專利名稱：：頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及一種機器人導(dǎo)航定位裝置，屬于機器人導(dǎo)航定位
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：目前機器人的導(dǎo)航、定位多依賴機器人本身攜帶的傳感器(如超聲傳感器，激光傳感器等)，對環(huán)境信息進(jìn)行感知，而后對所獲得信息進(jìn)行處理，以決定機器人的下一步運動策略。普遍存在的現(xiàn)象為，機器人自身需進(jìn)行復(fù)雜的邏輯運算和數(shù)據(jù)處理，對機器人的性能要求較高。同時，機器人需攜帶多種傳感器，有的價格昂貴(如激光傳感器)。[0003]出于降低機器人導(dǎo)航定位成本的考慮，研究如何利用其他導(dǎo)航、定位手段以減少對機器人性能的要求，同時減少所需傳感器的種類就顯得尤為重要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型針對機器人本體在導(dǎo)航過程中存在的需進(jìn)行復(fù)雜運算和處理、并需攜帶多種傳感器的問題，提出了一種導(dǎo)航成本低的頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置。本實用新型的頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置采用以下技術(shù)方案該頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置包括轉(zhuǎn)動平臺、控制器、無線通信模塊、激光器、上位機和頂棚投影器，頂棚投影器安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，頂棚投影器與控制器連接，兩個步進(jìn)電機垂直放置在轉(zhuǎn)動平臺內(nèi)，兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸分別與安裝于轉(zhuǎn)動平臺上的兩個連桿連接，兩個步進(jìn)電機與控制器連接，激光器固定于連桿上，上位機與控制器通過無線通信模塊連接?？刂破鞑捎脝纹瑱CSTC12C2052，其P3.2P3.5引腳接限位開關(guān)，由于頂棚投影器包含兩個步進(jìn)電機，因此需要四個限位開關(guān)；Pl.0Pl.7引腳接驅(qū)動芯片ULN2003A。驅(qū)動芯片的輸出接步進(jìn)電機，單片機Pl.0Pl.7引腳與驅(qū)動芯片之間加施密特觸發(fā)器。[0008]頂棚投影器的步進(jìn)電機帶動連桿實現(xiàn)二自由度旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動平臺懸掛于墻上時，裝于旋轉(zhuǎn)平臺上的連桿可實現(xiàn)繞底部連接點做墻面所在平面上的旋轉(zhuǎn)和垂直于墻面所在平面的旋轉(zhuǎn)。激光器隨著連桿的運動，實現(xiàn)在地面上投射出運動的光斑，指引機器人的運動。本實用新型的工作過程如下首先為路徑規(guī)劃，上位機按程序?qū)⒁?guī)劃好的路徑信息經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等換算為相應(yīng)電機的控制命令，而后將控制命令按無線通信的協(xié)議打包，通過無線通信模塊發(fā)送到頂棚投影器，頂棚投影器將控制命令進(jìn)行解析，提取出各個步進(jìn)電機的運動步數(shù)和方向信息，控制電路依據(jù)控制信息向驅(qū)動器發(fā)送脈沖信號，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，電機帶動連桿運動，在頂棚投影器處于開啟狀態(tài)時即可實現(xiàn)規(guī)劃的路徑的投射。本實用新型將路徑規(guī)劃功能交由上位機完成，同時將規(guī)劃好的路徑信息通過一定方式發(fā)送給投影器，投影器據(jù)此完成路徑信息的投射，指引機器人的前進(jìn)，使得機器人無需進(jìn)行路徑規(guī)劃，降低了機器人本體的數(shù)據(jù)運算和處理量，同時減輕了機器人所需攜帶的傳感器的種類和數(shù)量，降低了成本，為機器人提供一種簡單有效的導(dǎo)航方式。圖1是本實用新型頂棚投影器導(dǎo)航裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖。圖2是本實用新型頂棚投影器導(dǎo)航裝置的控制電路的電氣原理圖。圖3是本實用新型頂棚投影器導(dǎo)航裝置的主控制流程圖。圖4是脈沖產(chǎn)生控制流程圖。圖5是限位控制流程圖。圖6是步進(jìn)電機變速控制流程圖。圖7是步進(jìn)電機變速控制的分段處理子流程圖。表1是上位機與無線通訊模塊(Zigbee協(xié)調(diào)器)之間通信數(shù)據(jù)格式。表2是Zigbee終端節(jié)點與投影器控制器間通信的數(shù)據(jù)格式。