通道的 PCA (可编程计数器/定时器数组)，可以方便的实现转速脉冲测量和方向判断， 同时也便于接受PWM控制信号。同时此款单片机为1T的高速工作模式，可以使 用定时中断控制MOSFET，因为需要实现4种电机工作模式，所以使用了4个I0 独立控制H桥的4个MOSFET，不能使用简单的PWM输出控制。因为用4个IO独 立控制，所以必须避免MOSFET出现短路，使用2块4-2与非门构成互锁逻辑，保 证不出现同侧上下MOSFET同时导通的情况。借此也可以隔离电机的噪声对单 片机的影响。因为需要支持5 12V的电机工作电压，而且互锁逻辑输出还差一级 反向，所以控制MOSFET使用双极性三极管卯13，这样可使用普通的MOSFET，便于购买。如果不使用卯13，则需要选用逻辑电平控制的MOSFET。在线路及 PCB的设计上，考虑MOSFET的双管并联工作，以便于日后需要提高驱动能力。 供给电机的电压直接接MOSFET，同时经稳压器SPX1117-3.3V稳压输出后供单 片机和门电路，单片机选择3V的，门电路选用74HCxx，这样，电机的工作电压 可以低到5V (4节充电电池)。
单片机硬件资源分配
P2.4-P2.7:用于驱动H桥。
PCA3:用于电机的PWM输出，工作在定时器模式。 PCA2/P2.0:用于主测速脉冲输入，工作在捕获模式，边沿触发。 P2.h主脉冲输入方向辅助输入，用于判断转动的方向。 PCA1/P3.5:用于跟踪脉冲输入，工作在捕获模式，边沿触发。 P3.4:跟踪脉冲的辅助输入，用于判断方向。
PCA0/P3.7:用于PWM控制信号输入，工作在捕获模式，边沿触发。 P1.4-P1.7:用于SPI控制输入。
P1.2、 P1.3、 P2.2、 P2.3、 INTO、 INT1:用于连接无线模块PTR4000，以便 实现无线控制。
Pl.O、 Pl.l:保留作为ISP的控制口。 P3.0-P3.1:用于UART控制输入。 Tl:用于产生UART的波特率。 TO:系统时基。
因为在硬件设计中，将电机驱动和逻辑控制分成了两个独立的模块，所以 在软件设计时也将分别设计。
电机驱动模块软件设计根据前面的硬件设计，电机驱动模块可以独立成为 一个智能的功率驱动器使用，在硬件的设计中考虑了可以支持多种控制信号， 使用串口控制方式，以下的软件设计是基于这个前提的。
软件要实现的功能
1、 接收并解析控制命令；
2、 使电机有良好的驱动特性，可正、反转动，且转动平稳、有力；
3、 可靠的获取转速反馈信号；
4、 根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速；
5、 利用码盘的反馈信号控制行走距离；
6、 可以根据命令实现电机的特殊运行状态刹车、惰行。 在上述功能中，真正影响驱动器性能的是第二项(驱动特性)和第四项(控
制策略)。根据要实现的功能，软件分为以下几个部分
1、 命令接收解析。完成命令接收，命令内容解析。
2、 电机PWM驱动。根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运 转状态。
3、 速度反馈。读取码盘信号，计算出速度数据，兼完成计数功能，实现行 走距离控制。
84、控制策略。根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控制参数， 实现速度控制。
其中的控制策略是自动化工程中非常典型的和常见的PID控制。主要是通过 光电码盘来测得电机转速并作为反馈量。
所述轨迹采样及逻辑控制模块硬件设计由于寻迹小车逻辑不太复杂，所
以逻辑控制仍使用STC12C410AD单片机。实际上电机控制部分冃前并未用到AD 功能，主要是为了和逻辑控制部分统一，便于采购，所以均选用了带AD的芯片。 该轨迹采样及逻辑控制部分采集4路反射式光电采样器，根据采样信号输出相应 的电机控制信号，实现走轨迹；通过串口输出电机控制信号，并输出标准的PWM (宽度l 2ms、周期20ms)电机控制信号；直接输出两个电机的H桥控制信号， 以便省去电机驱动控制，实现低成本的小车，或者用于提高编程的难度；支持 模拟输入功能，可接GP2D12等模拟量输出传感器；提供一路PWM方式的DA转 换输出，以便作为RCX的输入扩展模块；其电源支持单节电池供电，以便于作 为独立模块使用。
