糧倉環境檢測智能巡檢小車研制

摘 要:智能小車是移動機器人的一個重要分支，其特點是能在復雜環境中自動控制車輛繞開障礙物沿著預定的道路行進。智能小車上的傳感器可實時采集復雜環境中的重要信息以實現某種特定的功能。針對目前對糧倉環境的監測仍然采用傳統的模式，具有運行成本高及信息反饋滯后等不足的狀況，設計了一種用于糧倉檢測的智能巡檢小車，該小車對糧倉環境全天檢測，能實時提取糧倉環境的重要參數，彌補了傳統檢測方式的不足。

關鍵詞:智能小車;糧倉環境監測;濕溫檢測;單片機

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-153-03

Development of Intelligent Inspection Vehicle on Granary Environment Detection

GAO Ning，PENG Li，CHEN Kaijian

(School of Communication Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

Abstract:Intelligent vehicle is an important branch of mobile robot research.The intelligent vehicle can avoid obstacle with going along the anticipated way and collect important information about the environment.An intelligent vehicle applying for granary monitor is designed and realized.The designed vehicle can monitor the granary environment and collect the important parameters all day，such as temperature and humidity.The vehicle compensates for the lack of traditional granary monitor methods.

Keywords:intelligent vehicle;granary environment monitor;temperature and humidity detection;single chip computer

0 引 言

移動機器人最早出現于20世紀60年代，斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人在1966年至1972年研制出了名為Shakey的自主式移動機器人[1]。該機器人能識別并自主避讓菱形障礙物。Shakey的出現引發了自主式移動機器人研究的熱潮。

80年代中后期，對移動機器人的研究逐漸轉移到了室外、非公路，以導航為重點的自主避障上來[2，3]。近些年來對移動機器人的研究更加活躍并且側重于面向實際應用，已出現了應用于醫療福利服務、商場超市服務和家庭服務等領域的服務型移動機器人[4-6]。

智能小車作為移動機器人的一個重要分支，伴隨在移動機器人的發展而取得了極大進展。智能小車其實質是一個集環境感知、規劃決策等功能于一體的綜合智能系統。它集成了計算機、傳感、信息、通信、導航、人工智能及自動控制等技術，具有道路障礙自動識別、自動報警、自動控制和環境檢測等功能。智能小車的主要特點是在復雜的環境中，能自動操縱小車繞開障礙物沿著預定的道路行進，提取復雜環境的重要信息。因此，智能小車有著極為廣泛的應用領域，例如，智能小車可以在人無法適應的環境下長期工作，極大地擴展人類的活動領域。

糧食的安全儲藏是關系到國計民生的大事。目前，國內對大部分糧倉環境的監測仍然采用的是傳統的模擬方式或人工方式，這種傳統的監測模式運行成本高、效率低，不能及時、有效地反映出糧倉的環境狀態。針對該種情況，本文設計了一種能用于對糧倉環境參數進行全天檢測的智能巡檢小車，該小車在糧庫中能自動避障和尋找最優路徑，能實時有效地提取糧倉環境的重要參數，達到消除糧倉隱患的目的。

1 智能小車系統組成

智能小車的系統組成如圖1所示，包括上位機、系統控制模塊、電機驅動系統、光電軌跡檢測系統、溫濕度檢測、紅外測距模塊。上位機是和用戶交流信息的接口，通過上位機把用戶需要的程序下載到系統控制模塊，使智能小車按照用戶的需求監控糧倉環境并提取重要的技術參數。系統控制模塊負責從上位機獲取數據信息，控制電機驅動器的輸出動作，其另一作用是接收各個傳感器的輸入信號并進行信號分析處理，同時輸出控制信號，以協調智能小車的運動，起到了中樞的作用。紅外模塊測距的作用是測量障礙物距離小車的距離并繞開障礙物，實現避障功能。濕溫度檢測傳感器提取糧倉環境的溫度及濕度參數后，送給邏輯控制模塊進行處理和分析。

圖1 智能小車系統組成

2 智能小車硬件電路設計

2.1 驅動電路設計

智能小車的兩個驅動電機的硬件驅動電路由一個芯片L298N控制。驅動電路如圖2所示。

圖2 智能小車電機驅動電路

如圖2硬件電路所示，由兩個輸入口PWM1和PWM2向L298N輸入控制信號。控制A，B兩個驅動電機。電機A:IN1，IN2，PWM1;電機B:IN3，IN4，PWM2。IN1和IN2用于控制方向。IN1=高，IN2=低，為一個方向;反之為另一個方向。同時為高或同時為低，電機都不轉。當往PWM接口輸入高電平時，電機轉動，輸入低電平時電機停止。在高低信號組成的周期不變的情況下，可通過分別調節兩個PWM波的占空比，以調節每個電機的前進速度。

