管道探測智能車的制作方法
【專利說明】
所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于管道探測領(lǐng)域，涉及一種使用單片機(jī)智能控制算法來實(shí)現(xiàn)三維立體構(gòu)圖技術(shù)的探測智能車。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波測距技術(shù):由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]單片機(jī)控制技術(shù):通過使用單片機(jī)，完成算法控制，使各部分元件在傳感器接收到信息后能夠做出相應(yīng)反應(yīng)，以及按照需求完成既定任務(wù)的技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]考慮前面的內(nèi)容，本發(fā)明提供的是一種使用單片機(jī)智能控制算法來實(shí)現(xiàn)三維立體構(gòu)圖技術(shù)的探測智能車。
[0005]該智能車具有垂直轉(zhuǎn)向的移動機(jī)構(gòu)，由萬向輪驅(qū)動，可在狹窄的位置轉(zhuǎn)向。
[0006]并且該智能車還包括:傳感系統(tǒng)，用于探測車周圍的障礙物；探測系統(tǒng)，用于掃描管道的輪廓；存儲部件，用于存儲對管道掃描的數(shù)據(jù)；MATLAB軟件，用于計(jì)算存儲部件中管道的掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維立體繪圖。通過以上各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)部輪廓構(gòu)造的智能化呈現(xiàn)。
[0007]本發(fā)明的智能車可以全自動自由移動，根據(jù)紅外傳感器采集的障礙物信息，通過特定程序控制可以無需人為操控實(shí)現(xiàn)全自動自主避障行走。
[0008]本發(fā)明的智能車采用超聲波探測技術(shù)，對光照條件沒有要求，而且可以探測管道內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，通過超聲波采集的數(shù)據(jù)，對管道輪廓進(jìn)行三維立體繪制，可直觀地展示管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明的有益效果:區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本發(fā)明的智能車可以忽略管道內(nèi)光源條件的影響，顯示出管道的輪廓，可以掃描出管道的表面漏洞，而且實(shí)現(xiàn)了全自動探測。介于以上功能，本智能車可為探洞運(yùn)動提供可靠的洞內(nèi)結(jié)構(gòu)信息，可以電纜、天然氣管道等管道的維修中有效提高工作效率以及減少損失。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明管道智能車的概貌。
[0011]圖2是本發(fā)明管道智能車的側(cè)視圖。
[0012]圖3是本發(fā)明管道智能車的俯視圖。
[0013]圖4是顯示圖1和圖3中所示智能車的電路構(gòu)成的方框圖。
[0014]圖5是顯示圖1到圖4所示智能車的功能和所探管道三維圖像重構(gòu)順序概要的流程圖。
[0015]圖6是顯示圖1到圖4所示智能車的整體運(yùn)行流程圖。
[0016]圖7是顯示圖1到圖4所示智能車的避障動作運(yùn)行流程圖。
[0017]圖8是顯示圖1到圖4所示智能車的超聲波掃描運(yùn)行流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]附圖是本發(fā)明的實(shí)施例，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0019]以下將描述本發(fā)明的實(shí)施例。
[0020]圖1是本發(fā)明智能車的概貌圖，圖2是該智能車的側(cè)視示意圖，圖3是本發(fā)明管道智能車的俯視圖。
[0021]智能車100由作為移動機(jī)構(gòu)提供的輪子101，步進(jìn)電機(jī)102，控制部件、驅(qū)動部件103，超聲波模塊104，紅外避障模塊105，云臺106，電池107，車架108，超聲波模塊支架109，紅外避障模塊支架110，云臺連接軸111以及輔助輪102組成。紅外避障模塊105固定在紅外避障模塊支架110上，紅外避障模塊支架110則固定在云臺106前端，并且看起來像蟲子的觸角。超聲波模塊104固定在超聲波模塊支架109上。云臺106通過云臺連接軸與步進(jìn)電機(jī)102相連。
