专利名称：顶棚投影器辅助导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人导航定位系统，属于机器人导航定位技术领域。
背景技术：
目前机器人的导航、定位多依赖机器人本身携带的传感器(如超声传感器，激光传感器等)，对环境信息进行感知，而后对所获得信息进行处理，以决定机器人的下一步运动策略。普遍存在的现象为，机器人自身需进行复杂的逻辑运算和数据处理，对机器人的性能要求较高。同时，机器人需携带多种传感器，有的价格昂贵(如激光传感器)。
出于降低机器人导航定位成本的考虑，研究如何利用其他导航、定位手段以减少对机器人性能的要求，同时减少所需传感器的种类就显得尤为重要。
发明内容
本发明针对机器人本体在导航过程中存在的需进行复杂运算和处理、并需携带多种传感器的问题，提出了一种导航成本低的顶棚投影器辅助导航系统。
本发明的顶棚投影器辅助导航系统采用以下技术方案 该顶棚投影器辅助导航系统包括转动平台、控制器、无线通信模块、激光器、上位机和顶棚投影器，顶棚投影器安装在转动平台上，顶棚投影器与控制器连接，两个步进电机垂直放置在转动平台内，两个步进电机的转轴分别与安装于转动平台上的两个连杆连接，两个步进电机与控制器连接，激光器固定于连杆上，上位机与控制器通过无线通信模块连接。
控制器采用单片机STC12C2052，其P3.2～P3.5引脚接限位开关，由于顶棚投影器包含两个步进电机，因此需要四个限位开关；P1.0～P1.7引脚接驱动芯片ULN2003A。驱动芯片的输出接步进电机，单片机P1.0～P1.7引脚与驱动芯片之间加施密特触发器。
顶棚投影器的步进电机带动连杆实现二自由度旋转，将转动平台悬挂于墙上时，装于旋转平台上的连杆可实现绕底部连接点做墙面所在平面上的旋转和垂直于墙面所在平面的旋转。激光器随着连杆的运动，实现在地面上投射出运动的光斑，指引机器人的运动。
本发明的工作过程如下 首先为路径规划，上位机按程序将规划好的路径信息经过坐标转化等换算为相应电机的控制命令，而后将控制命令按无线通信的协议打包，通过无线通信模块发送到顶棚投影器，顶棚投影器将控制命令进行解析，提取出各个步进电机的运动步数和方向信息，控制电路依据控制信息向驱动器发送脉冲信号，驱动电机的转动，电机带动连杆运动，在顶棚投影器处于开启状态时即可实现规划的路径的投射。
本发明将路径规划功能交由上位机完成，同时将规划好的路径信息通过一定方式发送给投影器，投影器据此完成路径信息的投射，指引机器人的前进，使得机器人无需进行路径规划，降低了机器人本体的数据运算和处理量，同时减轻了机器人所需携带的传感器的种类和数量，降低了成本，为机器人提供一种简单有效的导航方式。
图1是本发明顶棚投影器导航系统的结构原理框图。
图2是本发明顶棚投影器导航系统的控制电路的电气原理图。
图3是本发明顶棚投影器导航系统的主控制流程图。
图4是脉冲产生控制流程图。
图5是限位控制流程图。
图6是步进电机变速控制流程图。
图7是步进电机变速控制的分段处理子流程图。
表1是上位机与无线通讯模块(Zigbee协调器)之间通信数据格式。
表2是Zigbee终端节点与投影器控制器间通信的数据格式。
图中，1、上位机，2、无线通讯模块，3、单片机，4、电压转化模块，5、开关电源，6、限位开关，7、电压转化模块，8、CMOS六施密特触发器，9、驱动芯片，10、步进电机，11、激光器。
具体实施例方式 图1给出了本发明顶棚投影器导航系统的结构原理。包括转动平台、控制器、无线通信模块2、激光器11、上位机1和顶棚投影器。顶棚投影器安装在转动平台上，顶棚投影器与控制器连接，顶棚投影器包括两个步进电机10，步进电机型号为35BY48HJ30，两个步进电机垂直放置在转动平台内，两个步进电机的转轴分别与安装于转动平台上的两个连杆连接，两个步进电机与控制器连接，控制器采用STC12C2052型单片机3，激光器11固定于连杆上，上位机与控制器(单片机3)通过无线通信模块2连接。激光器11通过电压转化模块7与开关电源5连接，单片机3和CMOS六施密特触发器8均与开关电源5连接，无线通讯模块2通过电压转化模块4与开关电源5连接。
