两轮驱动型低速巡逻车论文和设计

全文摘要

本实用新型公开了一种两轮驱动型低速巡逻车，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，通过前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统和环境探测系统实时确定巡逻车所处的位置并进行导航，同时确定周围是否存在障碍物，并将数据实时反馈给中心控制系统进行分析处理，中心控制系统控制两轮驱动系统改变巡逻车的运行状态，从而加速通过或绕过障碍物，进而保证巡逻车正常的巡逻行驶。本实用新型通过ARM控制器+NUC计算机的双核控制保证巡逻车运行的稳定及精确导航巡逻，并且可适应室外崎岖不平路况及发生突发情况的区域。

主设计要求

1.一种两轮驱动型低速巡逻车，其特征在于，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，所述两轮驱动系统包括直流无刷伺服电机驱动器、直流无刷伺服电机X、行星减速机X、直流无刷伺服电机Y和行星减速机Y，直流无刷伺服电机驱动器分别与直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y连接，直流无刷伺服电机X与行星减速机X的输入端传动连接，行星减速机X的输出端与驱动轮Ⅰ传动连接，直流无刷伺服电机Y与行星减速机Y的输入端传动连接，行星减速机Y的输出端与驱动轮Ⅱ传动连接；驱动轮Ⅰ和驱动轮Ⅱ均设有速度及加速度检测编码器；所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；所述环境探测系统由单线激光雷达L1和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车前端且探测方向为水平向前；所述中心控制系统包括中心控制器和ARM控制器，中心控制器与ARM控制器数据连接，单线激光雷达L1与中心控制器数据连接，ARM控制器与直流无刷伺服电机驱动器、CCD摄像机、编码器和超声波探测器US1～US6数据连接，电源为直流无刷伺服电机驱动器供电，电源通过电源转换模块为ARM控制器、超声波探测器US1～US6、单线激光雷达L1和CCD摄像机供电。

设计方案

1.一种两轮驱动型低速巡逻车，其特征在于，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，

所述两轮驱动系统包括直流无刷伺服电机驱动器、直流无刷伺服电机X、行星减速机X、直流无刷伺服电机Y和行星减速机Y，直流无刷伺服电机驱动器分别与直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y连接，直流无刷伺服电机X与行星减速机X的输入端传动连接，行星减速机X的输出端与驱动轮Ⅰ传动连接，直流无刷伺服电机Y与行星减速机Y的输入端传动连接，行星减速机Y的输出端与驱动轮Ⅱ传动连接；驱动轮Ⅰ和驱动轮Ⅱ均设有速度及加速度检测编码器；

所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；

所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；

所述环境探测系统由单线激光雷达L1和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车前端且探测方向为水平向前；

所述中心控制系统包括中心控制器和ARM控制器，中心控制器与ARM控制器数据连接，单线激光雷达L1与中心控制器数据连接，ARM控制器与直流无刷伺服电机驱动器、CCD摄像机、编码器和超声波探测器US1～US6数据连接，电源为直流无刷伺服电机驱动器供电，电源通过电源转换模块为ARM控制器、超声波探测器US1～US6、单线激光雷达L1和CCD摄像机供电。

2.根据权利要求1所述的一种两轮驱动型低速巡逻车，其特征在于，所述中心控制器为基于NUC7的NUC计算机，所述ARM控制器为STM32F767控制器。

3.根据权利要求1所述的一种两轮驱动型低速巡逻车，其特征在于，所述单线激光雷达L1距离地面的高度为10cm～30cm。

4.根据权利要求1所述的一种两轮驱动型低速巡逻车，其特征在于，所述直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y均为稀土永磁无刷直流伺服电机。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种无人驾驶巡逻车，具体是一种两轮驱动型低速巡逻车。

背景技术

随着现代化建设的速度加快，超级市场、大型码头、国际机场、各种会展中心、大型物流仓库、高级酒店、医院等场所的数量和规模不断增加，各种大型生活小区和活动场所日益增多，人类活动和物流运输等变得更为复杂，需要大量的人力、物力和安保资源确保这个系统安全运作。目前的安保技术主要以人力巡逻和CCD摄像机定位监控为主，这两种方式已不能满足现有大规模复杂环境的安保需求，采用安保机器人替代人类巡逻的安保巡逻自动化系统可解决眼前的燃眉之急，因为安保巡逻自动化系统不仅可以进一步提高安保系统的稳定性、安全性和实时性，而且可有效节约人工成本。

