本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)向裝置，具體涉及一種基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置、工作方法和無碳小車。

背景技術(shù)：

設計并制作無碳小車已逐漸成為地區(qū)性乃至國家級的機械設計比賽。給定一重力勢能為4焦耳(高度落差為400士2mm),質(zhì)量為1kg,尺寸φ50×65的重塊,根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理,設計一種重力勢能驅(qū)動的具有方向控制功能的自行小車；小車為三輪結(jié)構(gòu),具有轉(zhuǎn)向控制機構(gòu),且該轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)具有可調(diào)節(jié)功能或者可快速更換結(jié)構(gòu)以適應設有不同間距障礙物的競賽場地，驅(qū)動小車行走及轉(zhuǎn)向的能量只能由給定的重力勢能轉(zhuǎn)換而來,不可使用其他的能量來源。給定重力勢能為重物下降來獲得,重物落下后須被小車承載并同小車一起運動,不允許從小車上掉落。

現(xiàn)有的無碳小車的轉(zhuǎn)向機構(gòu)大部分都采用凸輪、齒輪、曲柄搖桿、不完全齒輪作為小車驅(qū)動的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，這些機構(gòu)存在以下缺點:一是機零件加工要求精度高，成本高,加工困難，此外零件受加工精度影響大；二是零件安裝精度有要求，且容易受溫度影響，安裝不便；三是零件尺寸大，質(zhì)量重，使得整車尺寸變大；四是存在多處摩擦副，且傳動鏈長，行駛阻力大，導致能量損失嚴重，控制精度下降，致使小車轉(zhuǎn)向不靈敏。傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向能量來自重物的勢能，機械轉(zhuǎn)向機構(gòu)使得整車笨重，摩擦副的增加使得行進阻力大大增加，來驅(qū)動小車行駛的能量變得很少，直接限制小車運行最遠距離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種避障轉(zhuǎn)向裝置、工作方法和無碳小車，以使小車在行走過程中自動避障。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種避障轉(zhuǎn)向裝置，包括：

控制單元、位于車身的轉(zhuǎn)向機構(gòu)；其中

所述控制單元適于檢測障礙物并驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)使小車實現(xiàn)自動避障行走。

進一步，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括：轉(zhuǎn)向前輪和設于車身底板前部的轉(zhuǎn)向基座，以及位于轉(zhuǎn)向基座一側(cè)的舵機；

所述轉(zhuǎn)向基座沿豎直方向設一通孔；

一前叉的上部穿過所述通孔并通過齒輪副與舵機的輸出軸相連，所述前叉的下部設有轉(zhuǎn)向前輪；

當檢測到障礙物時，所述控制單元控制舵機帶動前叉轉(zhuǎn)動，以使轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，以使小車實現(xiàn)自動避障行走。

進一步，所述前叉的上部為前叉軸，以及位于前叉的下部為兩前叉腿，兩前叉腿上分別開有前輪軸孔；

所述轉(zhuǎn)向前輪處于兩前叉腿之間；即

位于所述轉(zhuǎn)向前輪兩側(cè)的法蘭軸承適于分別裝配在相應前輪軸孔內(nèi)；以及

所述控制單元中的光電編碼器的轉(zhuǎn)軸適于連接前輪軸孔和法蘭軸承，以檢測轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離。

進一步，所述齒輪副包括：安裝于舵機輸出軸端的舵機齒輪，以及安裝于前叉軸的前叉齒輪；

所述舵機齒輪與前叉齒輪嚙合，且

當舵機輸出軸轉(zhuǎn)動時，所述舵機齒輪跟隨轉(zhuǎn)動，并帶動前叉齒輪轉(zhuǎn)動，進而帶動前叉轉(zhuǎn)動，以使轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)動相應角度，避開障礙物行走。

進一步，所述控制單元包括：

處理器模塊、與所述處理器模塊相應的輸入端分別相連的陀螺儀和激光雷達，以及與處理器模塊輸出端相連的舵機驅(qū)動模塊；

所述陀螺儀適于檢測車身的絕對角度；

所述激光雷達位于車身中部且適于檢測小車周身的障礙物信息；

所述障礙物信息包括：車身前端與障礙物的障礙距離，以及左、右車身分別與左、右道路邊緣之間的左、右邊距；

當車身的正前方出現(xiàn)障礙，激光雷達檢測障礙距離，若該障礙距離小于處理器模塊設定距離，所述處理器模塊根據(jù)左、右邊距判斷車身處于道路的位置；若車身偏于道路一側(cè)，則所述處理器模塊控制舵機驅(qū)動模塊啟動舵機帶動轉(zhuǎn)向前輪1向該道路另一側(cè)偏轉(zhuǎn)，以避過障礙物；以及

