专利名称：一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，它是一种能够实现对预定超声波信号源自主跟随的装置，属于计算机控制技术领域。
二背景技术：
目前市场上多数的仓储货物运输器械如手推车、平板车等，多数还都需要人力提供动力，由此人为控制运动的起始及快慢状态，又比如超市的购物车、人们普遍使用的行李箱、运输货物的三轮车等等，在较大程度上占用了过多的人力物力等资源，尤其是该传统运输方式占用和消耗了过多的社会劳动力。本实用新型开发出了一种可以自主跟随预定信号源的运输控制系统，并就此自主运输平台制作了概念型自主跟随运输车。现如今国内外已设计出自动跟随运输机器人的类似模型，但其跟随主信号的采集是地面已有轨迹的识别，主要在于识别浅色地面背景上的黑线或预先布好的电磁线路，例如菲斯卡尔智能车，在跟随功能上受到更多的场所环境限制，目前还很难广泛应用于日常生活。本实用新型设计制作出的自主跟随运输车，其主要功能在于能够通过非接触式的超声波传感器确定跟随方向，极大改善机器人跟随行走方式以提高实际应用功能。在该运输车的实际应用前景方面，将来在具体应用的过程中可以通过逐步调整动力及载重部分模块，根据用途及应用背景的不同，以本实用新型的控制系统为基础二次开发制作出从几公斤到数吨级别不等的自动运输车，所应用的工作场地、工作环境也可以是各不相同的，可以针对办公室、车间等相对简单的环境进行自动运输，也可以是港口、码头等较混乱、需要载重量大的场所，也可以根据改装方式不同，适用于易燃易爆、有灰尘、泥泞、露天、潮湿的人力不宜发挥作用的应用环境。本实用新型是自动化运输控制研究方面的一个创造，为相关研究提供了一个简便可行方案。同时本实用新型设计方案制作材料要求不高，工艺也易于实现，既有利于降低科研成本，也有较好的商业化潜力，有较高的市场投入价值。
三
实用新型内容本实用新型一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，它是一种用电子与机械相结合的方式实现对超声波信号源的固定朝向行走，从而完成自主跟随目标信号的运输车。本实用新型一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，它是由信号分析处理系统，综合决策控制系统、动力执行系统三部分组成，它们之间的位置连接关系是信号分析处理系统与综合决策控制系统布置于同一块电路板上，信号分析处理系统的触发端连接在综合决策控制系统的输出端，触发后开始工作，信号处理结果以相应的电平转换方式， 经四条分置的信号线输入到综合决策控制系统当中，综合决策控制系统中的电机驱动模块电路同时连接5V电源和24V直流电源，其输出连接到动力执行系统的直流减速电机上，驱动直流减速电动机等动力执行机构进行相应运动，调整运动状态。[0008]一、所述信号分析处理系统，是由四个超声波接收模块电路构成，其间相互关系是电气结构方面并行，共用同一触发信号，而接收到超声波后的返回信号分别并行地连接到主控制器。该四个超声波接收模块在位置上构成坐标系上的4个已知点，如此通过时间差的拾取和解算就可以获得目标信号源的坐标位置；每个超声波接收模块包括超声波接收探头及其信号调理电路，其间关系是该超声波接收探头可拾取到超声波，并将其转化为电信号输出，为毫伏级，在信号调理电路中，对此前输入信号进行两级放大并滤波处理，送入窗口比较电路进行判断，进而将信号转化为数字量输出；该超声波接收探头是按需要选购的产品；该信号调理电路由两级放大电路和窗口比较电路组成，其之间采用无源滤波结构连接，输出到窗口比较器中比较输出数字量；超声波接收模块电路共有4个外接引脚VCC、 GND、TRIG、ECHO，其中VCC、GND引脚接受系统整体供电，其TRIG引脚接收到一个高电平脉冲信号后，会将其ECHO端电平拉高，在100毫秒内接收到超声波信号则会立即回落为低电平，否则将在触发脉冲结束后100毫秒时自动回落为低电平；本系统中，该四个超声波接收模块电路的TRIG引脚共用同一触发信号，连接到综合决策控制系统，由其中主控制器给出触发信号后，四者的ECHO端口均自动置为高电平，在固定的时间内如果接受到了超声波信号，对应端口会降为低电平，主控制器则会精确记录下其间所间隔的时钟个数，并将此数值记录后发送到相应解算函数中处理；四个超声波接收模块电路的ECHO引脚，分别连接到综合决策控制系统中主控制器的不同输入通道，供其读取状态；如前所述，四个超声波接收模块电路均布于电路板上一已知长宽的矩形四角上，构成四个已知坐标点，其超声波接收探头朝向信号来源方向。