如图2所示，控制器采用STC12C2052型单片机3，单片机3的P3.2～P3.5引脚接限位开关6，P1.0～P1.7引脚接驱动芯片9，驱动芯片9采用ULN2003A。由于顶棚投影器包含两个步进电机11，因此需要四个限位开关6。驱动芯片9的输出接步进电机11。单片机3的P1.0～P1.7引脚与驱动芯片9之间加CMOS六施密特触发器8，即40106芯片。
图3给出了控制器的主控制流程图，单片机3初始化后，开中断，接收数据，当数据接收完后，判断数据的有效性，若无效，则丢弃数据等待下一组数据；若有效，则判断接收数据是否为复位或停止，是则根据相应命令设置运行，否则提取其中的步进电机转动步数和方向信息，确定电机的引线通电顺序，并通过定时器发送脉冲，驱动步进电机10转动。
图4给出了脉冲产生控制流程图。脉冲信号产生的频率由定时器初始值来决定，定时器T0负责产生脉冲。当已产生脉冲数目累计等于电机需要转动的步数时，关闭定时器，不再产生脉冲，从而控制电机停止转动。
同时，为防止导线的缠绕，限制顶棚投影器的转动角度，配置了四个限位开关6，以保证顶棚投影器在运行过程中，即使程序跑飞，程序限位不起作用时，依然可以通过限位开关6强制停止顶棚投影器转动。
限位控制流程如图5所示。四个限位开关6分别与单片机3的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口相连，未发生碰撞时，限位开关输出均为1，若发生碰撞，则对应端口置0.例如，当P3.2＝0时，说明限位开关1发生了碰撞，因此不能继续在同一方向上继续运行，此时，定时器不再产生脉冲，若转动方向相反，则根据上位机发送的控制命令，继续给驱动器发送脉冲，控制电机运动。
驱动芯片9的选择决定了步进电机10的控制方式，选用ULN2003A驱动芯片，驱动电机转动时，必须以给电机各相轮流通电的来控制电机的运行。所选电机为六线四相电机，投影器内置两个电机，而ULN2003A只有7个引脚，因此采用两片ULN2003A芯片来控制顶棚投影器。
步进电机10的变速控制流程如图6所示。当需投射的轨迹为一段斜线时，两个步进电机10需同时运行，但步数不尽相同，此时，为达到同步运行的目的，需改变电机运行速度，即改变两个驱动器的脉冲频率。
本发明通过单片机3的一个定时器来产生两个步进电机10的驱动脉冲，定时器中断一次，产生一个脉冲。首先根据步进电机10运行步数的比值计算出电机的速度比值，据此，分三种情况处理 1)当x或y为0时，例如，当x＝0，则x方向步进电机10不转，定时器每中断一次，y方向步进电机10转一步； 2)当x、y均不为0时，若x或y为1时，例如，当x＝1，定时器每中断1次，y方向步进电机10转一步，定时器每中断y+1次，x方向步进电机10转一步； 3)当x、y均非1、非0时，由于此时x、y没有公约数，x、y比值较大时(如10∶9)，若直接控制定时器每中断x次，y方向步进电机10转一步，定时器每中断y次，x方向电机转一步，则每一步中间间隔较长，导致顶棚投影器外部无明显运行动作，导致投影运行时间过长，不符合快速辅助导航的要求。
针对x、y均非1、非0的情况，采取分段处理，具体流程如图7所示。以xstep＞ystep为例，求出xstep与ystep的商t，余数r，然后将运行轨迹分两段处理，第一段中x方向步进电机10转动r*(t+1)步，y方向电机转动r步，步数之比为(t+1)∶1；第二段中x方向步进电机10转动xstep-r*(t+1)步，y方向步进电机10转动ystep-r步，步数之比为t∶1.其中，处理第一段和第二段为先后顺序，不能同时运行。
由于顶棚投影器安装位置较高，通讯方面若采用导线连接的方式，需要配备较长的导线。导线过长，一方面导线容易接触不良，其次需要考虑布线问题，并避免因导线可能引起的问题，本发明的无线通讯模块2采用Zigbee无线网络，实现投影器的远程通讯，即增加了安全性又保证了安装的方便性。Zigbee模块的单片机采用CC2430。