无人驾驶巡逻车作为一种新型特殊安保类机器人，能够通过传感器感知环境和本身状态并实现避障，穿梭于熙熙攘攘的人群和各种各样障碍物，完成自主巡逻任务。无人驾驶巡逻车进行定时、定点、不间断流动式的监控与巡逻是解决安保巡逻自动化最好的解决方案。无人驾驶巡逻车将环境感知、动态决策、路线规划以及行为控制集中于一体的多功能复合系统，它利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、巡逻车辆位置、障碍物和可疑危险物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在巡逻路径上行驶。无人驾驶巡逻车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。

目前，智能无人驾驶巡逻车发展还处于起步阶段，无论是何种程度的智能驾驶，巡逻车的感知能力都是首要考虑的问题，也就是感知无人驾驶巡逻车周边复杂的环境，在这个基础上才能做出相应的路径规划和驾驶行为决策，感知传感器的选择是无人驾驶巡逻车成功避障的前提。多线激光雷达，顾名思义，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。理论上讲，线束越多、越密，对环境描述就更加充分，这样还可以降低算法的要求。3D多线激光雷达通过激光扫描可以得到机器人周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出机器人周围的行人和其他障碍物信息，同时3D激光雷达另一大特性是同步建图，实时得到的全局地图通过和高精度地图中的特征物比对，可以实现导航及加强机器人的定位精度。多线激光雷达探测范围相对较广，能提供大量环境距离信息，可以为控制决策提供较大的方便，以上优点使得多线激光雷达成为了无人驾驶巡逻车感知未知环境的一个优先选择。

一般普通的简易无人驾驶巡逻车驱动系统的电机机械排列结构如图1所示，其控制系统原理如图2所示。无人驾驶巡逻车由多线激光雷达传感器探测系统探测环境并输送给PC机，然后PC机经过编码处理，发送控制指令给基于单片机的下位机，单片机控制模块经过通讯解码后发送控制指令给直流伺服电机控制器，控制器驱动两个直流电机运动，进而通过与直流电机直接连接的驱动轮带动无人驾驶巡逻车行走；单片机控制系统根据激光雷达采集外围环境的变化实时调节直流电机的运动，进而控制无人驾驶巡逻车在实际环境中的位置，CCD摄像机负责实时采集无人驾驶巡逻车巡逻路径中的图像并通过PC机实时储存。现有的简易无人驾驶巡逻车控制系统均是由单个单片机控制单个多线激光雷达传感器来实现上述功能的。

长时间运行发现其存在如下问题：

(1)由于受直流电机本身特征影响，直流电机的体积和重量相对较大，不利于无人驾驶巡逻车动态性能的提高。

(2)运行过程中直流电机的电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。

(3)由于巡逻车的直流电机长度均较大，采用传统机械结构的无人驾驶巡逻车宽度较大，无法通过一些狭小的空间。

(4)现有的无人驾驶巡逻车直流电机均是与驱动轮直接机械连接，通过控制器调节直流电机的电压来完成调速，虽然满足了行走速度的要求，但是驱动整个无人驾驶巡逻车的扭矩较小，适应室外崎岖不平路况的能力较差。

(5)现有的无人驾驶巡逻车均采用低级的单片机芯片，工作频率较低，只有几十兆赫兹，无法满足无人驾驶巡逻车对各种复杂环境干扰的控制，容易引起无人驾驶巡逻车失控。

(6)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的环境探测传感器采集数据无法快速计算和储存，影响了无人驾驶巡逻车对周围环境的判断。

(7)受无人驾驶巡逻车PC机性能影响，无人驾驶巡逻车的CCD传感器图像采集数据无法实时进行快速分析和计算，总站只能通过分析存储的图像数据才能发现巡逻中的问题。

(8)多线激光雷达虽然可实现3D数据，并可判断障碍物的高度，处理地面的信息等，但是价格相对比较昂贵，无法大面积推广使用。

(9)现在的无人驾驶巡逻车仅考虑前向探测和避障，均未考虑后方的障碍物信息，有时候巡逻车在倒车时后方出现的障碍物会进入到无人驾驶巡逻车保护区域，造成不必要的伤害。

(10)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在向前运动过程中存在着一个探测盲区，一旦有障碍物处于盲区，易于产生交通事故。