[0022]輪子101配合上輔助輪112使智能車100可以自由移動。電池107供給所有部件所需電源。控制部件和驅(qū)動部件103具有機(jī)器人的全部控制權(quán)?？刂撇考?、驅(qū)動部件103的功能為驅(qū)動紅外避障模塊105、步進(jìn)電機(jī)102、超聲波模塊104和云臺106，并接收相應(yīng)模塊返回的信息來完成整個智能車100的全部功能。在本實(shí)施例中，控制部件、驅(qū)動部件103如圖4所示的智能車電路功能框圖中。
[0023]超聲波模塊104用來完成最主要的掃描管道功能，紅外避障模塊105則用于避障動作和路線選擇功能，輪子101固定于步進(jìn)電機(jī)102上，行進(jìn)方向和距離可精確行進(jìn)，這些全部通過電源、控制部件、驅(qū)動部件103來實(shí)現(xiàn)。
[0024]圖4是顯示圖1到圖3中所示智能車的電路構(gòu)成的方框圖。
[0025]圖4顯示了控制部件、驅(qū)動部件103上所裝載的電源穩(wěn)壓模塊、主控核心板、紅外避障模塊芯片、超聲波模塊芯片、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片和SD儲存卡插槽，這些在圖1到圖3中沒有顯示。電源穩(wěn)壓模塊用于提供安全可靠的工作電壓，紅外避障模塊芯片、超聲波模塊芯片和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片用于接收主控板控制信息進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)102，超聲波模塊104，紅外避障模塊105以及云臺106的相應(yīng)動作，并將獲取的信息傳回主控核心板。主控核心板則負(fù)責(zé)所有的控制，并通過SD卡槽中的SD卡儲存相應(yīng)的管道信息。
[0026]圖5是顯示圖1到圖4所示智能車的功能順序概要的流程圖。
[0027]智能車上電自檢并初始化無異常后，將自動行進(jìn)。
[0028]行進(jìn)過程中，不斷利用超聲波進(jìn)行管道形狀信息掃描，同時掃描有無障礙物，根據(jù)障礙物，管道路線進(jìn)行相應(yīng)避障和轉(zhuǎn)向動作，超聲波掃描動作也進(jìn)行相應(yīng)處理。
[0029]當(dāng)智能車到達(dá)軌道終點(diǎn)，檢測出到達(dá)終點(diǎn)，停止相應(yīng)檢測功能、停止行進(jìn)，取回智能車上存儲有管道信息的SD卡。將獲取的管道信息輸入進(jìn)上位機(jī)軟件，繪制出管道形狀，完成所探管道的三維圖像重構(gòu)。
[0030]圖6是顯示圖1到圖4所示智能車的整體運(yùn)行流程圖。
[0031]管道智能車開始進(jìn)行上電后開始自檢、初始化(步驟I);然后判斷是否異常(步驟2)，若異常則跳轉(zhuǎn)到步驟1，重新初始化，若無異常，給出指示信號，開始行進(jìn)(步驟3);行進(jìn)過程中不斷進(jìn)行管道的信息掃描，同時檢測前方障礙物和行進(jìn)路線(步驟4)，管道信息存儲至SD卡，對不同障礙和路線情況進(jìn)行不同處理，見圖7和圖8 ;最后行至終點(diǎn)，停止所有功能，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)(步驟5)。結(jié)束整個過程。
[0032]圖7是顯示圖1到圖4所示智能車的避障動作運(yùn)行流程圖。圖7中的流程圖詳細(xì)顯示了圖6所示流程圖中的步驟4中避障部分。
[0033]智能車100在行進(jìn)過程中不斷掃描是否遇到障礙物(步驟4.1.1);若沒遇到障礙物重復(fù)步驟4.1.1，若遇到障礙物，則判斷障礙方位、類型(步驟4.1.2)，根據(jù)障礙方位類型進(jìn)行相應(yīng)避障處理(步驟4.1.3);最后再進(jìn)行終點(diǎn)判斷(步驟4.1.4);若不為終點(diǎn)，則返回步驟4.1.1，若為終點(diǎn)，則結(jié)束。
[0034]圖8是顯示圖1到圖4所示智能車的超聲波掃描運(yùn)行流程圖。圖8中的流程圖詳細(xì)顯示了圖6所示流程圖中的步驟4中超聲波掃描部分。
[0035]智能車100在行進(jìn)過程中不斷循環(huán)掃描管道的形狀信息并儲存(步驟4.2.1);同樣根據(jù)避障部分的判斷(步驟4.2.2);若無障礙，返回步驟4.2.1，若遇到障礙，獲取障礙信息(步驟4.2.3);超聲波掃描模塊根據(jù)障礙信息進(jìn)行相應(yīng)動作(步驟4.2.4);最后，根據(jù)信息判斷是否為終點(diǎn)(步驟4.2.5);若為終點(diǎn)，則結(jié)束，若不為終點(diǎn)，返回步驟4.2.1。
