一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車的製作方法

2023-06-25 17:52:41

專利名稱：一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，它是一種能夠實現對預定超聲波信號源自主跟隨的裝置，屬於計算機控制技術領域。
二背景技術：
目前市場上多數的倉儲貨物運輸器械如手推車、平板車等，多數還都需要人力提供動力，由此人為控制運動的起始及快慢狀態，又比如超市的購物車、人們普遍使用的行李箱、運輸貨物的三輪車等等，在較大程度上佔用了過多的人力物力等資源，尤其是該傳統運輸方式佔用和消耗了過多的社會勞動力。本實用新型開發出了一種可以自主跟隨預定信號源的運輸控制系統，並就此自主運輸平臺製作了概念型自主跟隨運輸車。現如今國內外已設計出自動跟隨運輸機器人的類似模型，但其跟隨主信號的採集是地面已有軌跡的識別，主要在於識別淺色地面背景上的黑線或預先布好的電磁線路，例如菲斯卡爾智能車，在跟隨功能上受到更多的場所環境限制，目前還很難廣泛應用於日常生活。本實用新型設計製作出的自主跟隨運輸車，其主要功能在於能夠通過非接觸式的超聲波傳感器確定跟隨方向，極大改善機器人跟隨行走方式以提高實際應用功能。在該運輸車的實際應用前景方面，將來在具體應用的過程中可以通過逐步調整動力及載重部分模塊，根據用途及應用背景的不同，以本實用新型的控制系統為基礎二次開發製作出從幾公斤到數噸級別不等的自動運輸車，所應用的工作場地、工作環境也可以是各不相同的，可以針對辦公室、車間等相對簡單的環境進行自動運輸，也可以是港口、碼頭等較混亂、需要載重量大的場所，也可以根據改裝方式不同，適用於易燃易爆、有灰塵、泥濘、露天、潮溼的人力不宜發揮作用的應用環境。本實用新型是自動化運輸控制研究方面的一個創造，為相關研究提供了一個簡便可行方案。同時本實用新型設計方案製作材料要求不高，工藝也易於實現，既有利於降低科研成本，也有較好的商業化潛力，有較高的市場投入價值。
三
實用新型內容本實用新型一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，它是一種用電子與機械相結合的方式實現對超聲波信號源的固定朝向行走，從而完成自主跟隨目標信號的運輸車。本實用新型一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，它是由信號分析處理系統，綜合決策控制系統、動力執行系統三部分組成，它們之間的位置連接關係是信號分析處理系統與綜合決策控制系統布置於同一塊電路板上，信號分析處理系統的觸發端連接在綜合決策控制系統的輸出端，觸發後開始工作，信號處理結果以相應的電平轉換方式， 經四條分置的信號線輸入到綜合決策控制系統當中，綜合決策控制系統中的電機驅動模塊電路同時連接5V電源和24V直流電源，其輸出連接到動力執行系統的直流減速電機上，驅動直流減速電動機等動力執行機構進行相應運動，調整運動狀態。[0008]一、所述信號分析處理系統，是由四個超聲波接收模塊電路構成，其間相互關係是電氣結構方面並行，共用同一觸發信號，而接收到超聲波後的返回信號分別並行地連接到主控制器。該四個超聲波接收模塊在位置上構成坐標系上的4個已知點，如此通過時間差的拾取和解算就可以獲得目標信號源的坐標位置；每個超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭及其信號調理電路，其間關係是該超聲波接收探頭可拾取到超聲波，並將其轉化為電信號輸出，為毫伏級，在信號調理電路中，對此前輸入信號進行兩級放大並濾波處理，送入窗口比較電路進行判斷，進而將信號轉化為數字量輸出；該超聲波接收探頭是按需要選購的產品；該信號調理電路由兩級放大電路和窗口比較電路組成，其之間採用無源濾波結構連接，輸出到窗口比較器中比較輸出數字量；超聲波接收模塊電路共有4個外接引腳VCC、 GND、TRIG、ECHO，其中VCC、GND引腳接受系統整體供電，其TRIG引腳接收到一個高電平脈衝信號後，會將其ECHO端電平拉高，在100毫秒內接收到超聲波信號則會立即回落為低電平，否則將在觸發脈衝結束後100毫秒時自動回落為低電平；本系統中，該四個超聲波接收模塊電路的TRIG引腳共用同一觸發信號，連接到綜合決策控制系統，由其中主控制器給出觸發信號後，四者的ECHO埠均自動置為高電平，在固定的時間內如果接受到了超聲波信號，對應埠會降為低電平，主控制器則會精確記錄下其間所間隔的時鐘個數，並將此數值記錄後發送到相應解算函數中處理；四個超聲波接收模塊電路的ECHO引腳，分別連接到綜合決策控制系統中主控制器的不同輸入通道，供其讀取狀態；如前所述，四個超聲波接收模塊電路均布於電路板上一已知長寬的矩形四角上，構成四個已知坐標點，其超聲波接收探頭朝向信號來源方向。