2.2 最小系統電路設計

AT89C51單片機用于控制PWM波，其最小系統電路如圖3所示。

2.3 測速及反饋電路設計

反饋部分采用光電編碼器，用于讀取碼盤。將光電編碼器放置于小車后輪齒輪部分，遮光處經光電編碼器后輸出高電平，透光處經光電編碼器后輸出低電平，將齒輪轉動的速度通過光電編碼器轉換為相應的PWM波電信號。通過計算PWM占空比可測定小車速度，并為速度反饋提供可能。光電編碼器部分電路如圖4所示。

圖3 最小系統電路

圖4 光電編碼器電路

3 智能小車溫濕度檢測系統設計

3.1 溫度傳感器選擇

溫度傳感器采用熱電偶，因為熱電偶是溫度測量中使用最廣泛的傳感器之一。國際實用溫標規定，在-630.74～+1 064.43 ℃的溫區范圍內，使用熱電偶作為復現熱力學穩標的基準儀器。由于具有結構簡單不需要外接電路，可用一根I/O數據線既供電又傳輸數據，并且具有體積小，分辨率高，轉換快等優點，被廣泛用于溫度測量和控制。

3.2 濕度傳感器的選擇

本系統采用的是電容式濕敏傳感器HS1101，電容式濕度傳感器的感濕機理是當基于電極間的感濕材料吸附環境中的水分時，其介電常數也隨之變化，其電容量與環境中水蒸汽相對壓(PV/P}關系可由下式表示:

C=ε0×εμ×S/d

式中:ε0為真空介電常數;εμ為測量相對濕度條件下感濕材料的介電常數;S為電容式傳感器有效面積;d為感濕膜厚度。

電容式濕度傳感器實用化程度高，工藝成熟，性能穩定，普遍用于各種情況下濕度測量[7]。

4 溫濕度顯示電路

本設計中采用靜態顯示方式。如圖5所示。

圖5 溫濕度顯示電路

AT89C51 通過MAX7219連接控制8個LED數碼管，其中每4個數碼管一組，分為兩組，分別顯示溫度和濕度。MAX7219所能直接驅動的是共陰極小電流LED顯示器，它不能直接驅動共陽極LED顯示器，否則會損壞器件。在級連顯示時，當被驅動的數碼管不是8的倍數時，最好將每個芯片所驅動的顯示位數設計為一致，這樣所有顯示器的顯示亮度才一致[2]。可根據現場檢測，直觀地顯示溫、濕度值，超出系統將做報警處理。

溫濕度檢測流程圖如圖6所示。

圖6 溫濕度檢測流程圖

5 紅外測距避障部分

紅外避障電路使用光電傳感器TCRT5000，電路如圖7所示。它的一端相當于一個紅外二極管，作為發射端;另一端相當于一個紅外三極管，是接收端。當接收端接收到發射端發出的紅外光線，三級管導通;當接收端未接收到發射端發出的紅外光線，三級管截止。在電阻于集電極中間引一條線作為輸出，平時沒有障礙物的時候輸出高電平，有障礙物的時候輸出低電平。

6 智能小車試驗仿真

為了實時地監測小車的運行狀態，或在試驗中進行仿真研究，設計了上位機的糧倉檢測監測系統。

圖8是小車模擬糧倉監測的一次仿真運動顯示，小車繞過障礙物到達指定地點。圖中綠色方塊表示障礙物，藍色點表示目的地，紅色軌跡表示小車蔽障運行路徑。

圖7 TCRT5000紅外避障電路

圖8 智能小車試驗仿真

7 結 語

研制了一種可以全天候檢測糧倉環境的智能小車，系統整體結構采用模塊化設計，具有良好的可升級性和可擴展性，采用單片機進行控制處理，具有價格便宜，編程靈活，穩定性好等特點。本文研制的智能小車，初步實現了自動避障、路徑尋優功能，智能小車上配置的濕溫傳感器能實時地檢測出糧倉的環境溫度和濕度，為糧倉管理提供了重要的信息。下一步的研究重點是逐步完善小車已有的功能并針對應用環境進一步擴展其他重要功能。

參考文獻

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