當小車行進至道路彎道時，車身的左邊距和/或右邊距瞬間增大且超過道路寬度，所述處理器模塊控制舵機轉(zhuǎn)動使車身掉頭或轉(zhuǎn)彎。

進一步，當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和車身的絕對角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正。

又一方面，本發(fā)明還提供了一種避障轉(zhuǎn)向裝置的工作方法。

所述避障轉(zhuǎn)向裝置包括：控制單元、位于車身的轉(zhuǎn)向機構(gòu)；

所述工作方法包括：通過控制單元檢測障礙物并驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)以使小車自動避障行走。

進一步，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括：轉(zhuǎn)向前輪和設于底板前部的轉(zhuǎn)向基座，以及側(cè)掛于轉(zhuǎn)向基座的舵機；

所述控制單元包括：處理器模塊、與處理器模塊相應的輸入端分別相連的陀螺儀和激光雷達、與處理器模塊輸出端相連的舵機驅(qū)動模塊，以及安裝在轉(zhuǎn)向前輪上的編碼器；

所述陀螺儀適于檢測車身的絕對角度；

所述激光雷達位于車身中部且適于檢測小車周身的障礙物信息；

所述障礙物信息包括：車身前端與障礙物的障礙距離，以及左、右車身分別與左、右道路邊緣之間的左、右邊距；

所述編碼器適于記錄轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離；

當車身的正前方出現(xiàn)障礙，激光雷達檢測障礙距離，若該障礙距離小于處理器模塊設定距離，所述處理器模塊根據(jù)左、右邊距判斷車身處于道路的位置；若車身偏于道路一側(cè)，則所述處理器模塊控制舵機驅(qū)動模塊啟動舵機帶動轉(zhuǎn)向前輪1向該道路另一側(cè)偏轉(zhuǎn)，以避過障礙物；

當小車行進至道路彎道時，車身的左邊距和/或右邊距瞬間增大且超過道路寬度，所述處理器模塊控制舵機轉(zhuǎn)動使車身掉頭或轉(zhuǎn)彎；以及

當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊適于發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和絕對轉(zhuǎn)動角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正。

進一步，當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊適于發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和絕對轉(zhuǎn)動角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正的方法包括：

通過直線修正方法對車身進行修正，即

所述處理器模塊適于在小車避障之后，根據(jù)陀螺儀記錄避障前的車身的絕對角度，并通過pid控制舵機使車身調(diào)正到避障前的絕對角度；在調(diào)整絕對角度后，激光雷達第一次記錄車身到道路任一側(cè)邊的垂直距離，同時編碼器開始檢測滾動距離，當小車繼續(xù)進行固定距離后，激光雷達第二次記錄車身到同一側(cè)邊的垂直距離，通過三角函數(shù)計算出偏移角度，判斷車身是否與道路平行；若不平行，則通過偏移角度修正車身直線行駛的默認絕對角度，然后再通過pid控制舵機；以及在小車完成掉頭動作后，在陀螺儀重新確定小車的絕對角度后，再次通過上述直線修正方法對車身進行校正。

第三方面，本發(fā)明還提供了一種無碳小車。

所述無碳小車安裝有所述的避障轉(zhuǎn)向裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明的基于激光雷達的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置，通過設置激光雷達、陀螺儀、編碼器、單片機以及舵機，陀螺儀可記錄車身姿態(tài)，激光雷達識別速度快、精度高、范圍廣、穩(wěn)定可靠，可適應各種困難以及不同間距的避障；

2.本發(fā)明的基于激光雷達的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置,舵機側(cè)掛固定在轉(zhuǎn)向基座上，并且通過齒輪傳動，空間結(jié)構(gòu)合理；同時轉(zhuǎn)向基座通過螺栓固定在車架底板，保證了轉(zhuǎn)向裝置的穩(wěn)定可靠性能；

3.本發(fā)明的基于激光雷達的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置,從舵機輸出到轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)動，其傳動精度高、響應快，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的轉(zhuǎn)向以及校正，并且能快速準確的將轉(zhuǎn)向動作傳遞給前輪，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向；

4.本發(fā)明的基于激光雷達的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置,轉(zhuǎn)向前輪采用固定軸連接，沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量利用效率；同時，轉(zhuǎn)向前輪的軸為編碼器的軸，測速方便。