圖中，1、上位機，2、無線通訊模塊，3、單片機，4、電壓轉(zhuǎn)化模塊，5、開關(guān)電源，6、限位開關(guān)，7、電壓轉(zhuǎn)化模塊，8、CM0S六施密特觸發(fā)器，9、驅(qū)動芯片，10、步進(jìn)電機，11、激光器。具體實施方式圖1給出了本實用新型頂棚投影器導(dǎo)航裝置的結(jié)構(gòu)原理。包括轉(zhuǎn)動平臺、控制器、無線通信模塊2、激光器11、上位機1和頂棚投影器。頂棚投影器安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，頂棚投影器與控制器連接，頂棚投影器包括兩個步進(jìn)電機IO，步進(jìn)電機型號為35BY48HJ30，兩個步進(jìn)電機垂直放置在轉(zhuǎn)動平臺內(nèi)，兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸分別與安裝于轉(zhuǎn)動平臺上的兩個連桿連接，兩個步進(jìn)電機與控制器連接，控制器采用STC12C2052型單片機3，激光器11固定于連桿上，上位機與控制器(單片機3)通過無線通信模塊2連接。激光器11通過電壓轉(zhuǎn)化模塊7與開關(guān)電源5連接，單片機3和CMOS六施密特觸發(fā)器8均與開關(guān)電源5連接，無線通訊模塊2通過電壓轉(zhuǎn)化模塊4與開關(guān)電源5連接。如圖2所示，控制器采用STC12C2052型單片機3，單片機3的P3.2P3.5引腳接限位開關(guān)6，Pl.0Pl.7引腳接驅(qū)動芯片9，驅(qū)動芯片9采用ULN2003A。由于頂棚投影器包含兩個步進(jìn)電機11，因此需要四個限位開關(guān)6。驅(qū)動芯片9的輸出接步進(jìn)電機11。單片機3的Pl.0Pl.7引腳與驅(qū)動芯片9之間加CMOS六施密特觸發(fā)器8，即40106芯片。圖3給出了控制器的主控制流程圖，單片機3初始化后，開中斷，接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完后，判斷數(shù)據(jù)的有效性，若無效，則丟棄數(shù)據(jù)等待下一組數(shù)據(jù)；若有效，則判斷接收數(shù)據(jù)是否為復(fù)位或停止，是則根據(jù)相應(yīng)命令設(shè)置運行，否則提取其中的步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動步數(shù)和方向信息，確定電機的引線通電順序，并通過定時器發(fā)送脈沖，驅(qū)動步進(jìn)電機IO轉(zhuǎn)動。圖4給出了脈沖產(chǎn)生控制流程圖。脈沖信號產(chǎn)生的頻率由定時器初始值來決定，定時器TO負(fù)責(zé)產(chǎn)生脈沖。當(dāng)已產(chǎn)生脈沖數(shù)目累計等于電機需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)時，關(guān)閉定時器，不再產(chǎn)生脈沖，從而控制電機停止轉(zhuǎn)動。同時，為防止導(dǎo)線的纏繞，限制頂棚投影器的轉(zhuǎn)動角度，配置了四個限位開關(guān)6，以保證頂棚投影器在運行過程中，即使程序跑飛，程序限位不起作用時，依然可以通過限位開關(guān)6強制停止頂棚投影器轉(zhuǎn)動。限位控制流程如圖5所示。四個限位開關(guān)6分別與單片機3的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5口相連，未發(fā)生碰撞時，限位開關(guān)輸出均為l，若發(fā)生碰撞，則對應(yīng)端口置O.例如，當(dāng)P3.2=0時，說明限位開關(guān)1發(fā)生了碰撞，因此不能繼續(xù)在同一方向上繼續(xù)運行，此時，定時器不再產(chǎn)生脈沖，若轉(zhuǎn)動方向相反，則根據(jù)上位機發(fā)送的控制命令，繼續(xù)給驅(qū)動器發(fā)送脈沖，控制電機運動。驅(qū)動芯片9的選擇決定了步進(jìn)電機10的控制方式，選用ULN2003A驅(qū)動芯片，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時，必須以給電機各相輪流通電的來控制電機的運行。所選電機為六線四相電機，投影器內(nèi)置兩個電機，而ULN2003A只有7個引腳，因此采用兩片ULN2003A芯片來控制頂棚投影器。步進(jìn)電機10的變速控制流程如圖6所示。當(dāng)需投射的軌跡為一段斜線時，兩個步進(jìn)電機10需同時運行，但步數(shù)不盡相同，此時，為達(dá)到同步運行的目的，需改變電機運行速度，即改變兩個驅(qū)動器的脈沖頻率。本實用新型通過單片機3的一個定時器來產(chǎn)生兩個步進(jìn)電機10的驅(qū)動脈沖，定時器中斷一次，產(chǎn)生一個脈沖。