基于ROS的具有激光导航功能的高效率无线充电智能小车及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ROS的具有激光导航功能的高效率无线充电智能小车及控制方法，主要由反激式电源模块、无线充电模块、电机驱动与底层控制系统以及环境检测与算法实现系统组成。首先，无线充电装置对电池充电，小车出发后，采用激光雷达对周围环境进行信息采集，结合电机编码器提供的里程计信息，经过里程计标定与运动畸变去除，在树莓派中的ROS平台实现了改进的Gmapping算法，以实现在未知环境中实时定位与地图创建的功能，再通过调用navigation功能包实现自主导航功能。当电源电压检测模块检测到电池电压不足时，设定充电点为导航目标，实现自动返回充电点充电的功能，大大提高了移动机器人的自动化水平与服务质量。

【技术实现步骤摘要】
基于ROS的具有激光导航功能的高效率无线充电智能小车及控制方法
本专利技术涉及ROS智能小车领域，特别提供了一种基于ROS系统具有激光导航功能，可实现自动高效率无线充电的智能小车。
技术介绍
现今人工智能与无线充电技术愈发火热，随着全球的节能化、清洁化、智能化潮流的发展，无人驾驶汽车、无线充电汽车市场潜力愈大。如今常见的基于ROS的移动机器人大多为使用车载电池进行供电，若需机器人长期工作，则需要工作人员装卸电池，极为不便，且常常由于欠压使智能小车不正常工作，导致服务质量下降，甚至服务中断。此外，市场上已有的锂电池无线充电模块，普遍存在效率转化低的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种提高智能服务机器人自动化水平、减少所需劳动力、基于ROS系统具有激光导航功能的高效率无线充电智能小车。本专利技术技术方案如下：一种基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，包括机械部件、无线充电模块、电机驱动与底层控制系统以及环境检测与算法实现系统；所述机械部件包括三个层叠设置的圆盘(1)、左右驱动轮(2)、万向轮(3)；所述左右驱动轮(2)和万向轮(3)安装于圆盘(1)底层的底盘上，作为两轮差速底盘；所述无线充电模块包括反激式电源模块(4)、发送电路(5)、发送线圈(6)、接收电路(7)、接收线圈(8)、12V锂电池组(9)；所述反激式电源(4)输入端连接电源，其输出端与发送电路(5)相连，发送电路(5)与发送线圈(6)相接，线圈通过磁耦合谐振将电能传输给接收线圈(8)，接收线圈固定在底盘中央位置，通过底盘上的接收电路(7)，连接12V锂电池组(9)；所述电机驱动与底层控制系统包括电源电压检测模块(10)、电源转换模块(11)、STM32处理器系统(12)、OLED显示器(13)、TB6612电机驱动模块(14)、JGA25-370电机(15)；此系统安装于小车底盘上，所述电源电压检测模块(10)通过检测12V锂电池组(9)输出电压，将检测信号返回给STM32处理器系统(12)，STM32处理器系统(12)与OLED显示器(13)相连；所述电源转换模块(11)给电源电压检测模块(10)、STM32处理器系统(12)以及TB6612电机驱动模块(14)供电；JGA25-370电机(15)连接左右驱动轮(2)，STM32处理器系统(12)与TB6612电机驱动模块(14)相连，实现对于JGA25-370电机(15)的控制；所述环境检测与算法实现系统包括串口通讯线(16)、树莓派3B+(17)、RPLIDARA1激光雷达(18)、上位机(19)；此系统位于小车中层和顶层，所述树莓派3B+(17)通过串口通讯线(16)与底层的STM32处理器系统(12)相连；所述激光雷达(18)与树莓派3B+(17)相连，将周围环境雷达信息传给树莓派3B+(17)；所述上位机(19)通过无线通讯向树莓派(17)发送决策信息，同时接收树莓派(17)所上传的地图信息，并进行地图可视化工作。