二、所述綜合決策控制系統，包括主控制器、電機驅動模塊電路兩大部分，其之間關係是主控制器通過IO通用埠，控制電機驅動模塊的通電方式和通電時間；該主控制器是一種低功耗、高性能的微控制器，除負責超聲波接收模塊電路的TRIG電平觸發、4個超聲波接收模塊電路的ECHO引腳的狀態讀入之外，還起到了定時器的計數、數據分析、解算決策處理、向直流減速電機驅動電路輸送相應驅動信號的功能和作用，以此帶動直流減速電機完成跟隨動作，負責完成超聲波接收信號的監測判別和防誤判；此外，需要對主控制器進行編程，程序編寫過程中，採用了模塊化設計 (ModularizationDesign)思想，其優點是思路清晰、通用性強、便於調試。程序設計模塊由主程序、電機驅動模塊、控制運算模塊、計時器模塊、應用GPS原理的解算模塊、PWM電機調速控制模塊。它們可採集超聲波信號源的大致位置信號，對車體前進、停止、左轉和右轉等動作做出及時準確穩定的綜合控制，流程圖如圖4所示。主程序主程序主要負責針對STC89C52RC內部定時器、1/0 口的操作以及其他函數的調用，同時負責記錄超聲波到達各點相對時間的記錄以及到達順序的判斷。電機驅動模塊在初始化階段將電機置於停止狀態(Bre置1)，方向控制位(Dir)置1，當調用啟動模塊時給Pwm引腳啟動信號並拉低Bre位即可，反之停止。控制運算模塊控制運算模塊主要負責根據主程序提供的相對時間及相對順序進行解算，程序中應用到了 GPS原理，由相對接收時間差及預先測量輸入好的四點位置信息進行解算和處理，交付給主函數進行判斷，四點的運算使得系統解算精度提高，從而保證自動跟蹤控制系統控制器的動態性能及靜態指標要求。計時器模塊計時器模塊主要負責記錄各個超聲波信號到達的準確相對時間間隔，提取和記錄後交付控制運算模塊進行解算處理。應用GPS原理的解算模塊首先需要對超聲波調理電路的相應埠進行初始化設置，尤其是超聲接收模塊電路中的TRIG引腳，在進入檢測周期之前必需置零，以避免導致系統做出誤判動作。進入檢測周期後，向TRIG引腳發出一個高於10毫秒的高脈衝新號，等待各超聲波電路的ECHO 口發出高電平作為響應，此後循環檢測各埠的ECHO 口是否出現低電平，如出現低電平則說明該處接收到了超聲波信號，在監測到第一個ECHO變低之後開計時器開始計數，接收到第二個ECHO變低後停計數器記錄時間，依此過程進行直到接收到四個超聲波信號的響應。將四個超聲接收探頭接收到的相對時間按照固定的位置順序送到解算函數中進行計算和分析當在控制系統中至少布置3個超聲波接收探頭SO、Si、S2時。坐標分別為 (X0, Y0)，(XI，Yl)，(X2，Y2)，當平面上某處(X，Y)發出超聲波，該信號先後被3點所接收， 設時間分別為t0，tl，t2。由此得出它們的時間差Atl = tl-t0, At2 = t2-t0。設超聲波在空氣中的傳播速度為C。對接收器SO和Sl而言，聲源發生的位置應當在到該兩點的距離差為cA tl的曲線上，這是一條雙曲線的一隻。很明顯，利用Atl和At2可以得到兩條雙曲線，它們的交點就是聲源所在的位置(如圖2)。設聲源的位置坐標為(X，Y)，極坐標為(r，θ)，接收器i的坐標為(Xi，Yi)，令SO 為坐標原點，則(x，Y)滿足
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I ,Y 一 '· a, :·\· 一 \· ''λ, — '「『 ■ · J^ .\r- 、』 -,. , _ i ι J μ ,ι — - L -',
",.AtM ^fa^fc W其中僅X、Y、r為未知量，通過方程組可以結算出結果；本實用新型中共布置了四個超聲波接收探頭，因而可以形成三組解算單元，通過每次計算的平均值可以增加定位的精度。通過上述應用GPS原理的解算，返回信號源的位置X、Y，並判斷是否需要轉彎，如不需要轉彎則繼續驅動電機直行，如需要轉彎則一個電機停轉。如解算出X、Y值較小說明已跟上信號源或此時探頭未接收到超聲波信號，給電機停轉。PWM電機調速控制模塊PWM電機調速控制模塊由定時器1進行累加，給相應的啟動信號後，由中斷服務程序觸發波形變化，使電機運轉能夠以可調的加速度達到預期的速度水平。