(11)基于多线激光雷达无人驾驶巡逻车在实际倒车反向过程中也会出现探测盲区，一旦在运动过程中有障碍物进入运动盲区也易导致交通事故的发生。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种两轮驱动型低速巡逻车，能有效解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种两轮驱动型低速巡逻车，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，

所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；

所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；

所述环境探测系统由单线激光雷达L1和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车前端且探测方向为水平向前；

进一步，所述中心控制器为基于NUC7的NUC计算机，所述ARM控制器为STM32F767控制器。

进一步，所述单线激光雷达L1距离地面的高度为10cm～30cm。

进一步，所述直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y均为稀土永磁无刷直流伺服电机。

与现有技术相比，本实用新型采用两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统相结合的方式，具有以下优点：

1、在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM控制器+NUC计算机的双核控制实时都在对无人驾驶巡逻车的运行状态进行监测和运算，提高了电池能量的利用率，有利于无人驾驶巡逻车的续航。

2、在车载电池快速放电过程中，对端电压检测过程中，引入了蓄电池的内阻、温度等参数，使得端电压更接近于实际参数，有利用电池的低压保护。

3、采用稀土直流无刷伺服电机替代传统的直流电机，可有效提高电机的效率，有利于提高能源的利用率，并且其缩小电机的体积，减少无人驾驶巡逻车的长度和宽度。

4、由于单线激光雷达只有一路发射和一路接收，使其具有扫描周期较短，角度分辨率较高，体积较小，重量相对较轻，功耗也比较低，可靠性较高，成本相对低廉等优点。

5、由于本控制器采用NUC处理大量单线激光雷达传感器L1的数据与算法，并充分考虑了周围的干扰源，把ARM控制器从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了运动控制主程序的“跑飞”，无人驾驶巡逻车抗干扰能力大大增强。

6、前方单线激光雷达L1配合CCD摄像机，不仅可以有效探测无人驾驶巡逻车运动方向的障碍物或人所在的位置，通知无人驾驶巡逻车控制系统实现紧急避让，而且相比多线激光雷达硬件成本较低，有利于无人驾驶巡逻车实际应用的推广。