进一步，所述电源转换模块(11)是由LM7805芯片5V稳压电路、AMS1117-3.3芯片3.3V稳压电路以及MP9486S芯片12V稳压电路组成，分别给电源电压检测模块(10)、STM32处理器系统(12)及TB6612电机驱动模块(14)供电。进一步，所述无线充电模块中，采用XKT-801芯片，在充电点固定发送线圈(6)，在小车底部固定接收线圈(8)，对接收电路电流进行采集，将电压信号送给STM32处理器(12)ADC输入端，此无线充电模块的输出电压为12V，输出电流为3A。进一步，所述反激式电源模块(4)中，其输入端与市电220V相连，经过安规电容与共模电感滤除干扰后接入高压整流桥，高频开关变压器采用ETD34规格，初级绕组与整流桥相接，主次级绕组经过快恢复二极管以及滤波电路与输出端相连，辅次级绕组对TOP266EG控制芯片供电；反馈回路采用TL431三端稳压芯片提供基准电压，并借助PC817A光耦隔离芯片将控制电路与输出电路隔离。进一步，所述电源电压检测模块(10)包括直流可调升压变换器、差模放大器以及电压跟随器；所述直流可调升压变换器包括MT3608同步升压芯片，LM7805芯片电压输出引脚经过滤波电容接入MT3608芯片输入引脚，MT3608芯片电压反馈引脚接入电位器与分压电阻之间，MT3608芯片输出引脚经过滤波电容向差模放大器INA286供电；所述差模放大器INA286正相输入引脚经过限流电阻与电源输入端相连，差模放大器INA286反相输入引脚接于分压电阻与电位器之间；所述电压跟随器输入端接差模放大器的电压输出引脚，电压跟随器另一端接入电压检测模块(10)输出端。进一步，所述电源转换模块(11)输入端子通过单刀双掷开关以及肖特基二极管接入MP9486S芯片VIN脚，芯片输出引脚经单刀双掷开关接入LM7805芯片VIN脚，AMS1117-3.3芯片IN脚与LM7805电压输出引脚相接；所述STM32处理器系统(12)采用STM32F103C8T6芯片，与晶振电路、复位电路、BOOT电路、STLINK接口、串口接口、OLED接口组成最小系统，STM32处理器系统(12)通过OLED显示器(13)实时显示电源电压值与充电信号；所述TB6612电机驱动模块(14)包括驱动芯片TB6612以及两个电机接线端子，直流电压源经过钽电容滤波接入驱动芯片的输入引脚，驱动芯片控制引脚、信号引脚以及驱动电压输出引脚分别与接线端子相接。本专利技术的方法的技术方案为：一种基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车的控制方法，包括如下步骤：第一步：树莓派3B+(17)通过RPLIDARA1激光雷达(18)采集的环境信息、STM32处理器系统(12)反馈的里程计积分数据以及上位机的信息，根据预先设定条件做出相应的决策；第二步：在树莓派3B+(17)中完成对环境信息和里程计积分数据的时间同步，进而进行运动畸变去除；已知当前帧激光的起始时间ts和最终时间te，两个激光束间的时间Δt，里程计数据按照时间顺序存储在一个队列中，队首的时间最早，最早的里程计数据的时间戳＜ts，最晚的里程计数据的时间戳＞te；目标：求解当前帧激光数据中每一个激光点对应的机器人位姿，即求解{ts,ts+Δt,…,te}时刻的机器人位姿，再根据求解的位姿将所有激光点转换到同一坐标系下，重新封装成一帧激光数据，发布出去；算法流程：首先，求解ts和te时刻的位姿ps和pe；设在ts时刻没有对应的里程计位姿ps，则进行线性插值；假设在tl、tk时刻有位姿pl、pk，且tl＜ts＜tk，则：pl＝OdomList[tl]pk＝OdomList[tk]其中：OdomList表示里程计所得位姿数据表；LinarInterp表示线性插值函数；其次，利用分段线性函数对二次曲线进行近似；在ts和te时间段内，一共取k个位姿{ps,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，包括机械部件、无线充电模块、电机驱动与底层控制系统以及环境检测与算法实现系统；/n所述机械部件包括三个层叠设置的圆盘(1)、左