該電機驅動模塊電路，原理圖如圖1，該模塊電路共有9個引腳，其中有兩組對稱的Brel、Pwml、Dirl和Bre2、Pwm2、Dir2引腳，連接到主控制器的10接口，分別控制兩個直流減速電動機，24+引腳需連接到24V蓄電池的正端，VCC引腳需與主控制器的電源埠連接接受同一 5V鎳氫電池供，GND引腳為共地端，該模塊電路負責將單片機的指令發給電機，並通過光耦合集成電路隔離控制電路和動力電路，進而可以靈活控制直流減速電機的動作。[0030]三、所述動力執行系統，是指直流減速電機、固定架體和車輪，負責完成結構的固定和整體系統的驅動。其之間關係是直流減速電機通過螺栓固定在固定架體上，其上的輸出軸與車輪連接，輸出扭矩；固定架體是由一塊矩形中心板和兩側的L型板連結構成的鑄鐵結構，其視圖如圖3 ；車輪通過平鍵連接到電機輸出軸。該固定架體可改裝在簡易的超市購物車車體上，使其具備足夠的動力和穩定性完成自主跟隨運輸功能。其中，該超聲波接收探頭的型號是TCT40_16R3 ；其中，該主控制器的型號是STC89C52 ；其中，該電機驅動模塊電路的型號是Two_LMD18200_Drv2. 1_ ；其中，該直流減速電機的型號是linix生產的45ZY-24-30-D ；其中，該車輪直徑為10-15釐米。細節說明當超聲波探頭沒有接收到超聲波信號時，在經過一段時間後各超聲波接收電路的ECHO也會自然下落成低電平，但此時，各探頭的時間差將會很小，解算出的X、Y 值足夠小，可以設定閾值進行排除。優點及功效本實用新型通過傳遞信號的合理選擇及測控系統的完整設計，一定程度上解決了 GPS原理定位不夠精確的重要問題，通過對超聲波信號的有效處理，對非接觸式信號控制的自主跟隨運輸車的實現提供了一個很好的方案。而且本實用新型還具有易於實現、成本不高，使用範圍較廣，可拓展性也較強的優點，同時由於市場空白，還存在著較為廣闊的市場開拓前景，有深厚的潛在商業價值。
四
圖1直流減速電動機驅動電路原理圖圖2所應用的GPS原理示意圖圖3用solid works構建的固定架體結構示意圖圖4程序控制流程圖圖5本實用新型結構示意圖圖1中其接口 Jl的三個連接端對應於Brel、Pwml、Dirl，J2接口的三個連接端對應於Bre2、Pwm2、Dir2引腳，此外接受5V電源和MV電源供電，GND為共地端。圖2中相應符號注釋令SO為坐標原點，S1、S2為接收探頭所在坐標位置，設聲源的位置坐標為(X，Y)，L0、Li、L2、分別為信號源到三個接收點的距離，CAtl為信號發射源到SO、Sl點距離差，c Δ t2為信號發射源到S0、S2點距離差，以此確定兩條雙曲線。
五具體實施方式
本實用新型一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，它是由信號分析處理系統，綜合決策控制系統、動力執行系統三部分組成，它們之間的位置連接關係是信號分析處理系統與綜合控制系統布置於同一塊電路板上，信號分析處理系統的觸發端連接於綜合決策控制系統的輸出端，觸發後開始工作，信號處理結果以相應的電平轉換方式，經四條分置的信號線輸入到綜合控制系統當中進行解算，解算圖示如圖2，綜合控制系統中的電機驅動模塊，同時連接5V電源和24V直流電源，其電路結構原理圖如圖1，其輸出連接到動力執行系統的電機上，驅動直流減速電動機等動力執行機構進行相應運動，調整運動狀態。 整體運行流程如圖4。本項目設計內容的關鍵在於信號的選擇和處理解算過程，超聲波能量消耗緩慢， 在介質中傳播的距離較遠，且以聲速傳播，利用聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易於做到實時控制，並且在測量精度方面能達到實際應用要求。假設被跟蹤目標發出40KHz 的超聲波信號，接受信號的運輸車上4個超聲波信號接收探頭間距1米則接收時間差為3 毫秒，處理此信號需要的時鐘頻率為4k赫茲以上。因此，選用超聲波信號作為載波信號。計算過程如下At= lm/340s = 0. 0029s fmin = 1/ Δ t = 340Hz f = 12*fmin = 4KHz.關於器件型號選擇，超聲波接收探頭採用TCT40-16R3，核心控制器採用 STC89C52，電機驅動主電路集成晶片採用LMD18200，直流減速電機採用Iinix生產的 45ZY-24-30-D ；電機固定架採用3毫米厚鑄鐵結構設計，通孔直徑6毫米，具體結構外形如圖3，車輪直徑為12釐米。本實用新型所採用的都是較常見的電子控制電路、傳感器及其調理電路、直流減速電機及其驅動電路等元件，具體連接關係如圖5。