專利名稱：一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種基于超聲波傳感器和STM32微控制器的輪式自動(dòng)避障機(jī)器人， 主要用于機(jī)器人自動(dòng)躲避障礙，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
起初機(jī)器人從A到達(dá)B點(diǎn)的途中會(huì)遇到障礙物，為了能夠自動(dòng)躲避這些障礙物，自動(dòng)避障機(jī)器人孕育而生。隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)避障機(jī)器人平臺的應(yīng)用越來越多，比如搜救，物流，無人車間，管道布線等等。一般來講，傳統(tǒng)的自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，為了能感知環(huán)境中的障礙物，傳感器主要采用紅外開關(guān)，激光測距傳感器，攝像頭等。紅外開關(guān)工作原理使用擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，它的檢測頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測物通過時(shí)擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個(gè)開關(guān)信號。其優(yōu)點(diǎn)在于成本非常低廉，結(jié)構(gòu)簡單，體積非常??；缺點(diǎn)是容易被干擾，無法準(zhǔn)確測量出距離。激光測距工作原理脈沖式激光測距傳感器是通過測量激光從發(fā)射到返回之間的時(shí)間來計(jì)算距離的。其優(yōu)點(diǎn)是精度高，測量距離遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高。攝像頭工作原理利用雙目攝像頭可以捕捉到實(shí)時(shí)圖像，通過圖像分析可以辨別是否有障礙物。其優(yōu)點(diǎn)是盲區(qū)小，成本比較低；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，不能準(zhǔn)確計(jì)算距離，光線影響大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型主要針對自動(dòng)避障機(jī)器人存在的以上問題，提供了一種基于 STM32F103微控制器的智能自動(dòng)避障機(jī)器人平臺。該平臺使用超聲波雷達(dá)作為空間探測的主要傳感器，利用比例為1 10電動(dòng)模型車底盤作為平臺的移動(dòng)機(jī)構(gòu)。該自動(dòng)避障機(jī)器人平臺具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，模塊化設(shè)計(jì)，拓展性強(qiáng)，應(yīng)用靈活，反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型主要在平臺周圍安裝了超聲波傳感器，可以自動(dòng)躲避障礙。平臺依靠電池提供主要電源。上位機(jī)軟件通過藍(lán)牙模塊與機(jī)器人平臺通信，實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人平臺傳感器的狀態(tài)，同時(shí)可以向平臺發(fā)送指令。本實(shí)用新型發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，包括超聲波測距傳感器1，移動(dòng)小車2和控制主板3三大部分組成。超聲波測距傳感器1安裝在移動(dòng)小車2的四周，為了適應(yīng)不同的使用環(huán)境，可以調(diào)整每個(gè)超聲波測距傳感器的探測方向?？刂浦靼?安裝在移動(dòng)小車2的車架上。彩色液晶顯示模塊5，藍(lán)牙通信模塊4，通信及電源接口 6安裝在控制主板3上。所述的超聲波測距傳感器1在移動(dòng)小車1的車前后各安裝4個(gè)，四個(gè)角各安裝1 個(gè)，在車的兩側(cè)各安裝1個(gè)。電池17和外部電源19均與電源接口 18相連，電源接口連接至穩(wěn)壓電源13，實(shí)時(shí)監(jiān)控電源工作狀況的電源監(jiān)控模塊7與為各個(gè)芯片、電機(jī)和傳感器供電的穩(wěn)壓電源13連接。