(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106997204 A(43)申请公布日 2017.08.01
(21)申请号 201710262384.8(22)申请日 2017.04.20
(71)申请人 四川建筑职业技术学院
地址 618000 四川省德阳市嘉陵江西路4号(72)发明人 王旭东
(74)专利代理机构 成都君合集专利代理事务所
(普通合伙) 51228
代理人 张鸣洁(51)Int.Cl.
G05D 1/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图6页
(54)发明名称
一种基于超声波的自动跟随系统(57)摘要
本发明公开了一种基于超声波的自动跟随系统，用于根据目标装置实现对跟随装置的自动控制，包括安装在目标装置上的至少两个引导单元和安装在移动小车上跟随所述引导单元运动的跟随单元，安装在移动小车上的电机驱动下，小车跟随引导单元运动；避免了采用人工推行的繁琐和不便。同时，利用超声波进行定位跟踪引导，规避了现有的GPS在无信号或者弱信号地区无法正常使用或者定位不准的弊端。
CN 106997204 ACN 106997204 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于超声波的自动跟随系统，用于根据目标装置实现对跟随装置的自动控制，包括安装在目标装置上的至少两个引导单元(100)和安装在移动小车上跟随所述引导单元(100)运动的跟随单元(200)，所述引导单元(100)与跟随单元(200)通过超声波无线通信连接，其特征在于：
所述跟随单元(200)包括用于处理跟随单元(200)与引导单元(100)之间通信数据的第二控制器，所述第二控制器分别电性连接有显示编辑装置A、电机驱动模块、电源模块A、蓄电池、无线收发模块A和超声波发射模块A，所述蓄电池与电源模块A电性连接；
所述引导单元(100)包括用于处理引导单元(100)与跟随单元(200)自检通信数据的第一控制器，所述第一控制器分别电性连接有显示编辑装置B、电源模块B、超声波发射模块A与无线收发模块B通信连接，超声波发射模块B与无线收发模块A通信连接，所述第二控制器向电机驱动模块发送跟随驱动信号，安装在移动小车上的电机驱动下车跟随引导单元(100)运动；所述引导单元(100)和跟随单元(200)之间的预设安全距离L数据存储在所述第二控制器内并根据无线收发模块A采集的超声波反射时间数据计算获得所述两个引导单元(100)分别与所述跟随单元(200)的实际距离L1和L2，最终获得所述两个引导单元(100)连线与跟随单元(200)在同一平面内的夹角α，获取跟随单元(200)的相对位置；
所述夹角α的计算公式为
其中2M＝两个引
导单元(100)的连线距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的自动跟随系统，其特征在于，所述第一控制器和第二控制器均采用型号为STC89C52RC的单片机，所述显示编辑装置A和显示编辑装置B均采用型号为LCD1602带编辑键盘的液晶屏显。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波的自动跟随系统，其特征在于，所述第一控制器采用型号为CX20106A的红外线检测波芯片，信号接收频率为38KHz-40KHz。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波的自动跟随系统，其特征在于，所述安装跟随单元(200)的移动小车包括车体(1)，设置在车体(1)下部呈三角形布局的滚轮装置，所述滚轮装置由设置在车体(1)下部前方的驱动轮(2)和分别对称设置在车体(1)下部后方两侧的从动轮(3)组成，所述驱动轮(2)通过万向驱动轴(5)驱动，所述万向驱动轴(5)与设置在车体(1)内部的驱动机构连接，所述驱动机构包括通过第二控制器控发送方波驱动信号控制的电机，所述电机为伺服电机。