由於對製作材料和機械部分的加工精度也都沒有很高要求，因而易於實現、成本也不高，作為自主跟隨系統控制的研究的樣機，既可以實現研究目的又能降低研究成本；在商業市場開發上，有很多方面的市場可以開拓，比如改裝行李箱使其能夠自動跟隨主人行走，比如物流運輸過程中的自動化運輸，另一方面， 本實用新型也便於實現大量生產，具有很大的潛力。此外，該系統中的動力執行部分採用夾板式結構，方便安裝固定和使用，可以廣泛應用於多種已有產品上，例如超市的購物車等等。如上所述，本實用新型製作實現相對較容易。不過在具體實施製作中，需要特別注意保證信號測量以及機械固定精度，具體表現於以下幾個方面①要選用相同型號的超聲波接收探頭以及信號調理電路，保證在無信號接收的情況下各部分ECHO 口的高電平保持時間接近相同，進而可以防止誤判；②組裝時要保證兩側車輪高度相同，且使彈性聯軸器兩端的軸儘量同軸；③組裝時要保證超聲波探頭朝向正前方或略上揚。
權利要求1.一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於它是由信號分析處理系統、綜合決策控制系統和動力執行系統三部分組成，信號分析處理系統與綜合決策控制系統布置在同一塊電路板上，信號分析處理系統的觸發端連接在綜合決策控制系統的輸出端，信號處理結果以相應的電平轉換方式，經四條分置的信號線輸入到綜合決策控制系統當中，綜合決策控制系統中的電機驅動模塊電路同時連接5V電源和24V直流電源，其輸出連接到動力執行系統的直流減速電機上；所述信號分析處理系統，是由四個超聲波接收模塊電路構成並均布於電路板上一已知長寬的矩形四角上；電氣結構方面並行，共用同一觸發信號，而接收到超聲波後的返回信號分別並行地連接到主控制器；每個超聲波接收模塊包括超聲波接收探頭及其信號調理電路，該超聲波接收探頭拾取超聲波，將其轉化為電信號輸出到信號調理電路中進行放大濾波並送入窗口比較電路進行判斷，進而將信號轉化為數字量輸出；該信號調理電路由兩級放大電路和窗口比較電路組成，其之間採用無源濾波結構連接，輸出到窗口比較器中；所述綜合決策控制系統，包括主控制器、電機驅動模塊電路兩大部分，主控制器通過IO 通用埠與電機驅動模塊連結；所述動力執行系統，是指直流減速電機、固定架體和車輪，直流減速電機通過螺栓固定在固定架體上，其上的輸出軸與車輪連接；該固定架體是由一塊矩形中心板和兩側的L型板連結構成的鑄鐵結構，該車輪通過平鍵連接到電機輸出軸。
2.根據權利要求1所述的一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於該超聲波接收探頭的型號是TCT40-16R3。
3.根據權利要求1所述的一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於該主控制器的型號是STC89C52。
4.根據權利要求1所述的一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於該直流減速電機的型號是=Iinix生產的45ZY-24-30-D。
5.根據權利要求1所述的一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於該電機驅動模塊電路的型號是Two_LMD18200_Drv2. 1_。
6.根據權利要求1所述的一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，其特徵在於動力執行系統中所述的車輪，其直徑為10-15釐米。
專利摘要一種基於超聲波控制的非接觸式自動跟蹤運輸車，由信號分析處理系統，綜合決策控制系統、動力執行系統三部分組成，信號分析處理系統與綜合控制系統布置於同一塊電路板上，信號分析處理系統的觸發端連接於綜合決策控制系統的輸出端，信號處理結果以相應的電平轉換方式，經四條分置的信號線輸入到綜合控制系統當中，綜合控制系統中的電機驅動模塊，同時連接5V電源和24V直流電源，其輸出連接到動力執行系統的電機上，驅動直流減速電動機等動力執行機構進行相應運動，調整運動狀態。本實用新型為自主跟隨運輸車的自主控制的研究和設計提供了一套合理且易行的方案，在實用化、商業化上具有潛力和實用價值。
文檔編號G05D1/02GK202041852SQ20112010739
公開日2011年11月16日 申請日期2011年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者週遊, 李正天, 段海濱, 肖瑾 申請人:北京航空航天大學