右驱动轮(2)、万向轮(3)；所述左右驱动轮(2)和万向轮(3)安装于圆盘(1)底层的底盘上，作为两轮差速底盘；/n所述无线充电模块包括反激式电源模块(4)、发送电路(5)、发送线圈(6)、接收电路(7)、接收线圈(8)、12V锂电池组(9)；所述反激式电源(4)输入端连接电源，其输出端与发送电路(5)相连，发送电路(5)与发送线圈(6)相接，线圈通过磁耦合谐振将电能传输给接收线圈(8)，接收线圈固定在底盘中央位置，通过底盘上的接收电路(7)，连接12V锂电池组(9)；/n所述电机驱动与底层控制系统包括电源电压检测模块(10)、电源转换模块(11)、STM32处理器系统(12)、OLED显示器(13)、TB6612电机驱动模块(14)、JGA25-370电机(15)；此系统安装于小车底盘上，所述电源电压检测模块(10)通过检测12V锂电池组(9)输出电压，将检测信号返回给STM32处理器系统(12)，STM32处理器系统(12)与OLED显示器(13)相连；所述电源转换模块(11)给电源电压检测模块(10)、STM32处理器系统(12)以及TB6612电机驱动模块(14)供电；JGA25-370电机(15)连接左右驱动轮(2)，STM32处理器系统(12)与TB6612电机驱动模块(14)相连，实现对于JGA25-370电机(15)的控制；/n所述环境检测与算法实现系统包括串口通讯线(16)、树莓派3B+(17)、RPLIDARA1激光雷达(18)、上位机(19)；此系统位于小车中层和顶层，所述树莓派3B+(17)通过串口通讯线(16)与底层的STM32处理器系统(12)相连；所述激光雷达(18)与树莓派3B+(17)相连，将周围环境雷达信息传给树莓派3B+(17)；所述上位机(19)通过无线通讯向树莓派(17)发送决策信息，同时接收树莓派(17)所上传的地图信息，并进行地图可视化工作。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，包括机械部件、无线充电模块、电机驱动与底层控制系统以及环境检测与算法实现系统；
所述机械部件包括三个层叠设置的圆盘(1)、左右驱动轮(2)、万向轮(3)；所述左右驱动轮(2)和万向轮(3)安装于圆盘(1)底层的底盘上，作为两轮差速底盘；
所述无线充电模块包括反激式电源模块(4)、发送电路(5)、发送线圈(6)、接收电路(7)、接收线圈(8)、12V锂电池组(9)；所述反激式电源(4)输入端连接电源，其输出端与发送电路(5)相连，发送电路(5)与发送线圈(6)相接，线圈通过磁耦合谐振将电能传输给接收线圈(8)，接收线圈固定在底盘中央位置，通过底盘上的接收电路(7)，连接12V锂电池组(9)；
所述电机驱动与底层控制系统包括电源电压检测模块(10)、电源转换模块(11)、STM32处理器系统(12)、OLED显示器(13)、TB6612电机驱动模块(14)、JGA25-370电机(15)；此系统安装于小车底盘上，所述电源电压检测模块(10)通过检测12V锂电池组(9)输出电压，将检测信号返回给STM32处理器系统(12)，STM32处理器系统(12)与OLED显示器(13)相连；所述电源转换模块(11)给电源电压检测模块(10)、STM32处理器系统(12)以及TB6612电机驱动模块(14)供电；JGA25-370电机(15)连接左右驱动轮(2)，STM32处理器系统(12)与TB6612电机驱动模块(14)相连，实现对于JGA25-370电机(15)的控制；
所述环境检测与算法实现系统包括串口通讯线(16)、树莓派3B+(17)、RPLIDARA1激光雷达(18)、上位机(19)；此系统位于小车中层和顶层，所述树莓派3B+(17)通过串口通讯线(16)与底层的STM32处理器系统(12)相连；所述激光雷达(18)与树莓派3B+(17)相连，将周围环境雷达信息传给树莓派3B+(17)；所述上位机(19)通过无线通讯向树莓派(17)发送决策信息，同时接收树莓派(17)所上传的地图信息，并进行地图可视化工作。