5.根据权利要求4所述的一种全自动智能跟随行李车，其特征在于，所述万向驱动轴(5)包括轴体(51)，与轴体(51)固定或者一体连接呈鼓形的转向体，所述转向体沿着轴体(51)的方向平行设置有多条转向滚槽(53)，所述每条转向滚槽(53)内均安装有转向滚珠(52)；所述驱动轮(2)包括轮胎和轮毂两部分，所述轮毂通过所述滚珠(52)嵌套卡接。
6.根据权利要求5所述的一种全自动智能跟随行李车，其特征在于，所述轮毂靠近轮胎处的两侧均设置有轮毂凹槽(22)，所述两侧轮毂凹槽(22)内均相对抵靠安装有至少两组稳定杆(8)，所述稳定杆(8)为伸缩设置且稳定杆(8)的另一端与所诉车体(1)固定连接，以及安装有一组用于实现轮毂转向的转向杆(9)，所述转向杆(9)驱动连接所述转向机构。
7.根据权利要求6所述的一种全自动智能跟随行李车，其特征在于，所述稳定杆(8)包
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权 利 要 求 书
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括伸缩杆(84)，所述伸缩杆(84)内设置有一个圆柱空腔(83)，圆柱空腔(83)内安装有处于压缩状态的弹簧(82)，所述弹簧(82)靠近伸缩杆(84)端头处安装有卡接在所述圆柱空腔(83)内的稳定滚珠(81)，所述稳定滚珠(81)与所述轮毂凹槽(22)抵靠接触。
8.根据权利要求6所述的一种全自动智能跟随行李车，其特征在于，所述转向杆(9)包括通过磁致伸缩用于驱动轮毂转向的杆体(92)，滑动卡接在所述杆体(92)端头并与所述轮毂凹槽(22)滑动抵靠的转向滚珠(91)。
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说 明 书
一种基于超声波的自动跟随系统
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技术领域
[0001]本发明涉及超声波跟随系统领域，具体的说，是一种基于超声波的自动跟随系统。背景技术
[0002]人们在外出购物或者是外出旅行时，难免会携带较多的行李，譬如，在大型商超进行购物时，为了方便选购商品，通常会拿一个手提篮子或者推一辆手推车，用于方便人们将商品或者随身携带的背包等放在其中，避免因物品的繁多而带来不便。再如，人们在高铁站或者机场的进出通道内，通常都会推行一辆手推车进行放置行李，尤其是较大的场站，从入口到不同的航站楼或者候车厅的距离较长，单人基本无法实现较多行李的一次性携带，这给单人多行李乘客带来了极大的不便。为了更进一步的方便人们在购物或者行李拿取时，解放大家的双手，进一步减轻手动推车的负担，智能化的推车或者基于物联网的手推车、行李车应运而生。
[0003]中国发明专利，申请号201110141357.8公开了一种智能手推车及其应用方法。具体公开了该手推车包括主控器、无线模块、电源、至少2个防撞传感器、电机、触摸屏、电子标签读卡器和摄像头；无线模块、电源、至少2个防撞传感器、电机、触摸屏、电子标签读卡器和摄像头都分别和主控器相连。该专利公开的技术方案主要是通过电子标签和摄像装置实现信息互通，并定位跟随，达到提高管理效率，降低人员成本，避免人工推车带来的麻烦和不便。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种基于超声波的自动跟随系统应用于手推车或者行李车上，具体用于解决背景技术中提到的，现有的手推车通常还是停留在纯手工推动的状态，人们在使用过程中存在不便的问题。本发明提供行李车能够实现全自动跟随，无需手推，自动行车和停止，只需要用户将该行李车匹配的信号发射源随身携带，并打开行李车的电源，即可实现行李车随用户的自动跟随。反之，当行李车处于断电状态时，依然具备现有手推车的一切功能，不影响正常使用。
[0005]本发明通过下述技术方案实现：