5.本發(fā)明的基于激光雷達的自控行走避障前輪轉(zhuǎn)向裝置,各部件的加工精度要求不高，零件少，傳動鏈短，轉(zhuǎn)向基座齒輪等可用非金屬材料，能批量生產(chǎn)。具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工容易、質(zhì)量輕、成本低、智能避障和直線自我校正等優(yōu)點。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置的原理框圖；

圖中：1為轉(zhuǎn)向前輪，11為光電編碼器的轉(zhuǎn)軸，111為法蘭軸承，2為轉(zhuǎn)向基座，21為通孔，3為舵機，31為舵機輸出軸，311為舵機齒輪，4為前叉，41為前叉軸，411為前叉齒輪，412為前叉軸承，42為前叉腿，421為前輪軸孔，5為編碼器，6為車身底板，7為處理器模塊，8為激光雷達。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

實施例1

圖1是基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)圖；

如圖1所示，本實施例1提供了一種避障轉(zhuǎn)向裝置，其適用于無碳小車，具體的結(jié)構(gòu)包括：控制單元、位于車身的轉(zhuǎn)向機構(gòu)；其中所述控制單元適于檢測障礙物并驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)使小車實現(xiàn)自動避障行走。

圖2是基于激光雷達的避障轉(zhuǎn)向裝置的轉(zhuǎn)向機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖；

如圖1和圖2所示，所述轉(zhuǎn)向機構(gòu)包括：轉(zhuǎn)向前輪1和設于車身底板6前部的轉(zhuǎn)向基座2，以及位于轉(zhuǎn)向基座2一側(cè)的舵機3；所述轉(zhuǎn)向基座2沿豎直方向設一通孔21；一前叉4的上部穿過所述通孔21并通過齒輪副與舵機3的輸出軸相連，所述前叉4的下部設有轉(zhuǎn)向前輪1；當檢測到障礙物時，所述控制單元控制舵機帶動前叉轉(zhuǎn)動，以使轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)向，以使小車實現(xiàn)自動避障行走。

進一步，所述前叉的上部為前叉軸41，以及位于前叉的下部為兩前叉腿42，兩前叉腿42上分別開有前輪軸孔421；所述轉(zhuǎn)向前輪1處于兩前叉腿之間；即位于所述轉(zhuǎn)向前輪1兩側(cè)的軸承111適于分別裝配在相應前輪軸孔421內(nèi)；以及所述控制單元中的光電編碼器的轉(zhuǎn)軸11適于連接前輪軸孔421和軸承，以檢測轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離，進而保證小車在行進過程中轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向前輪進行方向的準確性；并且在本實施例中，轉(zhuǎn)向前輪通過兩側(cè)的軸承裝設于前叉內(nèi)，轉(zhuǎn)向前輪1采用此種固定軸連接方式，沒有移動副，可大大降低摩擦能耗，提高能量利用效率。

所述齒輪副包括：安裝于舵機輸出軸31端的舵機齒輪311，以及安裝于前叉軸41的前叉齒輪411；所述舵機齒輪311與前叉齒輪411嚙合，且當舵機輸出軸31轉(zhuǎn)動時，所述舵機齒輪311跟隨轉(zhuǎn)動，并帶動前叉齒輪411轉(zhuǎn)動，進而帶動前叉4轉(zhuǎn)動，以使轉(zhuǎn)向前輪1轉(zhuǎn)動相應角度，避開障礙物行走。

所述控制單元包括：處理器模塊7、與所述處理器模塊7相應的輸入端分別相連的陀螺儀和激光雷達8，以及與處理器模塊輸出端相連的舵機驅(qū)動模塊；所述陀螺儀適于檢測車身的絕對角度；所述激光雷達8位于車身中部且適于檢測小車周身的障礙物信息，即360°檢測；所述障礙物信息包括：車身前端與障礙物的障礙距離，以及左、右車身分別與左、右道路邊緣之間的左、右邊距；當車身的正前方出現(xiàn)障礙，激光雷達檢測障礙距離，若該障礙距離小于處理器模塊設定距離，所述處理器模塊根據(jù)左、右邊距判斷車身處于道路的位置；若車身偏于道路一側(cè)，則所述處理器模塊控制舵機驅(qū)動模塊啟動舵機帶動轉(zhuǎn)向前輪1向該道路另一側(cè)偏轉(zhuǎn)，以避過障礙物；以及當小車行進至道路彎道時，車身的左邊距和/或右邊距瞬間增大且超過道路寬度，所述處理器模塊控制舵機轉(zhuǎn)動使車身掉頭或轉(zhuǎn)彎。