系統(tǒng)使用電池17或外部電源19通過電源接口 18提供電源。通過穩(wěn)壓電源13輸出3. 3V和5V的直流電源，為各個(gè)芯片、電機(jī)和傳感器供電。CAN總線25與CAN接口 8連接，微控制器15通過CAN驅(qū)動(dòng)器14與用于外部與機(jī)器人平臺通信的CAN接口 8連接。用于自動(dòng)避障機(jī)器人平臺與手持設(shè)備之間的無線通信的藍(lán)牙通信模塊4通過IO 口與微控制器15連接。機(jī)器人平臺和計(jì)算機(jī)通信使用用于傳輸命令和系統(tǒng)狀態(tài)的USB接口 9和RS-232接口 10與微控制器15相連。微控制器15上留有用于功能模塊擴(kuò)展的IO功能口即IO擴(kuò)展接口 11。用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，選擇功能和參數(shù)的觸摸屏12貼附在彩色液晶顯示模塊5的屏幕上，觸摸屏12和彩色液晶顯示模塊5分別與微控制器15連接。每個(gè)超聲波測距模塊由信號調(diào)理電路20和超聲波測距傳感器1兩部分連接組成，信號調(diào)理電路20連接到微控制器15控制管腳上。微控制器15通過直流電機(jī)調(diào)速模塊21控制用于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)小車2的直流減速電機(jī)對。微控制器15與用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度的溫度傳感器22、用于播放聲音提示信息的語音模塊23、為移動(dòng)小車2的轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力的舵機(jī)16連接。所述的微控制器15采用STM32F103芯片。所述的手持設(shè)備包括手機(jī)、平板電腦。所述的微控制器15最多可以連接16個(gè)超聲波測距模塊。本實(shí)用新型的工作原理如下彩色液晶會(huì)顯示機(jī)器人狀態(tài)及配置餐單，通過觸摸屏選擇系統(tǒng)的參數(shù)配置。上位機(jī)(述的上位機(jī)包括計(jì)算機(jī)、平板電腦或手機(jī)系統(tǒng))發(fā)送命令給通信端口，微控制器處理并執(zhí)行對應(yīng)的命令，同時(shí)把系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)給上位機(jī)。微控制器實(shí)時(shí)采集溫度和超聲波傳感器的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出每個(gè)超聲波距障礙物的距離，從而計(jì)算出機(jī)器人平臺空間位置，通過預(yù)先的規(guī)劃，系統(tǒng)決策出下一步的運(yùn)動(dòng)軌跡，控制機(jī)器人平臺的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，直至到達(dá)目的地。在系統(tǒng)運(yùn)行中，會(huì)有語音提示信息，例如遇到障礙，通信失敗或者電池電量不足寸。本實(shí)用新型較傳統(tǒng)機(jī)器人自動(dòng)避障有如下優(yōu)勢系統(tǒng)集成度高，性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，模塊化，易于維護(hù)和拓展。超聲波傳感器測量覆蓋面較大，測量盲區(qū)較小。采用多種通信接口，方便數(shù)據(jù)連接?？啥鄼C(jī)通信，協(xié)同工作。系統(tǒng)帶過流自動(dòng)保護(hù)，過壓保護(hù)，延長其使用壽命。STM32F微控制器具有72MHz主頻，處理速度快，內(nèi)部ADC具有12位的高精度采集， 最高IMHz轉(zhuǎn)換速率。STM32F微控制器可以設(shè)定、存儲或者發(fā)送機(jī)器人自動(dòng)避障平臺的配置參數(shù)?？梢詫?shí)時(shí)反饋一路或者多路超傳感器數(shù)據(jù)、溫度和電源電壓大小。