一种基于超声波的自动跟随系统，用于根据目标装置实现对跟随装置的自动控制，包括安装在目标装置上的至少两个引导单元和安装在移动小车上跟随所述引导单元运动的跟随单元，所述引导单元与跟随单元通过超声波无线通信连接，所述跟随单元包括用于处理跟随单元与引导单元之间通信数据的第二控制器，所述第二控制器分别电性连接有显示编辑装置A、电机驱动模块、电源模块A、蓄电池、无线收发模块A和超声波发射模块A，所述蓄电池与电源模块A电性连接；
所述引导单元包括用于处理引导单元与跟随单元自检通信数据的第一控制器，所述第一控制器分别电性连接有显示编辑装置B、电源模块B、超声波发射模块A与无线收发模块B通信连接，超声波发射模块B与无线收发模块A通信连接，所述第二控制器向电机驱动模块
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发送跟随驱动信号，安装在移动小车上的电机驱动下车跟随引导单元运动；所述引导单元和跟随单元之间的预设安全距离L数据存储在所述第二控制器内并根据无线收发模块A采集的超声波反射时间数据计算获得所述两个引导单元分别与所述跟随单元的实际距离L1和L2，最终获得所述两个引导单元连线与跟随单元在同一平面内的夹角α，获取跟随单元的相对位置；
所述夹角α的计算公式为
，其中2M=两个引
导单元的连线距离。[0006]优选地，所述第一控制器和第二控制器均采用型号为STC89C52RC的单片机，所述显示编辑装置A和显示编辑装置B均采用型号为LCD1602带编辑键盘的液晶屏显。[0007]进一步优选，所述第一控制器采用型号为CX20106A的红外线检测波芯片，信号接收频率为38KHz-40KHz。[0008]进一步优选，所述安装跟随单元的移动小车包括车体，设置在车体下部呈三角形布局的滚轮装置，所述滚轮装置由设置在车体下部前方的驱动轮和分别对称设置在车体下部后方两侧的从动轮组成，所述驱动轮通过万向驱动轴驱动，所述万向驱动轴与设置在车体内部的驱动机构连接，所述驱动机构包括通过第二控制器控发送方波驱动信号控制的电机，所述电机为伺服电机。[0009]进一步优选，所述万向驱动轴包括轴体，与轴体固定或者一体连接呈鼓形的转向体，所述转向体沿着轴体的方向平行设置有多条转向滚槽，所述每条转向滚槽内均安装有转向滚珠；所述驱动轮包括轮胎和轮毂两部分，所述轮毂通过所述滚珠嵌套卡接。将万向驱动轴设置呈鼓形且利用安装在转向滚槽内的转向滚珠与轮毂配合，既实现了万向驱动轴与轮毂的万向转动，同时也实现了万象驱动轴在旋转方向的扭力刚性传递。[0010]进一步优选，所述轮毂靠近轮胎处的两侧均设置有轮毂凹槽，所述两侧轮毂凹槽内均相对抵靠安装有至少两组稳定杆，所述稳定杆为伸缩设置且稳定杆的另一端与所诉车体固定连接，以及安装有一组用于实现轮毂转向的转向杆，所述转向杆驱动连接所述转向机构。由于在轮毂两侧设置有轮毂凹槽且两侧的轮毂凹槽均设置有防止轮毂歪斜的稳定杆保证轮毂在竖直方向上的稳定性。[0011]进一步优选，所述稳定杆包括伸缩杆，所述伸缩杆内设置有一个圆柱空腔，圆柱空腔内安装有处于压缩状态的弹簧，所述弹簧靠近伸缩杆端头处安装有卡接在所述圆柱空腔内的稳定滚珠，所述稳定滚珠与所述轮毂凹槽抵靠接触。采用稳定滚珠与轮毂凹槽配合的目的在于，在不影响接触抵靠产生的稳定应力的情况下，最大程度的降低构件之间由于摩擦带来的不必要损耗和产生的阻力，将滑动改为滚动可以大大提高车体在前行过程中的阻力。进一步地，可以在轮毂凹槽内敷设固定润滑油，增大顺畅性。[0012]进一步优选，所述转向杆包括通过磁致伸缩用于驱动轮毂转向的杆体，滑动卡接在所述杆体端头并与所述轮毂凹槽滑动抵靠的转向滚珠。[0013]进一步优选，所述信号发射装置由红外发射源和超声发射源构成，所述信号接收装置由与红外发射源进行数据通信的红外接收器和与所述超声发射源进行数据通信的超声接收器组成，所述中央处理器包括用于处理所述红外接收器传送的数据的第一处理器和
