专利名称：无线环境监测车的制作方法
技术领域：
本实用新型属于移动环境监测装置，特别涉及无线环境监测车。
背景技术：
在石油、化工、煤炭等行业有毒气体泄漏的区域，或者在核、生、化灾害发生的区域，如果利用机器人代替人类进入环境条件恶劣、环境情况不明的场所，去探查现场情況、监测环境条件、处理高危险事件，可避免操作人员直接暴露在有毒、有辐射等危险环境中，可大大减小人员伤亡，提高救援等工作实施的保障力、提高工作效率。在本实用新型发明之前，目前公知的环境监测装置大多是不可移动的，也即只能定点监测某个地点的环境參数，无法完成突发现场、应急情况的环境监测任务。中国专利“ー种环境监测车” (CN201110848)和“环境监测车” (CN101387704)虽然可以移动监测环境情况，但是监测车需要人类驾驶，不适宜完成环境危险区域或环境未知区域的监测工作。
发明内容本实用新型的目的就在于克服上述缺陷，研制一种无线环境监测车。本实用新型的技术方案是:无线环境监测车，由上位机(7)、监测车(16)构成，监测车(16)上设置有各种环境參数采集装置，监测车(16)上的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别连接左侧车轮、右侧车轮，其主要技术特征在于上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(I)、通信模块(2)无线连接；通信模块(I)、无线接收模块(3)分别接入上位机(7)的USB ロ，通信模块(2)接入单片机(5)串ロ，无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)的无线视频信号，无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上；单片机(5)分别连接红外传感器(13)、连接FPGA控制模块(6)，FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。本实用新型主要优点:(I)系统可以移动监测环境參数，适于完成突发现场、应急情况的环境监测；(2)系统采用无线控制方案，可完成不适合人类进入的危险区域或情况未知区域的环境监測；(3)监测车上载有的摄像头和超声波测障模块，可以精准控制监测车的行驶方向、行驶目标，准确获取目标位置的环境參数；(4)监测车有自动循迹行驶的功能，可以很方便地沿既定路线自动行驶，完成各项监测任务。本实用新型的其他优点和效果将在下面继续说明。
图1——本实用新型系统整体方案示意图。 图2——本实用新型硬件系统示意图。图1中各标号表示部件名称如下:通信模块(I)、通信模块⑵、无线接收模块(3)、无线摄像头⑷、单片机(5) ,FPGA控制模块出)、上位机(7)、温度传感器(8)、湿度传感器(9)、烟雾传感器(10)、超声波测距传感器(11)、云台控制电路(12)、红外传感器(13)、左路电机驱动模块(14);右路电机驱动模块(15)、监测车(16)。
具体实施方式
本实用新型的基本思路:基于无线控制的环境监测小车系统，由上位机和监测车两大部分构成，其中监测车载有摄像头、超声波传感器以及温度、湿度、烟雾等环境參数传感器，完成现场影像实况的视频采集、超声波测障以及温度、湿度、烟雾等环境參数的采集，上位机装有监控软件，通过无线信道实时监测小车回传的现场视频影像、超声波雷达图像，根据影像实况或雷达图像准确、灵活地遥控小车的行驶方向和行驶速度，或根据需要将监测车设置成沿既定轨迹自动寻迹的行驶模式；同时对采集的温度、湿度、烟雾等參数进行实时监测和各项统计处理。单片机(5)的P2 ロ接8路红外传感器(13)，8路红外传感器(13)安装在监测车(16)的底盘上两个前轮之间的位置；单片机(5)的P1.3、P1.4接云台控制电路(12)端ロ ；单片机(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块(6)中的8路超声波传感器(11)的地址编码信号；单片机(5)的PO ロ接FPGA控制模块(6)中的超声波测距数据；单片机(5)的Pl.7、P4.7 ロ提供左、右两侧车轮的正、反转控制信号，接入FPGA控制模块(6)的2个I/Oロ ；单片机(5)的P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ提供左、右两侧车轮的PWM波的參数选择信号，分别接FPGA控制模块(6)的6个I/O ロ。下面具体分析如图1所示:监测车(15)的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别驱动左侧车轮和右侧车轮，通过调整加到两路电机驱动模块的PWM波的占空比可控制监测车(16)的车轮转速，通过调整左侧车轮和右侧车轮的转速差可控制监测车(16)的行驶方向。监测车(16)的行驶控制及环境检测的硬件电路系统主要由单片机(5)和FPGA控制模块(6)组成，FPGA控制模块(6)完成对监测车(16)的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的控制和8路超声波测距模块(11)的检测工作；单片机(5)完成与上位机(7)的无线通信、对FPGA控制模块(6)的监控、温度传感器⑶的采集、湿度传感器(9)的采集、烟雾传感器(10)的采集、循迹方式下红外传感器(13)的检测、摄像头云台控制电路(12)的控制、小车电量的检测以及整个系统的协调控制等工作。