专利名称：一种自动测量面积仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种适用于恶劣环境的自动测量面积仪。
背景技术：
在现实生活中，存在一些极为恶劣的环境，比如高温、高压、高危等恶劣环境，但是我们又需要对其进行面积测量，在这种恶劣的环境当然不适合由工作人员直接进行面积测量，这就需要一种可以自动测量面积的仪器。而目前国内外在智能测量面积仪器的研究领域涉足较少。大多测量面积的仪器还需要由工作人员拿着仪表进行现场测量，这种测量方式存在工作效率底下、测量数值不准确等弊端，由其是对恶劣的外部环境没有很好的应对措施。而本课题研究的自动测量面积仪具有智能性、自动性，因此就显示出其非常大的实用意义。综上所述，传统的测量面积仪存在以下缺点I、需要工作人员拿着测量仪器进行现场测量，这样不但效率低下，而且测量结果有较大的人为误差。2、对于恶劣的测量环境没有一个很好的应对措施。在高温、高压、强辐射等恶劣的环境下也需要由工作人员现场操作，这样对人员的身体伤害是很大的。3、以往的机器人运用“激光雷达传感器”进行外部环境探测，体积较大，不适合应用于体积较小的机器人，且激光雷达传感器价格昂贵。
发明内容本实用新型的目的是提供一种具有智能性、自动性，能够在恶劣环境下工作的自动测量面积仪。本实用新型的目的是这样实现的本实用新型主体是一台自动导航机器人，由电机驱动层、传感器层、主控层、无线网络传输层组成，其特征在于电机驱动层由电机驱动板，伺服电机组成，伺服电机与电机驱动板连接；传感器层由红外测距传感器、电子罗盘传感器和编码器组成，其中红外测距传感器安装在180°旋转的舵机云台上，探测舵机的旋转角度和红外测距传感器测得的距离信息；电子罗盘传感器测量自动导航机器人前进的方向角度，编码器测量自动导航机器人前进的距离；控制层由一台工控机组成，进行信息的采集，传感器层信息融合，算法处理以及控制信息的输出；网络传输层通过无线网络实现自动导航机器人与远程计算机的数据交换。电机驱动层由一个双路IOA直流电机驱动板，4个伺服电机组成，同侧的2个伺服电机串联组成电机组，电机组间并联连接在电机驱动板上。红外测距传感器安装在180°旋转的舵机云台上，实时记录舵机的旋转角度和红外测距传感器测量的距离信息，在机器人前方建立一个180°的扫描窗口。[0012]本实用新型的有益效果在于(I)本实用新型具有自动导航及沿墙走功能，可以自动测量所在环境的面积，适合应用于高温、高压及危险等恶劣的环境，采用机器式测量，测量的结果更准确，测量效率更闻。(2)该测量仪将红外测距传感器安装在舵机云台上，完成前方180°范围内环境的探测任务，该结构设计小巧轻便。

图I是测量面积仪的工作流程图；图2是自动导航机器人总体结构设计示意图；图3是自动导航机器人滚动窗口示意图；图4是沿墙走闭合矢量图；图5是闭合矢量图的复原处理示意图；图6是闭合矢量图的分割处理示意图。
具体实施方式下面结合对本实用新型做进一步说明实施例本实用新型主体是一台自动导航机器人，主要由驱动层、传感器层、控制层和网络传输层等组成。驱动层由一个双路IOA直流电机驱动，4个行星轮减速电机，电池包和USB-TTL模块组成。驱动模块的信号输入线接USB-TTL模块的TX线，GND接USB-TTL的GND线，主控机通过TX向驱动模块传输控制信号。传感器层可以探测外部环境信息，建立环境模型，然后通过上位机的算法处理实现前方障碍物的探测、避障和沿墙走功能。自动导航机器人采用的导航算法是滚动视窗法，其原理是把红外测距传感器安装在180°旋转的舵机云台上，实时记录舵机的旋转角度和红外测距传感器的距离信息，这样在自动导航机器人前方就建立了一个180°的探测窗口，自动导航机器人在此窗口内进行外部环境建模，进而实施自主导航策略。有了以上的自动导航和沿墙走功能，自动导航机器人就可以在需要测量面积的场地内沿边缘巡航一周。自动导航机器人可以通过编码器测量每段前进的里程，用电子罗盘传感器确定每次前进的方向，自动导航机器人在每个方向上前进的里程和方向就形成了一个方向矢量，这样在其巡航一周之后可以通过软件自动生成一张闭合矢量图，该矢量图就是场地外缘轮廓图，但是由于自动导航机器人在前进中和墙壁之间有一定的安全距离，所要对生成的闭合矢量图进行放大校正，最终得到场地的完全轮廓图。再结合分害I]、微分、积分、三角处理等方法设计面积计算算法，进行软件设计开发，计算出放大校正后的闭合矢量图的面积，该面积就是需要测量的地形的面积。当然以上轮廓图的绘制、划分和最终的面积计算都是通过软件编程实现的，是一个完全自动的过程。最后测量仪还会通过无线设备把结果传送给上位机用户。自动测量面积仪的整个工作流程如图I所示。本实用新型的硬件系统主要由以下几部分组成(I)驱动层，自动导航机器人由Sabertooth双路IOA直流电机驱动器提供了高达IOA的持续驱动，同时采用了 4个12V空心杯行星齿轮减速电机，动力强劲。[0026](2)传感器层，传感器层由I个红外测距传感器，I个电子罗盘传感器和一个编码器组成。