CN106200648A - 具有路径记忆功能的智能运货小车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有路径记忆功能的智能运货小车，包括可在手动模式、记忆模式与自动运输模式中的任一种运行模式下运行的小车本体以及可控制所述小车本体的启停、行进方向以及在三种运行模式间进行切换的遥控装置，所述小车本体包括对称设在前侧的两动力轮及设在后侧的一万向轮：所述小车本体上设有主控模块以及与所述主控模块相连接的超声波测距模块、光电编码器、电子罗盘、摄像头、电机模块。本发明可以实现小车遥控操作，并可以实现小车在无人干预情况下，通过识别并存储的路径在自动传输模式下将货物从起点运送至终点，全程无需人工操作，且可在地面无任何标志物、轨道的情况下，可实现货物的自动运输。

Description

具有路径记忆功能的智能运货小车

技术领域

本发明属于智能运输小车技术领域，具体涉及一种具有路径记忆功能的智能运货小车。

背景技术

目前的当前智能运输小车在实际运行过程，会遇到的一些问题，比如小车必须依赖地面表示物作为前进引导，施工繁琐，不利于生产线的调动、难以适应室外环境、难以在室外雨天、有积水路面运行。另外在无人智能运输小车的实际应用中，受限于地面环境、生产变动等影响，传统“检测轨道”的制导技术仍存在许多局限性。当在露天环境，或地面有积水、铁屑，或地面未经修整时，这类制导小车无法良好的运行。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种具有路径记忆功能的智能运货小车。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有路径记忆功能的智能运货小车，包括可在手动模式、记忆模式与自动运输模式中的任一种运行模式下运行的小车本体以及可控制所述小车本体的启停、行进方向以及在三种运行模式间进行切换的遥控装置，所述小车本体包括对称设在前侧的两动力轮及设在后侧的一万向轮：所述小车本体上设有：

主控模块以及与所述主控模块相连接的超声波测距模块、光电编码器、电子罗盘、摄像头、电机模块；

所述超声波测距模块，用于检测小车与周围物体之间的距离或在接近运输终点时检测小车与终点标志物间的距离；

所述光电编码器用于检测小车的运行路程，所述电子罗盘用于判断小车当前的行进方向；

所述摄像头，用于在小车运行至距运输终点预定距离时，采集视野内终点标志物图像，以判断出当前小车与终点标志物之间的相对距离与角度；

所述电机模块，用于驱动小车的两个动力轮在直线运动同步运动行进而在转弯时使一个动力轮静止而另一个动力轮以前车轴长度为转弯半径转弯；

所述主控模块包括有：

路径识别单元，用于在记忆模式下时识别并存储小车的运行路径，包括行进距离、行进方向以及转弯角度；

路径控制单元，用于在自动运输模式下，根据路径识别单元识别并存储的小车的运行路径，控制小车按记忆的运行路径自出发点自动运行到终点。

所述主控模块连接通信模块，用于实现所述主控模块与上位机监控装置通信，由所述上位机监控装置与小车进行人机交互，实时获取当前小车运行状态，包括小车运行位置、前进方向，并向小车发送运行控制指令。

所述路径识别单元包括：

行进距离计算模块，用于每隔预设时间采集一次当前小车行进角度以及行进距离，将当前小车行进角度同上次采集的小车行进角度取平均值记为小车在该时间内的行进方向，然后根据前后两次的行进方向差值，计算出小车在该时间内的行进距离，然后根据该行进距离及对应的运行角度参数，利用三角法则计算小车自起点到终点的行进距离；

行进方向计算模块，用于计算小车自起点到终点的行进过程中每段预设时间内的行进距离对应的行进角度参数。

本发明可以实现小车遥控操作，并可以实现小车在无人干预情况下，通过识别并存储的路径在自动传输模式下将货物从起点运送至终点，全程无需人工操作，且可在地面无任何标志物、轨道的情况下，可实现货物的自动运输。

附图说明

图1出示了本发明的具有路径记忆功能的智能运货小车的结构示意图；

图2出示了本发明的控制流程示意图；

图3出示出了小车由A点运行至D点的路径图；

图4出示了通过运行弧线计算小车行进距离的示意图；

图5出示了通过小车行进方向与行进距离计算行进路径的示意图；

图6示出了识别出的小车自起点A到终点M的运行路径；

图7出示了小车的行进路径控制的示意图。

具体实施方式

下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。

参见图1所示，一种具有路径记忆功能的智能运货小车，包括可在手动模式、记忆模式与自动运输模式中的任一种运行模式下运行的小车本体以及可控制所述小车本体的启停、行进方向以及在三种运行模式间进行切换的遥控装置，所述小车本体包括对称设在前侧的两动力轮及设在后侧的一万向轮：所述小车本体上设有：