首先根據(jù)步進(jìn)電機io運行步數(shù)的比值計算出電機的速度比值，據(jù)此，分三種情況處理1)當(dāng)x或y為0時，例如，當(dāng)x=0，則x方向步進(jìn)電機10不轉(zhuǎn)，定時器每中斷一次，y方向步進(jìn)電機io轉(zhuǎn)一步；2)當(dāng)x、y均不為0時，若x或y為l時，例如，當(dāng)x二l，定時器每中斷l(xiāng)次，y方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)一步，定時器每中斷y+l次，x方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)一步；3)當(dāng)x、y均非l、非0時，由于此時x、y沒有公約數(shù)，x、y比值較大時(如10:9)，若直接控制定時器每中斷x次，y方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)一步，定時器每中斷y次，x方向電機轉(zhuǎn)一步，則每一步中間間隔較長，導(dǎo)致頂棚投影器外部無明顯運行動作，導(dǎo)致投影運行時間過長，不符合快速輔助導(dǎo)航的要求。針對x、y均非1、非0的情況，采取分段處理，具體流程如圖7所示。以xst印>yst印為例，求出xst印與yst印的商t，余數(shù)r，然后將運行軌跡分兩段處理，第一段中x方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)動W(t+l)步，y方向電機轉(zhuǎn)動r步，步數(shù)之比為(t+l):l;第二段中x方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)動xstep-r*(t+l)步，y方向步進(jìn)電機10轉(zhuǎn)動yst印-r步，步數(shù)之比為t:1.其中，處理第一段和第二段為先后順序，不能同時運行。由于頂棚投影器安裝位置較高，通訊方面若采用導(dǎo)線連接的方式，需要配備較長的導(dǎo)線。導(dǎo)線過長，一方面導(dǎo)線容易接觸不良，其次需要考慮布線問題，并避免因?qū)Ь€可能引起的問題，本實用新型的無線通訊模塊2采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)投影器的遠(yuǎn)程通訊，即增加了安全性又保證了安裝的方便性。Zigbee模塊的單片機采用CC2430。本實用新型中的通信包括上位機1與Zigbee協(xié)調(diào)器(無線通訊模塊2)間的串行通信、Zigbee協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點間的無線通信、Zigbee終端節(jié)點與控制器(單片機3)之間的串行通信。1、上位機與Zigbee協(xié)調(diào)器間通信本實用新型對投影器通信的實時性要求較高，數(shù)據(jù)格式相對固定，而且數(shù)據(jù)傳輸量不大，考慮Zigbee模塊內(nèi)部芯片的接口，上位機與Zigbee協(xié)調(diào)器之間采用RS232串行通信。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間通信時需要尋址，故，定義如下表所示通信格式。一個數(shù)據(jù)包共14個字節(jié)，112位，其中Zigbee節(jié)點物理地址占八個字節(jié)，兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動方向各占一個字節(jié)，轉(zhuǎn)動步數(shù)各占兩個字節(jié)。[0039]<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>2、Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并向上位機發(fā)送組網(wǎng)成功指示，然后等待終端節(jié)點加入。當(dāng)終端節(jié)點上電后，會自動查找空間中存在的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，查找到后加入網(wǎng)絡(luò)，并將終端節(jié)點物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把終端節(jié)點的地址信息等通過串口發(fā)送給計算機進(jìn)行保存。3、Zigbee終端節(jié)點與投影器控制器間的通信將Zigbee終端節(jié)點CC2430的TXD\RXD引腳直接與投影器控制器STC12C2052的RXD\TXD引腳互聯(lián)，不經(jīng)過RS232格式轉(zhuǎn)換，據(jù)此，定義如下表所示通信數(shù)據(jù)格式，一個數(shù)據(jù)包共6個字節(jié)，48位，其中兩個電機的轉(zhuǎn)動方向各占一個字節(jié)，轉(zhuǎn)動步數(shù)各占兩個字節(jié)。