监测车(16)上设置有各种环境參数采集装置包括温度传感器(8)、湿度传感器(9)、烟雾传感器(10)。监测车(16)的无人驾驶行驶模式有无线控制和自动循迹两种行驶模式。1、监测车(16)的无线控制行驶模式:无线控制行驶模式是指监测车(16)通过无线方式接收上位机(7)的控制指令，适时调整行驶的方向和速度，也即监测车(16)根据上位机(7)的控制指令产生左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的正、反转控制信号和转速控制信号。过程如下:上位机(7)通过通信模块(I)向监测车(16)发送行驶方向和行驶速度的控制指令，监测车(16)上的通信模块(2)接收指令信息并通过串ロ送给单片机(5)，单片机(5)将控制指令转换为监测车(16)左侧车轮、右侧车轮的正、反转控制參数和速度控制參数，分别通过Pl.7和P4.7 ロ将左侧车轮、右侧车轮的正反转控制參数送给FPGA控制模块(6)，将左侧车轮、右侧车轮的8种速度控制參数分别通过P3.2 P3.4三个端口和P3.5 P3.7三个端ロ送给FPGA控制模块(6)，FPGA控制模块(6)将左侧车轮、右侧车轮的正、反转參数转换为两路正、反转控制逻辑送给左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的Ml和M2 ロ，同时根据P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ送来的左侧车轮、右侧车轮的8种速度控制參数分别产生两路占空比可调的8种PWM波，并送往左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的El和E2端ロ，左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)将控制左侧车轮的M1、E1逻辑信号和控制右侧车轮的M2、E2逻辑信号转换为功率信号驱动左侧车轮、右侧车轮转动，灵活控制监测车(16)的行驶速度和行驶方向，左侧车轮、右侧车轮各有正、反16种运转速度。当左侧车轮、右侧车轮速度一致时，监测车(16)直行(前进、后退)，当左侧车轮、右侧车轮速度不一致吋，监测车(16)能完成各种角度的转向行驶。FPGA控制模块(6)的8个I/O ロ分别外接8路超声波传感器(11)，实时检查监测车(16)的8个方向与周围障碍物的距离，单片机(5)通过与FPGA控制模块(6)相接的P4.4、P4.5、P4.6 ロ读取8路超声波传感器(11)的地址编码信号，通过PO ロ读取相应地址编号的超声波传感器的测距參数，当周围障碍物的距离小于警戒值时，单片机(5)输出给FPGA控制模块(6)的速度控制參数调整为停止參数，监测车(16)自行停车，并发出告警提示，等待上位机(7)重新发送行驶指令；同时单片机(5)将超声波测距參数通过通信模块(2)发送给上位机(7)，由上位机软件合成超声波测距雷达图像。超声波测距雷达图像以及由无线摄像头(4)传给上位机(7)的实时视频影像可以为上位机(7)对监测车(16)的行驶控制提供准确的依据。2、监测车(16)的自动循迹行驶模式:自动循迹行驶模式是指监测车(16)无需上位机的人工干预便可沿着既定轨迹自动行驶的模式，与前述的无线控制行驶模式的区别在于监测车(16)根据红外传感器的检测信号产生车轮的正、反转和转速控制信号。原理如下:上位机(7)通过通信模块向监测车(16)发出循迹控制指令后，单片机(5)调用红外传感器子程序，开始检测P2 口外接的8路红外传感器(13)，红外传感器(13)安装在监测车
(16)底盘的两个前轮之间，能将地面与预先设置的黒色轨迹的不同的光反差信号提供给单片机(5)，单片机(5)根据8路光反差信号判断监测车(16)与黒色轨迹的偏差，并算出调整监测车(16)左侧车轮、右侧车轮的正、反转控制參数及速度控制參数，FPGA控制模块(6)根据这些參数分别产生左侧车轮、右侧车轮的正、反转逻辑信号以及控制速度的PWM波，输出到左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)，从而调整监测车(16)的行驶速度和方向，以实现监测车(16)始终骑着预先设定的黑色轨迹自动寻迹行驶的功能。上位机(7)在监测车(15)的行驶(无线控制行驶模式、自动循迹行驶模式)过程中，能够实时观测监测车(15)回传的采集现场的视频影像，同时接收监测车(15)回传的温度、湿度、烟雾等环境參数，并对各项环境參数进行显示、统计、保存、警戒值告警等，完成环境监测的各项工作。无线环境监测车的硬件配置如图2所示:单片机(5)的型号是STC12C5A60S2，FPGA控制模块(6)的型号是EPlklOO。监测车(16)硬件系统的单片机(5)，其串ロ RxD2/Pl.2和TxD2/Pl.3接通信模块