二、所述综合决策控制系统，包括主控制器、电机驱动模块电路两大部分，其之间关系是主控制器通过IO通用端口，控制电机驱动模块的通电方式和通电时间；该主控制器是一种低功耗、高性能的微控制器，除负责超声波接收模块电路的TRIG电平触发、4个超声波接收模块电路的ECHO引脚的状态读入之外，还起到了定时器的计数、数据分析、解算决策处理、向直流减速电机驱动电路输送相应驱动信号的功能和作用，以此带动直流减速电机完成跟随动作，负责完成超声波接收信号的监测判别和防误判；此外，需要对主控制器进行编程，程序编写过程中，采用了模块化设计 (ModularizationDesign)思想，其优点是思路清晰、通用性强、便于调试。程序设计模块由主程序、电机驱动模块、控制运算模块、计时器模块、应用GPS原理的解算模块、PWM电机调速控制模块。它们可采集超声波信号源的大致位置信号，对车体前进、停止、左转和右转等动作做出及时准确稳定的综合控制，流程图如图4所示。<1>主程序主程序主要负责针对STC89C52RC内部定时器、1/0 口的操作以及其他函数的调用，同时负责记录超声波到达各点相对时间的记录以及到达顺序的判断。<2>电机驱动模块在初始化阶段将电机置于停止状态(Bre置1)，方向控制位(Dir)置1，当调用启动模块时给Pwm引脚启动信号并拉低Bre位即可，反之停止。<3>控制运算模块控制运算模块主要负责根据主程序提供的相对时间及相对顺序进行解算，程序中应用到了 GPS原理，由相对接收时间差及预先测量输入好的四点位置信息进行解算和处理，交付给主函数进行判断，四点的运算使得系统解算精度提高，从而保证自动跟踪控制系统控制器的动态性能及静态指标要求。<4>计时器模块计时器模块主要负责记录各个超声波信号到达的准确相对时间间隔，提取和记录后交付控制运算模块进行解算处理。<5>应用GPS原理的解算模块首先需要对超声波调理电路的相应端口进行初始化设置，尤其是超声接收模块电路中的TRIG引脚，在进入检测周期之前必需置零，以避免导致系统做出误判动作。进入检测周期后，向TRIG引脚发出一个高于10毫秒的高脉冲新号，等待各超声波电路的ECHO 口发出高电平作为响应，此后循环检测各端口的ECHO 口是否出现低电平，如出现低电平则说明该处接收到了超声波信号，在监测到第一个ECHO变低之后开计时器开始计数，接收到第二个ECHO变低后停计数器记录时间，依此过程进行直到接收到四个超声波信号的响应。将四个超声接收探头接收到的相对时间按照固定的位置顺序送到解算函数中进行计算和分析当在控制系统中至少布置3个超声波接收探头SO、Si、S2时。坐标分别为 (X0, Y0)，(XI，Yl)，(X2，Y2)，当平面上某处(X，Y)发出超声波，该信号先后被3点所接收， 设时间分别为t0，tl，t2。由此得出它们的时间差Atl = tl-t0, At2 = t2-t0。设超声波在空气中的传播速度为C。对接收器SO和Sl而言，声源发生的位置应当在到该两点的距离差为cA tl的曲线上，这是一条双曲线的一只。很明显，利用Atl和At2可以得到两条双曲线，它们的交点就是声源所在的位置(如图2)。设声源的位置坐标为(X，Y)，极坐标为(r，θ)，接收器i的坐标为(Xi，Yi)，令SO 为坐标原点，则(x，Y)满足
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",.AtM ^fa^fc W其中仅X、Y、r为未知量，通过方程组可以结算出结果；本实用新型中共布置了四个超声波接收探头，因而可以形成三组解算单元，通过每次计算的平均值可以增加定位的精度。通过上述应用GPS原理的解算，返回信号源的位置X、Y，并判断是否需要转弯，如不需要转弯则继续驱动电机直行，如需要转弯则一个电机停转。如解算出X、Y值较小说明已跟上信号源或此时探头未接收到超声波信号，给电机停转。<6>PWM电机调速控制模块PWM电机调速控制模块由定时器1进行累加，给相应的启动信号后，由中断服务程序触发波形变化，使电机运转能够以可调的加速度达到预期的速度水平。