圖1本實(shí)用新型的組裝結(jié)構(gòu)圖圖2本實(shí)用新型的電路結(jié)構(gòu)圖[0031]圖中1、超聲波測距傳感器，2、移動(dòng)小車，3、控制主板，4、藍(lán)牙通信模塊，5、彩色液晶顯示模塊，6、通信及電源接口，7、電源監(jiān)控模塊，8、CAN接口，9、USB接口，10、RS-232接口，11、IO擴(kuò)展接口，12、觸摸屏，13、穩(wěn)壓電源，14、CAN驅(qū)動(dòng)器，15、微控制器，16、舵機(jī)，17、 電池，18、電源接口，19、外部電源，20、信號調(diào)理電路，21、直流電機(jī)調(diào)速模塊，22、溫度傳感器，23、語音模塊，24、直流減速電機(jī)，25、CAN總線
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)例由三大部分組成14個(gè)超聲波測距傳感器1，移動(dòng)小車2和控制主板3三大部分組成。其中，移動(dòng)小車2為1 10比例電動(dòng)模型車。超聲波測距傳感器1安裝在移動(dòng)小車1的四周圍，車前后各安裝4個(gè)，四個(gè)角各安裝1個(gè)，在車的兩側(cè)各安裝1個(gè)。每個(gè)超聲波測距傳感器1測量角度約為20° 30°，通過調(diào)整每個(gè)超聲波測距傳感器的探測方向， 讓其盡可能的覆蓋到整個(gè)機(jī)器人四周每個(gè)方向，減少探測的盲區(qū)。超聲波測距傳感器1通過線纜連接到控制主板3上信號調(diào)理電路20接口上。舵機(jī)16通過線纜連接到控制主板3 的舵機(jī)接口上，舵機(jī)16控制機(jī)器人平臺的前輪轉(zhuǎn)向功能。直流減速電機(jī)M通過線纜連接到控制主板3的直流電機(jī)調(diào)速模塊21上，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人平臺前進(jìn)還是后退?？刂浦靼?安裝在移動(dòng)小車2的車架上。電池17通過開關(guān)與電源接口 18連接， 為系統(tǒng)提供電源。彩色液晶顯示模塊5，藍(lán)牙通信模塊4，通信及電源接口 6安裝在控制主板3上。其中，觸摸屏12貼附在彩色液晶顯示模塊5上，與液晶顯示的內(nèi)容相對應(yīng)，當(dāng)需要選擇菜單和設(shè)置參數(shù)時(shí)候使用。如圖2所示自動(dòng)避障機(jī)器人提供了多種接口，主要用于與機(jī)器人其它部件，外部終端設(shè)備或者其它機(jī)器人之間的通信。CAN總線25與CAN接口 8連接，STM32F103微控制器13通過CAN驅(qū)動(dòng)器14與CAN接口 8連接，主要用于與機(jī)器人平臺其它模塊之間的通信。 藍(lán)牙通信模塊4通過IO 口與微控制器13連接，用于自動(dòng)避障機(jī)器人平臺與手持設(shè)備之間的無線通信，手持設(shè)備例如帶有藍(lán)牙通信功能的手機(jī)，平板電腦等。USB接口 9和RS-232接口 10都是用于機(jī)器人平臺和計(jì)算機(jī)通信使用，主要用于傳輸命令和系統(tǒng)狀態(tài)。IO擴(kuò)展接口 11是微控制器15上留出的IO功能端口，主要用于功能模塊擴(kuò)展。每個(gè)超聲波測距模塊由信號調(diào)理電路20和超聲波測距傳感器模塊1兩部分組成， 信號調(diào)理電路20連接到微控制器15控制管腳上，微控制器最多可以連接16個(gè)超聲波測距模塊。微控制器15與溫度傳感器22連接，用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度。微控制器15按照掃描的方式，依次測量每個(gè)超聲波測距傳感器模塊1發(fā)出聲波遇到障礙物返回的時(shí)間，參照溫度信息，計(jì)算出每個(gè)超聲波對應(yīng)方向上的障礙物距該超聲波的距離。利用這些障礙物的距離，可以構(gòu)建機(jī)器人在障礙物中的空間位置，利用空間位置，可以讓機(jī)器人決策向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)來躲避障礙物，尋找到合理的路線，最終到達(dá)目的地。微控制器15會(huì)根據(jù)計(jì)算的路線控制舵機(jī)16旋轉(zhuǎn)前輪，朝向運(yùn)動(dòng)的方向，同時(shí)控制直流減速電機(jī)M驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以一定速度前進(jìn)、后退或者停止。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，微控制器15連接語音模塊23，用于播放聲音提示 fn息ο