7、由多个超声波传感器组成的盲区检测系统可有效消除无人驾驶巡逻车刚启动向前加速或向后倒车时出现的近距离盲区，提高了无人驾驶巡逻车行走时的安全性和可靠性。

附图说明

图1为现有无人驾驶巡逻车的电机排列二维结构图

图2为现有无人驾驶巡逻车的探测和避障系统原理图

图3为本实用新型的电机排列二维结构图

图4为本实用新型的传感器排列二维结构图

图5为本实用新型中前方传感器组的排列二维结构图

图6为本实用新型中后方传感器组的排列二维结构图

图7为本实用新型的探测和避障系统原理图

图8为本实用新型的运行示意图

图9为本实用新型采用双边导航的示意图

图10为本实用新型采用单边导航的示意图

图11为本实用新型采用惯性导航的示意图。

具体实施方式

下面将对本实用新型作进一步说明。

如图所示，一种两轮驱动型低速巡逻车，包括两轮驱动系统、前盲区探测避障系统、后盲区探测避障系统、环境探测系统和中心控制系统，

所述前盲区探测避障系统由超声波探测器US1～US3组成，超声波探测器US1～US3固定在巡逻车的前端；

所述后盲区探测避障系统由超声波探测器US4～US6组成，超声波探测器US4～US6固定在巡逻车的后端；

所述环境探测系统由单线激光雷达L1和CCD摄像机组成，CCD摄像机固定在巡逻车顶部，单线激光雷达L1处于巡逻车前端且探测方向为水平向前；

进一步，所述中心控制器为基于NUC7的NUC计算机，所述ARM控制器为STM32F767控制器。

进一步，所述单线激光雷达L1距离地面的高度为10cm～30cm。

进一步，所述直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y均为稀土永磁无刷直流伺服电机。

本实用新型的具体步骤为：

A、无人驾驶巡逻车未进行巡逻工作之前，通过人工遥控的方式控制巡逻车完成所需巡逻的区域的行走，在行走过程中，通过单线激光雷达L1和CCD摄像机实时进行环境探测，并将探测的数据返给NUC计算机和ARM控制器，NUC计算机将反馈数据分析处理最终形成整个巡逻区域的环境地图，然后发送给总站进行存储，同时总站内存储巡逻车在巡逻区域内各个巡逻点的位置信息；

B、无人驾驶巡逻车启动巡逻之前，NUC计算机通过总站调取无人驾驶巡逻车的巡逻点信息，同时结合形成整个巡逻区域的环境地图及导航信息，所述导航信息为确定无人驾驶巡逻车的导航方式为双边导航、左单边导航、右单边导航和基于陀螺仪的惯性导航中的一种，完成巡逻车的预行驶路径规划，然后ARM控制器控制超声波探测器US1～US6开启，若超声波探测器US1～US6反馈检测到障碍物信息，则ARM控制器发出警报，并且ARM控制器控制直流无刷伺服电机驱动器停止工作，并等待障碍物的清除；若无障碍物信息反馈，则ARM控制器控制直流无刷伺服电机驱动器开启，使巡逻车开始启动；

C、巡逻车的巡逻开始启动后，单线激光雷达L1和CCD摄像机实时进行环境探测，并将数据反馈给ARM控制器，ARM控制器将数据传递给NUC计算机，NUC计算机将反馈数据生成的实时环境地图与存储的环境地图进行比对，从而确定无人驾驶巡逻车所处的实时位置，ARM控制器通过NUC计算机反馈的单线激光雷达L1和CCD摄像机的图像数据，调整直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的伺服控制，进而完成无人驾驶巡逻车的初始化位置调整，使无人驾驶巡逻车处于预行驶路径上进入自动巡逻模式；

D、无人驾驶巡逻车处于自动巡逻模式时，单线激光雷达L1和CCD摄像机继续实时进行环境探测，同时编码器实时检测巡逻车的速度及加速度数据，并将数据通过ARM控制器反馈给NUC计算机，NUC计算机经分析处理后确定无人驾驶巡逻车所处的实时位置，并将该实时位置与预行驶路径进行比对确定偏移距离，然后NUC计算机发出偏移距离数据给ARM控制器，ARM控制器调整直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的伺服控制，进而使无人驾驶巡逻车沿着预行驶路径进行整个巡逻过程；

E、若在预行驶路径过程中单线激光雷达L1和CCD摄像机检测到存在障碍物，将数据反馈给NUC计算机，NUC计算机经分析处理后控制无人驾驶巡逻车翻越障碍物或绕过障碍物，最终保持无人驾驶巡逻车沿着预行驶路径进行整个巡逻过程。

进一步，所述单线激光雷达L1和CCD摄像机进行环境探测及实时位置确定的具体过程为：

若单线激光雷达L1和CCD摄像机探测到前方行驶路径上存在起伏坑洼或障碍物，将探测数据反馈给NUC计算机和ARM控制器，ARM控制器经分析处理确定该处起伏坑洼或障碍物的高度是否超出无人驾驶巡逻车设定的最大翻越高度，若未超出则ARM控制器加大直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的功率，同时通过编码器实时检测巡逻车的速度及加速度数据，使无人驾驶巡逻车沿预行驶路径正常行驶通过，若超出则ARM控制器反馈数据给NUC计算机，NUC计算机根据起伏坑洼或障碍物的宽度及处于行驶路径的位置，确定无人驾驶巡逻车从起伏坑洼或障碍物的左侧或右侧绕行，然后NUC计算机发送避让信号，使ARM控制器调节直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的功率，进而使无人驾驶巡逻车向左偏离或向右偏离设定行驶路径绕行，当完成躲避动作后，ARM控制器调节直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的功率使无人驾驶巡逻车重新驶入行驶路径上。