所述RCX是一块可编程积木，即课堂机器人(机器人指令系统)的大脑。 它是整个用乐高积木、马达、传感器等组建搭建的机器人系统的中枢，就像大 脑一样控制、指挥机器人的行为。
轨迹采样模块设计
轨迹采样器为4个反射式光电采样器，经缓冲后作背景光减除处理，之后放 大送单片机AD转换。此模块完成
1、 采样器的输出AD转换；
2、 将AD结果转换为是否在轨迹上的逻辑值；
3、 进行预处理，输出轨迹偏移位置信息。
处理时先将采样的模拟值转换为逻辑值，之后将逻辑值转换为一个关于位 置的数值，送入上位机进行调试。
所述通讯模块将USB转串口作为基本配置，通过单片机来实现UART (通用 异歩接收/发送装置)通讯向无线通讯。
所述红外避障模块的工作原理是小车在移动的过程中通过红外传感器探 测周围障碍物信息，并经单片机避障程序驱动电机，从而实现小车的避障功能。
所述温湿度检测模块包括数字温度湿度传感器SHT11芯片、AT89C51单片 机、MAX7219驱动芯片、两片4位LED数码显示器和看门狗芯片MAX813L， 利用SHT11芯片实时检测环境的温度和湿度并通过SHT11芯片的I2C总线输出 给AT89C51单片机进行计算处理，经过AT89C51单片机计算处理过的温度和湿 度值送到MAX7219驱动芯片并显示在两片4位，即8位LED数码显示器上， 同时所述温度和湿度值通过单片机的串口发送到通讯模块，再发送到上位机检 测系统并显示；所述上位机检测系统将检测到的温度和湿度值与上位机数据库 中的温度和湿度值进行对比做出判断。
温湿度检测系统的主要器件及其功能
SHT11是瑞士 Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。其性能特点有
1、 将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I力总线接口全部集成于
一芯片(CMOSensTM技术)。
2、 可给出全校准相对湿度及温度值输出。
3、 带有工业标准的I2C总线数字输出接口 。
4、 具有露点值计算输出功能。
5、 具有卓越的长期稳定性。
6、 湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12 位和8位。
7、 小体积(7.65x5.08x23.5mm)，可表面贴装。
8、 具有可靠的CRC数据传输校验功能。
9、 片内装载的校准系数可保证100%互换性。
10、 电源电压范围为2.4~5.5V。
11、 电流消耗，测量时为550uA,平均为28uA，休眠时为3uA。 MAX813L， MAX813L是美国MAXIM公司生产的微处理器专用监控器，
具有看门狗，电压检测和上电复位等功能，可提高系统的可靠性和准确性。本 系统利用MAX813L作为看门狗使用，它可以有效的防止程序的"跑飞"，并自 动将系统恢复正常工作状态。
MAX7219， MAX7219是美国MAXIM公司研制的紧凑型、串行输入、串 行输出、共阴极新型LED显示驱动器。它一片芯片可以驱动多达8位7段LED 显示器、条型图形、或64个单个LED。其片内有BCD译码器、多路复用扫描 电路、段和数字驱动器、以及存贮每个数字的8x8静态RAM。所有LED的段 电流设定只需一个外部电阻来完成。这种LED驱动器有以下特点
1、 接口简单，占用CPU的I/0 口线少，对外接口只有3根I/0 口线。
2、 个寄存器可以单独被寻址和更新，不需要全部更新。
3、 允许用户对每个显示位是选择BCD译码方式还是非译码方式进行定义。
4、 具有150A的低功耗停机方式。
5、 可以模拟和数据控制显示的亮度。
6、 可以进行级连，最多可以级连8片MAX7219，驱动64个数码管。 所述上位机检测系统的功能是
1、 进行小车运动的仿真试验。
2、 实时显示小车运动状态，环境情况等。
3、 对监测到的历史数据进行保存，以备查用。 系统主界面主要分为3个部分
1、 移动传感器的实时显示区。此区域的作用是进行移动小车实时运动和仿 真运动的图像化显示。图中的圆形和矩形阴影部分表示障碍物，红色原点表示 小车，蓝色十字表示目的地。
2、 移动传感器位置坐标区。此区域的作用是实时地显示小车的位置坐标。
3、 监测数据显示区。此区域的作用是实时地显示小车监测到的温度、湿度等环境信息。
通信部分的上位机实现由于该小车的通信是用USB接口模拟的串口通信，