[0044]<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>可通過上位機1手動輸入設(shè)置路徑信息，在數(shù)據(jù)x和y的編輯框中輸入數(shù)據(jù)，由于在初始狀態(tài)下，投影器處于復(fù)位狀態(tài)，即所投光斑點在原點處，故輸入數(shù)據(jù)時，第一組數(shù)據(jù)需為O，O.點擊存儲按鈕，即可將數(shù)據(jù)存儲并顯示在下方網(wǎng)格中。此外，可以點擊"讀入"按鈕，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)庫中規(guī)劃好的路徑信息讀入并顯示在網(wǎng)格中。當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)格中顯示出來后，點擊"運行"按鈕，則裝置自動將網(wǎng)格中第一組數(shù)據(jù)作為起始點，第二組數(shù)據(jù)作為目標(biāo)點，經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，換算出起始點和目標(biāo)點之間的電機轉(zhuǎn)動步數(shù)并顯示在界面上，當(dāng)轉(zhuǎn)動步數(shù)為正時，電機按順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動步數(shù)為負(fù)時，轉(zhuǎn)動方向為逆時針。同時，將電機轉(zhuǎn)動步數(shù)和方向信息按表l格式生成數(shù)據(jù)包，發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器。并啟動延時程序，延時時間按所發(fā)送的電機轉(zhuǎn)動步數(shù)，電機需運行的時間設(shè)定。延時完畢后，自動將當(dāng)前目標(biāo)點取為起始點，當(dāng)前目標(biāo)點下一組數(shù)據(jù)取為目標(biāo)點，再次計算電機轉(zhuǎn)動步數(shù)、向Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)包。依次計算并發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)最后一組數(shù)據(jù)設(shè)置為起始點后，所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，電機停止轉(zhuǎn)動。期間點擊"停止"按鈕，則向Zigbee協(xié)調(diào)器發(fā)送兩個電機轉(zhuǎn)動步數(shù)為0的數(shù)據(jù)包，可讓投影器立即停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)步進(jìn)電機10停止運動后，點擊"復(fù)位"按鈕，可使頂棚投影器復(fù)位。權(quán)利要求一種頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置，包括轉(zhuǎn)動平臺、控制器、無線通信模塊、激光器、上位機和頂棚投影器，其特征是頂棚投影器安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，頂棚投影器與控制器連接，兩個步進(jìn)電機垂直放置在轉(zhuǎn)動平臺內(nèi)，兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸分別與安裝于轉(zhuǎn)動平臺上的兩個連桿連接，兩個步進(jìn)電機與控制器連接，激光器固定于連桿上，上位機與控制器通過無線通信模塊連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置，其特征是所述控制器采用單片機。專利摘要本實用新型提出了一種頂棚投影器輔助導(dǎo)航裝置，包括轉(zhuǎn)動平臺、控制器、無線通信模塊、激光器、上位機和頂棚投影器，頂棚投影器安裝在轉(zhuǎn)動平臺上，頂棚投影器與控制器連接，兩個步進(jìn)電機垂直放置在轉(zhuǎn)動平臺內(nèi)，兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)軸分別與安裝于轉(zhuǎn)動平臺上的兩個連桿連接，兩個步進(jìn)電機與控制器連接，激光器固定于連桿上，上位機與控制器通過無線通信模塊連接。本實用新型將路徑規(guī)劃功能交由上位機完成，同時將規(guī)劃好的路徑信息通過一定方式發(fā)送給投影器，投影器據(jù)此完成路徑信息的投射，指引機器人的前進(jìn)，使得機器人無需進(jìn)行路徑規(guī)劃，降低了機器人本體的數(shù)據(jù)運算和處理量，同時減輕了機器人所需攜帶的傳感器的種類和數(shù)量，降低了成本。文檔編號G01C21/00GK201548685SQ20092027359公開日2010年8月11日申請日期2009年11月26日優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日發(fā)明者臺宏達(dá),吳皓,張治慧,張濤濤,田國會,郝君勇申請人:山東大學(xué)