该电机驱动模块电路，原理图如图1，该模块电路共有9个引脚，其中有两组对称的Brel、Pwml、Dirl和Bre2、Pwm2、Dir2引脚，连接到主控制器的10接口，分别控制两个直流减速电动机，24+引脚需连接到24V蓄电池的正端，VCC引脚需与主控制器的电源端口连接接受同一 5V镍氢电池供，GND引脚为共地端，该模块电路负责将单片机的指令发给电机，并通过光耦合集成电路隔离控制电路和动力电路，进而可以灵活控制直流减速电机的动作。[0030]三、所述动力执行系统，是指直流减速电机、固定架体和车轮，负责完成结构的固定和整体系统的驱动。其之间关系是直流减速电机通过螺栓固定在固定架体上，其上的输出轴与车轮连接，输出扭矩；固定架体是由一块矩形中心板和两侧的L型板连结构成的铸铁结构，其视图如图3 ；车轮通过平键连接到电机输出轴。该固定架体可改装在简易的超市购物车车体上，使其具备足够的动力和稳定性完成自主跟随运输功能。其中，该超声波接收探头的型号是TCT40_16R3 ；其中，该主控制器的型号是STC89C52 ；其中，该电机驱动模块电路的型号是Two_LMD18200_Drv2. 1_ ；其中，该直流减速电机的型号是linix生产的45ZY-24-30-D ；其中，该车轮直径为10-15厘米。细节说明当超声波探头没有接收到超声波信号时，在经过一段时间后各超声波接收电路的ECHO也会自然下落成低电平，但此时，各探头的时间差将会很小，解算出的X、Y 值足够小，可以设定阈值进行排除。优点及功效本实用新型通过传递信号的合理选择及测控系统的完整设计，一定程度上解决了 GPS原理定位不够精确的重要问题，通过对超声波信号的有效处理，对非接触式信号控制的自主跟随运输车的实现提供了一个很好的方案。而且本实用新型还具有易于实现、成本不高，使用范围较广，可拓展性也较强的优点，同时由于市场空白，还存在着较为广阔的市场开拓前景，有深厚的潜在商业价值。
四
图1直流减速电动机驱动电路原理图图2所应用的GPS原理示意图图3用solid works构建的固定架体结构示意图图4程序控制流程图图5本实用新型结构示意图图1中其接口 Jl的三个连接端对应于Brel、Pwml、Dirl，J2接口的三个连接端对应于Bre2、Pwm2、Dir2引脚，此外接受5V电源和MV电源供电，GND为共地端。图2中相应符号注释令SO为坐标原点，S1、S2为接收探头所在坐标位置，设声源的位置坐标为(X，Y)，L0、Li、L2、分别为信号源到三个接收点的距离，CAtl为信号发射源到SO、Sl点距离差，c Δ t2为信号发射源到S0、S2点距离差，以此确定两条双曲线。
五具体实施方式
本实用新型一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，它是由信号分析处理系统，综合决策控制系统、动力执行系统三部分组成，它们之间的位置连接关系是信号分析处理系统与综合控制系统布置于同一块电路板上，信号分析处理系统的触发端连接于综合决策控制系统的输出端，触发后开始工作，信号处理结果以相应的电平转换方式，经四条分置的信号线输入到综合控制系统当中进行解算，解算图示如图2，综合控制系统中的电机驱动模块，同时连接5V电源和24V直流电源，其电路结构原理图如图1，其输出连接到动力执行系统的电机上，驱动直流减速电动机等动力执行机构进行相应运动，调整运动状态。 整体运行流程如图4。本项目设计内容的关键在于信号的选择和处理解算过程，超声波能量消耗缓慢， 在介质中传播的距离较远，且以声速传播，利用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实际应用要求。假设被跟踪目标发出40KHz 的超声波信号，接受信号的运输车上4个超声波信号接收探头间距1米则接收时间差为3 毫秒，处理此信号需要的时钟频率为4k赫兹以上。因此，选用超声波信号作为载波信号。计算过程如下At= lm/340s = 0. 0029s fmin = 1/ Δ t = 340Hz f = 12*fmin = 4KHz.关于器件型号选择，超声波接收探头采用TCT40-16R3，核心控制器采用 STC89C52，电机驱动主电路集成芯片采用LMD18200，直流减速电机采用Iinix生产的 45ZY-24-30-D ；电机固定架采用3毫米厚铸铁结构设计，通孔直径6毫米，具体结构外形如图3，车轮直径为12厘米。本实用新型所采用的都是较常见的电子控制电路、传感器及其调理电路、直流减速电机及其驱动电路等元件，具体连接关系如图5。