主控模块以及与所述主控模块相连接的超声波测距模块、光电编码器、电子罗盘、摄像头、电机模块；

所述超声波测距模块，用于检测小车与周围物体之间的距离或在接近运输终点时检测小车与终点标志物间的距离；

所述光电编码器用于检测小车的运行路程，所述电子罗盘用于判断小车当前的行进方向；

所述摄像头，用于在小车运行至距运输终点预定距离时，采集视野内终点标志物图像，以判断出当前小车与终点标志物之间的相对距离与角度；

所述电机模块，用于驱动小车的两个动力轮在直线运动同步运动行进而在转弯时使一个动力轮静止而另一个动力轮以前车轴长度为转弯半径转弯；

所述主控模块包括有：

路径识别单元，用于在记忆模式下时识别并存储小车的运行路径，包括行进距离、行进方向以及转弯角度；

路径控制单元，用于在自动运输模式下，根据路径识别单元识别并存储的小车的运行路径，控制小车按记忆的运行路径自出发点自动运行到终点。

当所述主控模块通过所述光电编码器、电子罗盘的采集信息判断出小车即将运行至终点时，即距终端预设距离时，所述摄像头寻找视野内的终点标志物，主控模块判断当前小车与终点标志物之间的相对角度，并根据当前小车同终点标志物的角度、距离来调整小车的行进方向。

本发明中，该具有路径记忆功能的智能运货小车具有三种运行模式，即“手动模式”、“记忆模式”与“自动运输模式”，可以由操作者可通过遥控装置自由在这三种模式之间随时切换。

(一)手动模式。在手动模式下，小车需要人为进行操作，操作者可通过遥控方式控制小车的启停动作与前进方向，通过遥控的方式完成小车的基本运输任务。与传统人力推车方式相比，此模式可节省相当大的人力。同时，当小车出现故障或运输环境突然发生不可控变化，例如工厂事故、室外自然灾害时，可快速改变小车运行轨迹，甚至充当无线遥控救险小车。

(二)记忆模式。在进入此模式之前，应先在手动模式下遥控运输小车，使小车运行至运输起点，当小车进入记忆模式时，自动将其当前所在位置记为运输起点，在记忆模式下，通过遥控装置控制小车，使小车在人为操作下，运行至运输终点。在此过程中，小车能实时对已行进的路径、当前位置进行识别判断，并记录保存至储存卡，如SD卡中，以便自动模式下判断记忆路径、并根据记忆路径行进。

(三)自动运输模式。在此模式下，首先，小车从存储卡，如SD卡中读取本次运输路径，然后根据记忆的运输路径，从出发点自主运行至运输终点，整个过程无需人为干预，无需在地面铺设任何标志物进行制导。但若存储卡中无任何已记录的运输路线，则无法进入自动运输模式。仅可进入“手动模式”与“记忆模式”。

当小车运行至终点附近时，主控模块自动进入终点识别程序，通过运输小车上的摄像头，识别放置在终点位置的标志物，并通过超声波测距模块的测距离，判断小车与运输终点的相对位置(相对距离与相对角度)，并以此对小车运行方向进行校正，保证小车能够快速准确的抵达运输目的地。

本发明的操作流程图如图2所示。系统上电之后，开始初始化各个模块，初始化完成后，等待操作员遥控选择进入“手动模式”、“记忆模式”以及“自动运输模式”，在三个模式中，操作人员可实时控制退出当前模式。

本发明中，所述主控模块还连接有通信模块，用于实现所述主控模块与上位机监控装置通信，由所述上位机监控装置与小车进行人机交互，实时获取当前小车运行状态，包括小车运行位置、前进方向，并向小车发送运行控制指令。

经实测，在自动运输模式下，在短距离50M之内运输中，运输精度可达5-10CM，加入终点识别系统后，运输精度可达1-3cm，完全满足运输需求。

本发明中，所述遥控装置通过红外发射模块与小车本体进行通信，发出指令，小车本体上设有红外接收模块，与所述主控模块相连接，以接收遥控装置的遥控指令进行启停，转向以及模式的切换。

需要说明的是，本发明中，所述超声波测距模块主要是用于障碍检测，当小车运行路线中有其他物体阻挡时，小车能够识别障碍，并发出警报，提醒操作人员，可以为5个，分别安装在小车的前端、两侧，其中可在小车的前端一个，在小车的两侧分别安装两个。超声波测距模块可以采用US-100，当小车接近运输终点时，通过超声波传感器测量小车与标志物之间的距离，纠正运输过程中产生的误差，使小车能较为精确的抵达设定的运输终点。