其中红外测距传感器安装在180°转的舵机云台上，实时记录舵机的旋转角度和红外测量的距离信息，就可以实时探测障碍物相对于机器人的距离和方位角。(3)控制层，控制层由工控机组成，它完成了信息的采集，多传感器信息融合，算法的处理以及控制信息的输出等功能。(4)网络传输层，网络传输层又可以称为人机交换层，它是通过无线网络通信实现自动导航机器人与笔记本电脑的人机交换，在进行数据测量后，仪器会直接把数据传输给用户。整体结构如图2所示。自动导航机器人主控系统由一台计算机和一台车载PC工控机组成，两台电脑通过软件，实现无线实时数据传输。这样，面积测量人员可以通过计算机实现机器人的远程 开关、面积测量和实时数据观察。电机驱动层选用I个“双路IOA直流电机驱动”，4个伺服电机，同侧的2个电机采用串联连接，双侧的两组电机采用并联连接，这样便于自动导航机器人的差速控制。串、并联通过电机与驱动板的接线实现。驱动板和PC工控机之间采用USB-TTL模块连接，驱动板上的SI是信号接收端口，它与USB-TTL的Tx端连接，驱动板的Ov与USB-TTL的Gnd端连接。在传感器层，红外测距传感器和工控机通过USBSS32模块连接，传感器的电源端口接USBSS32的VS2端，以实现传感器的5v供电，信号线端口 SI接USBSS32的模拟量读取端口 A。编码器与工控机的连接同样采用USBSS32模块连接，用USBSS32上的数字读取端读取编码器的信号。USBSS32通过USB线把数据传送给工控机。电子罗盘传感器与工控机采用USB-TTL模块连接，罗盘的Rx、Tx、0V端分别与USB-TTL的Tx、Rx (两种模块的Rx、Tx反接)和Gnd端连接。本实用新型中自动导航机器人的导航算法选用了滚动窗口避障算法。该算法要求红外测距传感器能够感知机器人前方180°范围内的障碍物，并能确定障碍物的方位。本实用新型把I个红外测距传感器安装到180°旋转的舵机云台上，实时记录舵机的旋转角度和红外测距传感器测量的距离信息，从而在机器人前方建立一个180°的扫描窗口，其工作过程类似于“激光雷达”，实现了障碍物的距离和方位角的实时探测，这也是红外测距传感器应用的创新之处。主控层每次给舵机发送一个脉冲，每个脉冲对应于舵机的一个角度。主控层同时记录所发送的脉冲数值，也就知道了舵机的实时角度。舵机云台用USBSS32舵机控制板精确控制，其控制舵机的运动命令如下#〈ch>P〈pw>S〈spd> …#〈ch>P〈pw>S〈spd>T〈time>〈cr><ch> :舵机通道号，0-31路通道。<pw> :脉冲宽度，单位为微秒(us)，脉冲宽度范围是500us-2500us。<spd> :单通道的运动速度。〈time〉所有通道的运动速度,单位为毫秒(ms),最大可选65535。<cr> :回车结束符，ASC码中的13，且为必选。单个舵机运动实例#6P1500 S1000<cr>其含义是选用6号通道为舵机控制通道，舵机将以1000us/s的速度运动到1500us位置。根据本课题所选舵机与PWM的关系，2000us脉冲宽度舵机就会转180°。考虑到该课题的具体情况，实际选取了 10个脉冲位置，每个脉冲位置对应于舵机的一个角度值，具体的对应关系如下表所示
权利要求1.一种自动测量面积仪，主体是一台自动导航机器人，由电机驱动层、传感器层、主控层、无线网络传输层组成，其特征在于电机驱动层由电机驱动板，伺服电机组成，伺服电机与电机驱动板连接；传感器层由红外测距传感器、电子罗盘传感器和编码器组成，其中红外测距传感器安装在180°旋转的舵机云台上，探测舵机的旋转角度和红外测距传感器测得的距离信息；电子罗盘传感器测量自动导航机器人前进的方向角度，编码器测量自动导航机器人前进的距离；控制层由一台工控机组成，进行信息的采集，传感器层信息融合，算法处理以及控制信息的输出；网络传输层通过无线网络实现自动导航机器人与远程计算机的数据交换。
2.根据权利要求I所述的一种自动测量面积仪，其特征在于所述的电机驱动层由一个双路IOA直流电机驱动板，4个伺服电机组成，同侧的2个伺服电机串联组成电机组，电机组间并联连接在电机驱动板上。
3.根据权利要求I或2所述的一种自动测量面积仪，其特征在于所述的红外测距传感器安装在180°旋转的舵机云台上，实时记录舵机的旋转角度和红外测距传感器测量的距离信息，在机器人前方建立一个180°的扫描窗口。
专利摘要本实用新型属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种适用于恶劣环境的自动测量面积仪。本实用新型主体是一台自动导航机器人，由电机驱动层、传感器层、主控层、无线网络传输层组成。本实用新型具有自动导航及沿墙走功能，可以自动测量所在环境的面积，适合应用于高温、高压、高辐射等恶劣的环境，采用机器式测量，测量的结果更准确，测量效率更高。
文档编号G01B11/28GK202814363SQ20122027796
公开日2013年3月20日 申请日期2012年6月13日 优先权日2012年6月13日
发明者曲东越, 胡远航, 郭保腾, 郝国全, 庞岩 申请人:哈尔滨工程大学