本发明中的通信包括上位机1与Zigbee协调器(无线通讯模块2)间的串行通信、Zigbee协调器与终端节点间的无线通信、Zigbee终端节点与控制器(单片机3)之间的串行通信。
1、上位机与Zigbee协调器间通信 本发明对投影器通信的实时性要求较高，数据格式相对固定，而且数据传输量不大，考虑Zigbee模块内部芯片的接口，上位机与Zigbee协调器之间采用RS232串行通信。由于Zigbee网络之间通信时需要寻址，故，定义如下表所示通信格式。一个数据包共14个字节，112位，其中Zigbee节点物理地址占八个字节，两个步进电机的转动方向各占一个字节，转动步数各占两个字节。
2、Zigbee无线网络通信 协调器节点创建Zigbee网络，并向上位机发送组网成功指示，然后等待终端节点加入。当终端节点上电后，会自动查找空间中存在的Zigbee网络，查找到后加入网络，并将终端节点物理地址发送给协调器，协调器把终端节点的地址信息等通过串口发送给计算机进行保存。
3、Zigbee终端节点与投影器控制器间的通信 将Zigbee终端节点CC2430的TXD\RXD引脚直接与投影器控制器STC12C2052的RXD\TXD引脚互联，不经过RS232格式转换，据此，定义如下表所示通信数据格式，一个数据包共6个字节，48位，其中两个电机的转动方向各占一个字节，转动步数各占两个字节。
可通过上位机1手动输入设置路径信息，在数据x和y的编辑框中输入数据，由于在初始状态下，投影器处于复位状态，即所投光斑点在原点处，故输入数据时，第一组数据需为0，0.点击存储按钮，即可将数据存储并显示在下方网格中。此外，可以点击“读入”按钮，实现将数据库中规划好的路径信息读入并显示在网格中。
当数据在网格中显示出来后，点击“运行”按钮，则系统自动将网格中第一组数据作为起始点，第二组数据作为目标点，经过坐标转化，换算出起始点和目标点之间的电机转动步数并显示在界面上，当转动步数为正时，电机按顺时针转动，当转动步数为负时，转动方向为逆时针。同时，将电机转动步数和方向信息按表1格式生成数据包，发送给Zigbee协调器。并启动延时程序，延时时间按所发送的电机转动步数，电机需运行的时间设定。
延时完毕后，自动将当前目标点取为起始点，当前目标点下一组数据取为目标点，再次计算电机转动步数、向Zigbee协调器发送数据包。
依次计算并发送数据，当最后一组数据设置为起始点后，所有数据发送完毕，电机停止转动。
期间点击“停止”按钮，则向Zigbee协调器发送两个电机转动步数为0的数据包，可让投影器立即停止转动。
当步进电机10停止运动后，点击“复位”按钮，可使顶棚投影器复位。
权利要求
1.一种顶棚投影器辅助导航系统，包括转动平台、控制器、无线通信模块、激光器、上位机和顶棚投影器，其特征是顶棚投影器安装在转动平台上，顶棚投影器与控制器连接，两个步进电机垂直放置在转动平台内，两个步进电机的转轴分别与安装于转动平台上的两个连杆连接，两个步进电机与控制器连接，激光器固定于连杆上，上位机与控制器通过无线通信模块连接。
2.根据权利要求1所述的顶棚投影器辅助导航系统，其特征是所述控制器采用单片机。
全文摘要
本发明提出了一种顶棚投影器辅助导航系统，包括转动平台、控制器、无线通信模块、激光器、上位机和顶棚投影器，顶棚投影器安装在转动平台上，顶棚投影器与控制器连接，两个步进电机垂直放置在转动平台内，两个步进电机的转轴分别与安装于转动平台上的两个连杆连接，两个步进电机与控制器连接，激光器固定于连杆上，上位机与控制器通过无线通信模块连接。本发明将路径规划功能交由上位机完成，同时将规划好的路径信息通过一定方式发送给投影器，投影器据此完成路径信息的投射，指引机器人的前进，使得机器人无需进行路径规划，降低了机器人本体的数据运算和处理量，同时减轻了机器人所需携带的传感器的种类和数量，降低了成本。
文档编号G01C21/34GK101713662SQ200910246578
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者田国会, 张涛涛, 郝君勇, 吴皓, 张治慧, 台宏达 申请人:山东大学