權(quán)利要求1.一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，包括超聲波測距傳感器(1)，移動(dòng)小車( 和控制主板 (3)；其特征在于超聲波測距傳感器⑴安裝在移動(dòng)小車⑴的四周；控制主板(3)安裝在移動(dòng)小車( 的車架上；彩色液晶顯示模塊(5)，藍(lán)牙通信模塊G)，通信及電源接口(6) 安裝在控制主板(3)上；電池(17)和外部電源(19)均與電源接口(18)相連，電源接口連接至穩(wěn)壓電源(13)， 實(shí)時(shí)監(jiān)控電源工作狀況的電源監(jiān)控模塊(7)與為各個(gè)芯片、電機(jī)和傳感器供電的穩(wěn)壓電源 (13)連接；電池(17)或外部電源(19)通過電源接口(1 為系統(tǒng)提供電源；通過穩(wěn)壓電源(13) 輸出3. 3V和5V的直流電源，為各個(gè)芯片、電機(jī)和傳感器供電；CAN總線05)與CAN接口⑶連接，微控制器(15)通過CAN驅(qū)動(dòng)器(14)與用于外部與機(jī)器人平臺通信的CAN接口(8)連接，用于自動(dòng)避障機(jī)器人平臺與手持設(shè)備之間的無線通信的藍(lán)牙通信模塊(4)通過IO 口與微控制器(1 連接；機(jī)器人平臺和計(jì)算機(jī)通信使用用于傳輸命令和系統(tǒng)狀態(tài)的USB接口(9)和RS-232接口(10)分別與微控制器(1 相連； 微控制器(15)上留有用于功能模塊擴(kuò)展的IO功能口即IO擴(kuò)展接口(11)；用于顯示系統(tǒng)狀態(tài)，選擇功能和參數(shù)的觸摸屏(12)貼附在彩色液晶顯示模塊(5)的屏幕上，觸摸屏(1 和彩色液晶顯示模塊( 分別與微控制器(1 連接；每個(gè)超聲波測距模塊由信號調(diào)理電路OO)和超聲波測距傳感器(1)兩部分連接組成，信號調(diào)理電路OO)連接到微控制器(1 控制管腳上；微控制器(1 通過直流電機(jī)調(diào)速模塊控制用于驅(qū)動(dòng)移動(dòng)小車O)的直流減速電機(jī)04)；微控制器(15)與用于實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度的溫度傳感器(22)、用于播放聲音提示信息的語音模塊(23)、為移動(dòng)小車O)的轉(zhuǎn)向提供動(dòng)力的舵機(jī) (16)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，其特征在于所述的超聲波測距傳感器(1)在移動(dòng)小車O)的車前后各安裝4個(gè)，四個(gè)角各安裝1個(gè)，在車的兩側(cè)各安裝1 個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，其特征在于所述的微控制器 (15)采用 STM32F103 芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，其特征在于所述的手持設(shè)備包括手機(jī)、平板電腦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，其特征在于所述的微控制器 (15)最多可以連接16個(gè)超聲波測距模塊。
專利摘要一種自動(dòng)避障機(jī)器人平臺，主要用于機(jī)器人自動(dòng)躲避障礙，屬于機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域。包括超聲波測距傳感器(1)，移動(dòng)小車(2)和控制主板(3)三大部分組成。超聲波測距傳感器(1)安裝在移動(dòng)小車(2)的四周，為了適應(yīng)不同的使用環(huán)境，可以調(diào)整每個(gè)超聲波測距傳感器的探測方向?？刂浦靼?3)安裝在移動(dòng)小車(2)的車架上。彩色液晶顯示模塊(5)、藍(lán)牙通信模塊(4)、通信及電源接口(6)安裝在控制主板(3)上。本實(shí)用新型系統(tǒng)集成度高，性能可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，模塊化，易于維護(hù)和拓展。
文檔編號G05D1/02GK202267871SQ201120330739
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月5日
發(fā)明者孫琦, 季學(xué)武, 林志杰, 王鐵流, 高強(qiáng) 申請人:北京工業(yè)大學(xué)