在用￥〔++进行串口通信时，采用MSComm控件来实现。在通信前首先要进行 串口的选择。在串口成功打开后，就可以通过上位机读出小车检测到的温度和 湿度并读出当前电动机的转速和更改期望速度了。
权利要求
1、智能巡检机器小车，包括带行走轮和电动机的小车和安装于小车上的控制系统，其特征在于小车上安装有光电轨迹检测器，用于检测小车的轨迹；所述控制系统包括电机驱动模块、轨迹采样及逻辑控制模块、通讯模块、红外避障模块、温湿度检测模块；小车通过通讯模块和上位机检测系统进行通讯；所述光电轨迹检测器的输出连接所述轨迹采样及逻辑控制模块，所述轨迹采样及逻辑控制模块根据检测到的轨迹控制所述电机驱动模块，通过简易的码盘作为小车的反馈量；所述电机驱动模块，用于驱动电动机工作，由电动机带动行走轮转动；所述电动机的转速通过通讯模块发送至上位机检测系统，所述上位机检测系统根据检测到的电机转速做反馈控制；所述红外避障模块，通过红外传感器的检测来进行避障，确保小车按要求的路径移动；所述检测系统以单片机为主要处理器，具有自动显示功能和与上位机通信的功能；所述通讯模块是一个无线发送模块，将USB转串口作为基本配置，通过单片机实现UART通讯向无线通讯；所述温湿度检测模块包括数字温度湿度传感器SHT11芯片、AT89C51单片机、MAX7219驱动芯片、两片4位LED数码显示器和看门狗芯片MAX813L，利用SHT11芯片实时检测环境的温度和湿度并通过SHT11芯片的I2C总线输出给AT89C51单片机进行计算处理，经过AT89C51单片机计算处理过的温度和湿度值送到MAX7219驱动芯片并显示在两片4位，即8位LED数码显示器上，同时所述温度和湿度值通过单片机的串口发送到通讯模块，再发送到上位机检测系统并显示；所述上位机检测系统将检测到的温度和湿度值与上位机数据库中的温度和湿度值进行对比做出判断。
2、 如权利要求l所述的智能巡检机器小车，其特征是所述光电轨迹检测 器采用4路反射式光电采样器。
3、 如权利要求l所述的智能巡检机器小车，其特征是所述上位机检测系 统修正温湿度传感器SHT11芯片所检测到的环境湿度值的公式为碼野二q+C,做+ C3x4其中，i^/^，是修正后的湿度值，c。 c2、 c,是湿度转换系数，so^是测量的分辨率，在不同的分辨率so皿下，，q作偏移量修正，q湿度作分辨率修正，q作双分辨率修正，参数取值为当W册是12比特时，C尸-4， C2=0.0405， Cf -2.8X10-6;当SO肪是8比特时，C尸-4， C2=0.648， C3=-7.2X l(T4。
4、 如权利要求l所述的智能巡检机器小车，其特征是所述上位机检测系 统修正温湿度传感器SHT11芯片所检测到的温度值的公式为-2純+/2 "(9服)+叫膨其中，i /4^是修正后的温度值，々、,2是温度修正系数，7^是实际测得湿 度，A作温度偏移量修正，^作温度分辨率修正，参数取值为当^^是12比特时，0=0.01， /2=0.00008;当S^W是8比特时，f尸O.Ol， ^=0.00128。
5、如权利要求1所述的智能巡检机器小车，其特征是所述机器小车上的 电源在检测过程中一直处于8V的供电状态，经电源转换模块转换成5V和3.3V 的工作电压，分别供给不同的用电模块，以保证各用电模块之间的通信一直处 于工作状态。
全文摘要
本发明涉及一种智能巡检机器小车，包括带行走轮和电动机的小车和安装于小车上的控制系统，小车上安装有光电轨迹检测器，所述控制系统包括电机驱动模块、轨迹采样及逻辑控制模块、通讯模块、红外避障模块、温湿度检测模块；小车通过通讯模块和上位机检测系统进行通讯。其优点是将机器小车应用于粮库防火、防酶，可以全天候监测，避免人工消耗和人工的疏忽而导致火灾。小车可以在粮库里自动避障和寻找路径，自动巡逻，根据安装的传感器得到的数据来判断是否会引起火灾，消除隐患，还可以根据环境湿度，来判断粮食是否会发霉，同时可以去到人类无法到达的一些危险环境下，通过通信模块将传感器采集到的信息送至计算机，并通过计算机处理和显示。
文档编号G01D21/02GK101430214SQ20081023558
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者力 彭, 朱建鸿, 超 李, 宪 王, 龙 赵, 爽 陆 申请人:江南大学