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用于处理所述超声接收器发送的数据的第二处理器，所述第一处理器与第二处理器以并联的方式连接逻辑运算器。[0014]进一步优选，所述车体在长度方向靠近从动轮的一侧顶部设置有用于方便推行的扶手，所述扶手外部套设有一层防滑泡沫。[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明通过超声波近距离测距定位，通过单片机只能计算实际间隔距离，实现实时控制跟随，避免了现有的导航跟随系统需要依赖于GPS的信号强弱进行工作，无法在弱信号，无信号区域作业的问题。
附图说明
[0016]图1为本发明的系统结构框图
图2为小车的主视图；图3为图1的俯视图；
图4为图3中沿剖切标记A-A的剖视结构图；图5为图1的仰视图；
图6为万向驱动轴结构图；
图7为驱动轮与转向机构安装结构示意图；图8为稳定杆剖视结构图；图9为转向杆局部剖视图；其中1-车体；2-驱动轮；21-前轮腔；22-轮毂凹槽；3-从动轮；31-后轮腔；4-扶手；5-万向驱动轴；51-轴体；52-转向滚珠；53-转向滚槽；6-控制盒；7-蓄电池；8-稳定杆；81-稳定滚珠；82-弹簧；83-圆柱空腔；84-伸缩杆；9-转向杆；91-转向滚珠；92-杆体；100-引导单元；200-跟随单元。
具体实施方式
[0017]下面结合本发明的优选实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0018]实施例1：
结合附图1所示，一种基于超声波的自动跟随系统，用于根据目标装置实现对跟随装置的自动控制，包括安装在目标装置上的至少两个引导单元100和安装在移动小车上跟随所述引导单元100运动的跟随单元200，所述引导单元100与跟随单元200通过超声波无线通信连接，其特征在于：
所述跟随单元200包括用于处理跟随单元200与引导单元100之间通信数据的第二控制器，所述第二控制器分别电性连接有显示编辑装置A、电机驱动模块、电源模块A、蓄电池、无线收发模块A和超声波发射模块A，所述蓄电池与电源模块A电性连接；
所述引导单元100包括用于处理引导单元100与跟随单元200自检通信数据的第一控制器，所述第一控制器分别电性连接有显示编辑装置B、电源模块B、超声波发射模块A与无线收发模块B通信连接，超声波发射模块B与无线收发模块A通信连接，所述第二控制器向电机驱动模块发送跟随驱动信号，安装在移动小车上的电机驱动下车跟随引导单元100运动；所
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述引导单元100和跟随单元200之间的预设安全距离L数据存储在所述第二控制器内并根据无线收发模块A采集的超声波反射时间数据计算获得所述两个引导单元100分别与所述跟随单元200的实际距离L1和L2，最终获得所述两个引导单元100连线与跟随单元200在同一平面内的夹角α，获取跟随单元200的相对位置；
所述夹角α的计算公式为
，其中2M=两个引
导单元100的连线距离。所述第二控制器采用型号为STC89C52RC的单片机，所述显示编辑装置A和显示编辑装置B均采用型号为LCD1602带编辑键盘的液晶屏显。所述第一控制器采用型号为CX20106A的红外线检测波芯片，信号接收频率为38KHz-40KHz。值得说明的是：CX20106A是一款红外线检测波接收的专用芯片，常用语电视机红外遥控接收器。由于红外遥控常用的载波频率为38KHz与测距的超声波相近，可以利用它制作超声波检测接收电路，经试验证明采用CX20106A接收超声波，当接收到回波信号时，芯片第七引脚发出一个低电平出发单片机中断，单片机技术停止。可以实现超声波通过时间计算距离的功能，CX20106A具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力，能够在复杂环境下不受影响，工作状况稳定。[0019]工作原理：引导单元100通过无线收发模块A和无线收发模块B发送的超声波并通过无线收发模块A和无线收发模块B内的定时器计时，获得超声波信号由引导单元100到跟随单元200之间的传输时间，从而推算出引导单元100与跟随单元200之间的距离。值得说明的是无线信号在空气中的传播速度约为3*108米/秒，超声波信号在常温下传播速度为344米/秒，二者相差6个数量级，因此，在短距离环境下，无线信号的传输时间几乎为零，在与超声波信号的传输时间相比时，可以被忽略不急，因此，在此可以忽略系统在定时器启动和计算与超声波发射之间的时间误差为零，即认为是同步的。由此建立数学平面模型，将两个固定的引导单元100与跟随单元200连成一个三角形，其中三角形的三边分别为L1、L2和2M，根据公式