需要说明的是，本发明中，光电编码器(测速光码盘)用来检测小车运行的路程，为两个，分别安装在两个动力轮上，电子罗盘为一个，用来判断小车当前的行进方向。通过光电编码器、电子罗盘的数据，共同判定当前小车与运输终点的相对位置以及当前小车与预设行进路线直接的偏差，并以此为基准调整小车行驶方向。

所述摄像头是为了检测运输终点标志物，安装在小车的前端。当单片机通过光电编码器、电子罗盘的采集信息判断出小车即将运行至终点时，车上摄像头寻找视野内的终点标志物，通过超声波测距模块以及电子罗盘的信息上，判断出当前小车与终点标志物之间的相对距离以及相对角度，单片机根据当前小车同终点标志物的相对角度、距离来调整小车行进方向。

所述主控模块采用单片机，并连接液晶屏，该单片机可以选择恩智浦公司的Kinetis K60DN512单片机(原飞思卡尔公司设计制造)。

下表是本系统中K60与其它模块之间的连接说明。

本发明中，所述主控模块的路径识别单元、路径控制单元是具有路径记忆功能的智能运输小车的核心部分。

其中，所述路径识别单元包括：行进距离计算模块，用于每隔预设时间采集一次当前小车行进角度以及行进距离，将当前小车行进角度同上次采集的小车行进角度取平均值记为小车在该时间内的行进方向，然后根据前后两次的行进方向差值，计算出小车在该时间内的行进距离，然后根据该行进距离及对应的运行角度参数，利用三角法则计算小车自起点到终点的行进距离；行进方向计算模块，用于计算小车自起点到终点的行进过程中每段预设时间内的行进距离对应的行进角度参数。

下面进行说明路径识别与控制的具体过程。

为了提高识别精度，降低识别误差，本发明中，小车在运输过程中，采用转弯状态、直线状态分离的方式前进，即前进时保持两个轮子速度相同，转弯时一个轮子静止，转弯半径是固定的(即车轴长度)，不会出现其他的转弯半径。这是因为在路况较差地区，两个轮子同时转动，保证小车以一个固定的转弯半径进行转弯更为困难，而令一个轮子静止的方式更易实现，转弯精度也更高。

由此可分析得到，在直线运行时，两个最重要的小车行进控制参数就是小车的行进距离和行进方向。转弯时，因转弯半径固定(即为前车轴长度)，最重要的参数即为转弯角度，主控模块的控制关键就是记录这三个数据：行进距离、行进方向、转弯角度。

如图3所示，下面将从小车由A点运行至D点的过程来说明主控模块的路径记忆以及路径控制过程；小车从A点直线运动至B点时，在理想状态下，两个动力轮转速完全相同，全程保证完全直线运行。故仅需依靠光电编码器数据累加即可判别小车运行距离，通过电子罗盘即可获得小车运行角度，从而识别出小车的运行路径。然而实际运行过程中，因地面不平整，电机内部结构的细微差异等，即使加入了PID控制，也不可能保证小车直线运行。实际证明，直接将电子编码器检测距离当做前进直线距离误差无法满足需求。故所述主控模块设有运行路径识别单元与路径控制单元，用于小车的运行路径记忆并根据记忆的路径进行纠正控制。在路径识别时，具体为，当小车在直线运行时，每隔500ms采集一次当前小车行进角度，并采集500ms内编码器数值。将本次小车角度同上次采集的小车角度取平均值，记为该车在此500ms内的行进方向。因小车两轮不可能完全同速转动，故可视为在此500ms内，小车前进为一段弧线M，如图4所示，通过下面式，可求出小车在这500ms内行进的直线距离L。

L＝r²+r²-2×r×r×cosα； 4‐1

M＝r×α； 4‐2

$L=M\×\sqrt{2\×(1-cos\mathrm{\α})}/\mathrm{\α};---4-3$

式中，α为500ms前后两次采集的方向差值，r为转弯半径，由式4-1、4-2可得式4-3，即可计算得出该500ms内小车前进距离L，作为路径判别依据。这样，小车的行进路径与存储的记忆路径误差已在可接受范围内。

识别并存储的运行路径主要是为了在“自动运输模式”下，小车可以此为根据前进。因为小车前进过程中仅分为直线前进，固定半径转弯两种状态，故在“自动运输模式”下，如图5所示，小车直线运行状态仅需A与B点的直线距离，直线AB的方向角度两个参数。显然不能将上述路径判别的结果直接作为小车的行进依据进行使用。