(2)，P1.1、P1.5、P1.6 ロ分别接烟雾传感器(10)、温度传感器(8)、湿度传感器(9)。Pl.3、Pl.4接摄像头的云台控制电路(12)，P2 ロ接8路红外传感器(13)，P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块(6)的8路超声波传感器(11)的地址编码信号，PO ロ接FPGA控制模块(6)的超声波测距数据，P1.7、P4.7 ロ接FPGA控制模块(6)以提供左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的正、反转控制信号，P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ接FPGA控制模块(6)以提供左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)的PWM波參数选择信号。监测车(16)硬件系统的FPGA控制模块(6)选用EPlklOO，有丰富的I/O ロ，除了 19个I/O ロ与单片机(5)采用上述连接，还有8个I/O ロ分别外接8路超声波传感器(11)，4个I/O ロ分别外接左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。单片机(5)的控制功能由C51汇编语言编写完成，FPGA控制模块(6)的控制电路由VHDL硬件描述语言编写完成。上位机(7)的监控软件选用VisuaIStudio2008作为开发平台，能完成串ロ通讯、数据显示、数据查询、电机驱动控制、摄像头云台控制、视频监控等工作。
权利要求1.无线环境监测车，由上位机(7)、监测车(16)构成，监测车(16)上设置有各种环境參数采集装置，监测车(16)上的左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)分别连接左侧车轮、右侧车轮，其特征在于上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(I)、通信模块(2)无线连接；通信模块(I)、无线接收模块(3)分别接入上位机(7)的USB ロ，通信模块(2)接入单片机(5)串ロ，无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)的无线视频信号，无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上；单片机(5)分别连接红外传感器(13)、连接FPGA控制模块出)，FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左路电机驱动模块(14)、右路电机驱动模块(15)。
2.根据权利要求1所述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的P2ロ接8路红外传感器(13)，8路红外传感器(13)安装在监测车(16)的底盘上两个前轮之间的位置。
3.根据权利要求1所述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的P1.3、P1.4接云台控制电路(12)端ロ。
4.根据权利要求1所述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的P4.4、P4.5、P4.6接FPGA控制模块￠)中的8路超声波传感器(11)的地址编码信号。
5.根据权利要求1所述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的POロ接FPGA控制模块出)中的超声波测距数据。
6.根据权利要求1所述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的PL7、P4.7 ロ提供左、右两侧车轮的正、反转控制信号，接入FPGA控制模块(6)的2个I/O ロ。
7.根据权利要求1所 述的无线环境监测车，其特征在于单片机(5)的P3.2 P3.4和P3.5 P3.7 ロ提供左、右两侧车轮的PWM波的參数选择信号，分别接FPGA控制模块(6)的6 个 I/O ロ。
专利摘要本实用新型涉及无线环境监测车。本实用新型结构为监测车(16)上的左、右路电机驱动模块(14)、(15)分别连接左、右侧车轮，上位机(7)和监测车(16)通过通信模块(1)、(2)无线连接；通信模块(1)、无线接收模块(3)接入上位机(7)的USB口，通信模块(2)接入单片机(5)串口，无线接收模块(3)接收无线摄像头(4)信号，无线摄像头(4)、单片机(5)设置在监测车(16)上，单片机(5)连接红外传感器(13)、FPGA控制模块(6)，FPGA控制模块(6)分别连接超声波测距传感器(11)、左、右路电机驱动模块(14)、(15)。本实用新型解决了监测车在危险环境中仍需人驾驶的缺陷。本实用新型能够在无人情形下自动进入危险环境工作。
文档编号G08C17/00GK202947759SQ2012204314
公开日2013年5月22日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者郑洁, 陈淏 申请人:扬州大学