进一步，无人驾驶巡逻车处于自动巡逻模式时，超声波传感器US4～US6实时检测后方盲区环境并传输给NUC计算机和ARM控制器进行数据融合，经数据分析后若确定后方存在障碍物向无人驾驶巡逻车靠近时，NUC计算机向ARM控制器发送数据，ARM控制器控制直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y的功率增加使无人驾驶巡逻车速度增加从而加大与后方障碍物的距离；直至超声波传感器US4～US6在探测范围内未检测存在障碍物，则NUC计算机和ARM控制器控制无人驾驶巡逻车按照设定的巡逻速度进行行驶；

超声波传感器US1～US3实时检测前方盲区环境并传输给NUC计算机，NUC计算机经数据分析后若前方盲区环境内存在障碍物，NUC计算机向ARM控制器发送数据，ARM控制器控制直流无刷伺服电机X和直流无刷伺服电机Y紧急制动使无人驾驶巡逻车急速停车，防止无人驾驶巡逻车伤及小型动物生命，待前方盲区环境内无未检测存在障碍物后，NUC计算机和ARM控制器控制无人驾驶巡逻车按照设定的巡逻速度进行行驶。

进一步，由于无人驾驶巡逻车在多数情况下，不是一站式服务模式，到达的巡逻地点较多，尤其为重点巡逻区域，为了防止无人驾驶巡逻车漏读重点巡逻区域增设具有一定冗余度的站点传感器S1和S2，当无人驾驶巡逻车将要到达重点巡逻站点时，ARM控制器首先开启传感器S1和S2，同时将调整控制直流无刷伺服电机X和Y使无人驾驶巡逻车低速行驶，并对巡逻区域的站点标识进行读取，当其中任何一个传感器被触发时则代表无人驾驶巡逻车已到达设定重点巡逻站点；

当无人驾驶巡逻车进入重点巡逻区域时，CCD摄像机将对重点巡逻区域进行图像采集并通过无线传输给总站，总站首先存储重点信息并进行分析，如果总站对传输的画面发现可疑信息，将向ARM控制器发出停车信号，ARM控制器将调整控制直流无刷伺服电机X和Y使无人驾驶巡逻车紧急停车，然后ARM控制器控制CCD摄像机进行二次图像采集并传输给总站；当无人驾驶巡逻车完成此站点巡逻任务后，ARM控制器将调整控制直流无刷伺服电机X和Y的伺服控制使无人驾驶巡逻车继续按照既定速度行驶，CCD实时传输当前路径中的现场图像给总站。这种方式不仅有利于无人驾驶巡逻车的定位，而且也有利于总站对无人驾驶巡逻车的追踪。

为了能够满足无人驾驶巡逻车在危险环境等特殊情况下的实际功能需要，无人驾驶巡逻车还设有紧急停靠选择功能：在无人驾驶巡逻车运行初期总站可以自由设置无人驾驶巡逻车需要去的巡逻站点，然后无人驾驶巡逻车依靠自身的导航传感器可独立完成这个设定，如果在巡逻过程中遇到紧急情况总站需要更改运行路径或紧急巡逻站点时，主站通过无线装置与无人驾驶巡逻车NUC计算机进行通讯，然后通过NUC计算机更改行走路径和巡逻点信息，NUC计算机与ARM控制器控制通讯后实时更新无人驾驶巡逻车路径和巡逻停靠站点信息，ARM控制器按照新的要求调整直流无刷伺服电机X和Y的伺服控制完成新分配的巡逻任务。

另外当无人驾驶巡逻车按固定路径巡逻时，系统上的多种声光报警系统将工作，提醒周围行人无人驾驶巡逻车的存在，当无人驾驶巡逻车与主站失去通讯时，ARM控制器会发出自动停车信号，ARM控制器直接原地锁死无人驾驶巡逻车的直流无刷伺服电机X和Y，无人驾驶巡逻车不会发生碰撞或因为不受控制而伤害到人，此时主站由于无法收集到无人驾驶巡逻车的传输信息，将根据上一个巡逻停靠站信息对无人驾驶巡逻车进行快速追踪，并解决故障问题。

设计图

两轮驱动型低速巡逻车论文和设计

两轮驱动型低速巡逻车论文和设计

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

相关信息详情

猜你喜欢