由于对制作材料和机械部分的加工精度也都没有很高要求，因而易于实现、成本也不高，作为自主跟随系统控制的研究的样机，既可以实现研究目的又能降低研究成本；在商业市场开发上，有很多方面的市场可以开拓，比如改装行李箱使其能够自动跟随主人行走，比如物流运输过程中的自动化运输，另一方面， 本实用新型也便于实现大量生产，具有很大的潜力。此外，该系统中的动力执行部分采用夹板式结构，方便安装固定和使用，可以广泛应用于多种已有产品上，例如超市的购物车等等。如上所述，本实用新型制作实现相对较容易。不过在具体实施制作中，需要特别注意保证信号测量以及机械固定精度，具体表现于以下几个方面①要选用相同型号的超声波接收探头以及信号调理电路，保证在无信号接收的情况下各部分ECHO 口的高电平保持时间接近相同，进而可以防止误判；②组装时要保证两侧车轮高度相同，且使弹性联轴器两端的轴尽量同轴；③组装时要保证超声波探头朝向正前方或略上扬。
权利要求1.一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于它是由信号分析处理系统、综合决策控制系统和动力执行系统三部分组成，信号分析处理系统与综合决策控制系统布置在同一块电路板上，信号分析处理系统的触发端连接在综合决策控制系统的输出端，信号处理结果以相应的电平转换方式，经四条分置的信号线输入到综合决策控制系统当中，综合决策控制系统中的电机驱动模块电路同时连接5V电源和24V直流电源，其输出连接到动力执行系统的直流减速电机上；所述信号分析处理系统，是由四个超声波接收模块电路构成并均布于电路板上一已知长宽的矩形四角上；电气结构方面并行，共用同一触发信号，而接收到超声波后的返回信号分别并行地连接到主控制器；每个超声波接收模块包括超声波接收探头及其信号调理电路，该超声波接收探头拾取超声波，将其转化为电信号输出到信号调理电路中进行放大滤波并送入窗口比较电路进行判断，进而将信号转化为数字量输出；该信号调理电路由两级放大电路和窗口比较电路组成，其之间采用无源滤波结构连接，输出到窗口比较器中；所述综合决策控制系统，包括主控制器、电机驱动模块电路两大部分，主控制器通过IO 通用端口与电机驱动模块连结；所述动力执行系统，是指直流减速电机、固定架体和车轮，直流减速电机通过螺栓固定在固定架体上，其上的输出轴与车轮连接；该固定架体是由一块矩形中心板和两侧的L型板连结构成的铸铁结构，该车轮通过平键连接到电机输出轴。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于该超声波接收探头的型号是TCT40-16R3。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于该主控制器的型号是STC89C52。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于该直流减速电机的型号是=Iinix生产的45ZY-24-30-D。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于该电机驱动模块电路的型号是Two_LMD18200_Drv2. 1_。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，其特征在于动力执行系统中所述的车轮，其直径为10-15厘米。
专利摘要一种基于超声波控制的非接触式自动跟踪运输车，由信号分析处理系统，综合决策控制系统、动力执行系统三部分组成，信号分析处理系统与综合控制系统布置于同一块电路板上，信号分析处理系统的触发端连接于综合决策控制系统的输出端，信号处理结果以相应的电平转换方式，经四条分置的信号线输入到综合控制系统当中，综合控制系统中的电机驱动模块，同时连接5V电源和24V直流电源，其输出连接到动力执行系统的电机上，驱动直流减速电动机等动力执行机构进行相应运动，调整运动状态。本实用新型为自主跟随运输车的自主控制的研究和设计提供了一套合理且易行的方案，在实用化、商业化上具有潜力和实用价值。
文档编号G05D1/02GK202041852SQ20112010739
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者周游, 李正天, 段海滨, 肖瑾 申请人:北京航空航天大学