2.根据权利要求1所述的基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，所述电源转换模块(11)是由LM7805芯片5V稳压电路、AMS1117-3.3芯片3.3V稳压电路以及MP9486S芯片12V稳压电路组成，分别给电源电压检测模块(10)、STM32处理器系统(12)及TB6612电机驱动模块(14)供电。


3.根据权利要求1所述的基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，所述无线充电模块中，采用XKT-801芯片，在充电点固定发送线圈(6)，在小车底部固定接收线圈(8)，对接收电路电流进行采集，将电压信号送给STM32处理器(12)ADC输入端，此无线充电模块的输出电压为12V，输出电流为3A。


4.根据权利要求1所述的基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，所述反激式电源模块(4)中，其输入端与市电220V相连，经过安规电容与共模电感滤除干扰后接入高压整流桥，高频开关变压器采用ETD34规格，初级绕组与整流桥相接，主次级绕组经过快恢复二极管以及滤波电路与输出端相连，辅次级绕组对TOP266EG控制芯片供电；反馈回路采用TL431三端稳压芯片提供基准电压，并借助PC817A光耦隔离芯片将控制电路与输出电路隔离。


5.根据权利要求1所述的基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，所述电源电压检测模块(10)包括直流可调升压变换器、差模放大器以及电压跟随器；
所述直流可调升压变换器包括MT3608同步升压芯片，LM7805芯片电压输出引脚经过滤波电容接入MT3608芯片输入引脚，MT3608芯片电压反馈引脚接入电位器与分压电阻之间，MT3608芯片输出引脚经过滤波电容向差模放大器INA286供电；
所述差模放大器INA286正相输入引脚经过限流电阻与电源输入端相连，差模放大器INA286反相输入引脚接于分压电阻与电位器之间；
所述电压跟随器输入端接差模放大器的电压输出引脚，电压跟随器另一端接入电压检测模块(10)输出端。


6.根据权利要求5所述的基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车，其特征在于，
所述电源转换模块(11)输入端子通过单刀双掷开关以及肖特基二极管接入MP9486S芯片VIN脚，芯片输出引脚经单刀双掷开关接入LM7805芯片VIN脚，AMS1117-3.3芯片IN脚与LM7805电压输出引脚相接；
所述STM32处理器系统(12)采用STM32F103C8T6芯片，与晶振电路、复位电路、BOOT电路、STLINK接口、串口接口、OLED接口组成最小系统，STM32处理器系统(12)通过OLED显示器(13)实时显示电源电压值与充电信号；
所述TB6612电机驱动模块(14)包括驱动芯片TB6612以及两个电机接线端子，直流电压源经过钽电容滤波接入驱动芯片的输入引脚，驱动芯片控制引脚、信号引脚以及驱动电压输出引脚分别与接线端子相接。


7.根据权利要求1所述一种基于ROS系统具有激光导航功能的无线充电智能小车的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：树莓派3B+(17)通过RPLIDARA1激光雷达(18)采集的环境信息、STM32处理器系统(12)反馈的里程计积分数据以及上位机的信息，根据预先设定条件做出相应的决策；
第二步：在树莓派3B+(17)中完成对环境信息和里程计积分数据的时间同步，进而进行运动畸变去除；
已知当前帧激光的起始时间ts和最终...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伊莎，李怀龙，沈跃，周柏涛，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32