[0036]參照附圖，一種管道探測智能車，包括:
[0037]整車尺寸:長300mmX寬300mmX高150mm，由于步進(jìn)電機(jī)的型號限制，本發(fā)明所用電池是12V鋰電池，電池需充電。電路板中自帶調(diào)壓裝置，可以將同一電壓進(jìn)行分流，調(diào)整以適應(yīng)各元件所需電壓。機(jī)身裝有6塊步進(jìn)電機(jī)，一對正交編碼器，一塊超聲波測距模塊，四組紅外線測距模塊。同時360°的云臺可以使超聲波測距模塊總能測到最合適的有限范圍內(nèi)。
[0038]工作原理
[0039]管道探測智能車進(jìn)入管道前要先打開電源，通過人工的方式為智能車找到初始出發(fā)點(diǎn)，各類電機(jī)和傳感器開始工作，本發(fā)明的電機(jī)均為步進(jìn)電機(jī)，三種功能的步進(jìn)電機(jī)，第一種功能是驅(qū)使萬向輪運(yùn)動，完成實(shí)際程序產(chǎn)生多少脈沖產(chǎn)生多少扭矩的精確控制；第二種是控制云臺旋轉(zhuǎn)，將步進(jìn)電機(jī)置于云臺底部，步進(jìn)電機(jī)給予多大角度，將會產(chǎn)生多大角度的旋轉(zhuǎn)；第三種是控制超聲波測距模塊，定時旋轉(zhuǎn)180°，掃描智能車的上半空間的障礙物(管壁)到智能車的距離。通過數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，將所獲得的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)存到車上所帶的SD卡中，然后隨小車一起帶出管道，在電腦中讀取SD卡中的數(shù)據(jù)，然后用MATLAB軟件自動生成三維立體構(gòu)圖。同時智能車還能夠完成紅外的避障功能，巧妙利用紅外探測模塊的有效張角是35°這一特性，使智能車能夠更有效地完成對全障礙面的避障，云臺會隨之轉(zhuǎn)動，使其上的超聲波測距模塊和紅外避障模塊隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動。
[0040]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種探測管道、隧道等管道型空間輪廓的可自動移動的智能車，其具有: 主板，用于探測部件、存儲部件、避障系統(tǒng)與行走機(jī)構(gòu)的控制； 行走機(jī)構(gòu)，用于使車體行走； 避障系統(tǒng)，用于使車自動躲避障礙，實(shí)現(xiàn)全自動行駛； 探測部件，用于掃描管道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)； 存儲部件，用于存儲探測部件獲得的數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能車，其中， 探測部件采集管道內(nèi)壁各點(diǎn)到智能車的距離，探測部件將采集的數(shù)據(jù)保存到存儲部件，并且，避障部件(紅外傳感器)掃描車體附近的障礙物信息，通過信息的電信號控制行走機(jī)構(gòu)避障。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的智能車，其特征在于， 所述行走機(jī)構(gòu)為輪式行走機(jī)構(gòu)，編碼器與車輪軸相連，其中， 探測部件與存儲部件相連，編碼器通過電路與主板相連，主板與步進(jìn)電機(jī)相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動車輪行走，車輪采用萬向輪，可實(shí)現(xiàn)90°直角轉(zhuǎn)向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的智能車，其特征在于， 所述智能車探測部件為超聲波探測。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種使用單片機(jī)智能控制算法來實(shí)現(xiàn)三維立體構(gòu)圖技術(shù)的探測智能車。適用于探洞運(yùn)動或電纜隧道、天然氣管道的檢修等特殊環(huán)境。通過特定程序控制智能車在管道中全自動自主避障行走，并對管道的內(nèi)壁特征采樣，通過智能算法對管道內(nèi)壁三維立體構(gòu)圖，揭示管道內(nèi)壁特征。
【IPC分類】G01B17-06, G05D1-02
【公開號】CN104535023
【申請?zhí)枴緾N201510041087
【發(fā)明人】張婷, 高橋, 馮惠源, 趙洋, 游清, 謝俊鋒, 游振濤
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月27日