如图5-6所示，假设小车在从A点运行至M点时，小车的行进路径的路径识别结果如图6所示。先计算AC两点的直线距离与角度，通过三角形法则计算。如图5所示，AB、AC距离及角度参数ang1、ang2角度由路径识别算法测得，则经计算可得：

angle3＝180°-(ang1-ang2)； 4-4

$AC=\sqrt{{\mathrm{AB}}^2+{\mathrm{BC}}^2-2AC\×BC\×cos\left(angle3\right)};---4-5$

ang5＝arccos[(AB²+AC²-BC²)/(2×AB×BC)]； 4-6

ang4＝ang1-ang5； 4-7

由式4-4至4-7可得到路径AC的方向(即ang4)、距离，然后再次使用以上公式，即可获得路径AD的方向、距离，以此类推，最终即可获得AM的直线距离、方向。将AM的直线距离、方向这两个参数保存至SD卡中，即可作为“自动运输模式”下小车前进的依据。

转弯角度参数直接存储在SD卡中即可，存储时只记录转弯后的角度，即出弯角度。在“自动运输模式”下，小车自行转向至该出弯角度。

通过以上方法，实现了对小车的行进路径的识别，方便进行路径控制纠正，本发明中，由路径识别单元可以获得当前小车所处位置与方向，由SD卡中存储的信息，包括小车行进方向、行进距离及转弯角度，可获得小车理想的前进路线，路径控制单元的控制如图7所示，直线CD为记录在SD卡中的小车理想前进路线，线段AB为小车与理想前进路线之间的偏差，角ANG为小车的车身与理想前进方向的误差，则根据线段AB的长度和角度误差ANG进行PID闭环控制。公式4-8为仅在P调解下的角度控制参数。

ERROR＝AB×m+ANG×(1-m)； 4-8

在式4-8中，ERROR为小车整体误差，m为纠正算法中直线偏差与角度偏差对控制的影响因子，即m增大时，距离偏差对调节控制算法的影响更大，m较小时，角度ANG的偏差对调节控制算法的影响更大。

根据以上信息，可轻松的在控制算法中加入PID控制中的积分、微分环节，实现对小车的行进路径的控制纠正，在此就不再赘述。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.在无人干预情况下，可将货物从起点运送至终点，全程无需人工操作。

2.可在地面无任何标志物、轨道的情况下，可实现货物的运输。

3.可应用于室内外多种场合，在下雨天、土路仍能较好的实现运输。

4.可快速更改运输路径，有利于工厂企业生产线的变动。

5.应用范围广，不仅可应用于工厂的货物运输，也可应用于室外多种场合，例如农场、渔场、仓库等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种具有路径记忆功能的智能运货小车，其特征在于，包括可在手动模式、记忆模式与自动运输模式中的任一种运行模式下运行的小车本体以及可控制所述小车本体的启停、行进方向以及在三种运行模式间进行切换的遥控装置，所述小车本体包括对称设在前侧的两动力轮及设在后侧的一万向轮：所述小车本体上设有：

主控模块以及与所述主控模块相连接的超声波测距模块、光电编码器、电子罗盘、摄像头、电机模块；

所述超声波测距模块，用于检测小车与周围物体之间的距离或在接近运输终点时检测小车与终点标志物间的距离；

所述光电编码器用于检测小车的运行路程，所述电子罗盘用于判断小车当前的行进方向；

所述摄像头，用于在小车运行至距运输终点预定距离时，采集视野内终点标志物图像，以判断出当前小车与终点标志物之间的相对距离与角度；

所述电机模块，用于驱动小车的两个动力轮在直线运动同步运动行进而在转弯时使一个动力轮静止而另一个动力轮以前车轴长度为转弯半径转弯；

所述主控模块包括有：

路径识别单元，用于在记忆模式下时识别并存储小车的运行路径，包括行进距离、行进方向以及转弯角度；

路径控制单元，用于在自动运输模式下，根据路径识别单元识别并存储的小车的运行路径，控制小车按记忆的运行路径自出发点自动运行到终点。

2.根据权利要求1所述具有路径记忆功能的智能运货小车，其特征在于，所述主控模块连接通信模块，用于实现所述主控模块与上位机监控装置通信，由所述上位机监控装置与小车进行人机交互，实时获取当前小车运行状态，包括小车运行位置、前进方向，并向小车发送运行控制指令。

3.根据权利要求2所述具有路径记忆功能的智能运货小车，其特征在于，所述路径识别单元包括：

行进距离计算模块，用于每隔预设时间采集一次当前小车行进角度以及行进距离，将当前小车行进角度同上次采集的小车行进角度取平均值记为小车在该时间内的行进方向，然后根据前后两次的行进方向差值，计算出小车在该时间内的行进距离，然后根据该行进距离及对应的运行角度参数，利用三角法则计算小车自起点到终点的行进距离；

行进方向计算模块，用于计算小车自起点到终点的行进过程中每段预设时间内的行进距离对应的行进角度参数。