所述處理器模塊7例如但不限于采用單片機stm32f103zet6，所述陀螺儀設于控制板上，所述激光雷達8可以設置于車身中部；具體的，激光雷達8對對應的雷達信號處理芯片以spi協(xié)議連接到處理器模塊7對應的引腳上，陀螺儀通過串口通訊方式與處理器模塊7相連，以及光電編碼器的信號線連接到處理器模塊7的相應引腳上。

當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和車身的絕對角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正。

本實施例通過設置激光雷達、陀螺儀、編碼器、單片機以及舵機，轉(zhuǎn)向信號從舵機輸出到動作，其傳動精度高、響應快，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的轉(zhuǎn)向以及校正，并且能快速準確的將轉(zhuǎn)向動作傳遞給前輪，實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向；具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工容易、質(zhì)量輕、成本低、智能避障和直線自我校正等優(yōu)點。

所述激光雷達通過道路兩側(cè)的臺階可以作為邊緣進行測距，定位，在其他實施例中，所述道路可以為小車行進用賽道，兩側(cè)設有擋板，以便于激光雷達進行測距、定位

實施例2

在實施例1基礎上，本實施例2提供了一種避障轉(zhuǎn)向裝置的工作方法。

其中，所述避障轉(zhuǎn)向裝置包括：控制單元、位于車身的轉(zhuǎn)向機構(gòu)；且具體結(jié)構(gòu)及其工作原理見實施例1的相關(guān)描述，此處不再贅述。

所述工作方法包括：通過控制單元檢測障礙物并驅(qū)動轉(zhuǎn)向機構(gòu)以使小車自動避障行走。

所述自動避障行走方式包括：轉(zhuǎn)向、掉頭和直線校正。

在實施例中，轉(zhuǎn)向和掉頭過程相似，具體通過處理器模塊7對陀螺儀和激光雷達8以及光電編碼器的信號進行采集、分析進而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行控制。

當車身的正前方出現(xiàn)障礙，激光雷達檢測障礙距離，若該障礙距離小于處理器模塊設定距離，所述處理器模塊根據(jù)左、右邊距判斷車身處于道路的位置；若車身偏于道路一側(cè)，則所述處理器模塊控制舵機驅(qū)動模塊啟動舵機帶動轉(zhuǎn)向前輪1向該道路另一側(cè)偏轉(zhuǎn)，以避過障礙物；當小車行進至道路彎道時，車身的左邊距和/或右邊距瞬間增大且超過道路寬度，所述處理器模塊控制舵機轉(zhuǎn)動使車身掉頭或轉(zhuǎn)彎；以及當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊適于發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和絕對轉(zhuǎn)動角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正。

在本實施例中，直線校正的具體做法包括：

當車身的正前方障礙消失后，所述處理器模塊可以發(fā)出直線行走信號，并根據(jù)轉(zhuǎn)向前輪的滾動距離和絕對轉(zhuǎn)動角度，控制舵機對小車行進路線進行直線修正的方法包括：通過直線修正方法對車身進行修正，即所述處理器模塊適于在小車避障之后，根據(jù)陀螺儀記錄避障前的車身的絕對角度，并通過pid控制(比例、積分、微分控制)舵機使車身調(diào)正到避障前的絕對角度；在調(diào)整絕對角度后，激光雷達第一次記錄車身到道路任一側(cè)邊的垂直距離，同時編碼器開始檢測滾動距離，當小車繼續(xù)進行固定距離后，激光雷達第二次記錄車身到同一側(cè)邊的垂直距離，通過三角函數(shù)計算出偏移角度，判斷車身是否與道路平行；若不平行，則通過偏移角度修正車身直線行駛的默認絕對角度，然后再通過pid控制舵機；以及在小車完成掉頭動作后，在陀螺儀重新確定小車的絕對角度后，再次通過上述直線修正方法對車身進行校正。

具體的，若在小車完成掉頭動作后，將陀螺儀將小車的絕對角度值在原角度基礎上加或減180°后，再次通過上述直線修正方法對車身進行校正。

實施例3

在實施例1基礎上，本實施例3還提供了一種無碳小車，安裝有如實施例1所述的避障轉(zhuǎn)向裝置。

具體的，所述避障轉(zhuǎn)向裝置的具體結(jié)構(gòu)及其工作原理如實施例1所述，所述避障轉(zhuǎn)向裝置執(zhí)行小車的自動避障行走方式包括：轉(zhuǎn)向、掉頭和直線校正指令。

上述轉(zhuǎn)向、掉頭和直線校正指令的具體過程如實施例2所述，此處不再贅述。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。