即可计算获得L1或者L2与线段2M之间的
夹角，从而确定跟随单元200的实际方位。当第二控制器对比实际跟随单元200与预设目标的距离大于注入在第二控制器内的安全距离L时，则第二控制器发出一个驱动方波，向小车的电机驱动模块发送驱动信号，实现小车的跟随运动；反之，同理可得，当第二控制器对比实际跟随单元200与预设目标的距离小于或者等于注入在第二控制器内的安全距离L时，则第二控制器发出信号处于低电平状态，小车的电机驱动模块无驱动信号，实现小车与目标之间的相对静止。[0020]实施例2：
结合附图1-4所示，一种全自动智能跟随行李车，用于实现行李车按照既定轨迹的跟随运行，包括行李车本体和跟随系统，所述行李车本体包括车体1，设置在车体1下部呈三角形布局的滚轮装置，所述滚轮装置由设置在车体1下部前方的驱动轮2和分别对称设置在车体1下部后方两侧的从动轮3组成，所述驱动轮2通过万向驱动轴5驱动，所述车体1下部还分别设置有用于容纳驱动轮2的前轮腔21，以及容纳从动轮3的后轮腔31，所述万向驱动轴5与设置在车体1内部的驱动机构连接。
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工作原理：行李车的支撑是由设置在车体1底部的呈三角形布局的一个驱动轮2和
两个从动轮3实现对车体1的稳定支撑作用，其支撑的原理如同现有的三轮车，其中位于前方的驱动轮2的驱动力为行李车前进或者后退的动力。所述车体1的底部设置有安放驱动机构和转向机构的隔层，靠近从动轮3的一侧安放用于给所述驱动机构和转向机构供电的蓄电池7，所述蓄电池7还连接有设置在车体1外壁上的充电插口，用于在非使用状态下为蓄电池7进行充电。在使用行李车时，首先将置于车体1内的信号发射装置随身携带，开启设置在车体1外壳体上的电源开关，驱动机构、转向机构和跟随系统通电工作，所述跟随系统的控制原理同实施例1中相同。[0022]实施例3：
为了更进一步的优化和说明本发明，在实施例1的基础上，结合附图1-9所示，所述万向驱动轴5包括轴体51，与轴体51固定或者一体连接呈鼓形的转向体，所述转向体沿着轴体51的方向平行设置有多条转向滚槽53，所述每条转向滚槽53内均安装有转向滚珠52；所述驱动轮2包括轮胎和轮毂两部分，所述轮毂通过所述滚珠52嵌套卡接。将万向驱动轴5设置呈鼓形且利用安装在转向滚槽53内的转向滚珠52与轮毂配合，既实现了万向驱动轴5与轮毂的万向转动，同时也实现了万象驱动轴5在旋转方向的扭力刚性传递。[0023]本实施例中，所述轮毂靠近轮胎处的两侧均设置有轮毂凹槽22，所述两侧轮毂凹槽22内均相对抵靠安装有至少两组稳定杆8，所述稳定杆8为伸缩设置且稳定杆8的另一端与所诉车体1固定连接，以及安装有一组用于实现轮毂转向的转向杆9，所述转向杆9驱动连接所述转向机构。由于在轮毂两侧设置有轮毂凹槽22且两侧的轮毂凹槽22均设置有防止轮毂歪斜的稳定杆8保证轮毂在竖直方向上的稳定性。[0024]本实施例中，所述稳定杆8包括伸缩杆84，所述伸缩杆84内设置有一个圆柱空腔83，圆柱空腔83内安装有处于压缩状态的弹簧82，所述弹簧82靠近伸缩杆84端头处安装有卡接在所述圆柱空腔83内的稳定滚珠81，所述稳定滚珠81与所述轮毂凹槽22抵靠接触。采用稳定滚珠81与轮毂凹槽22配合的目的在于，在不影响接触抵靠产生的稳定应力的情况下，最大程度的降低构件之间由于摩擦带来的不必要损耗和产生的阻力，将滑动改为滚动可以大大提高车体1在前行过程中的阻力。进一步地，可以在轮毂凹槽22内敷设固定润滑油，增大顺畅性。
[0025]本实施例中，所述转向杆9包括通过磁致伸缩用于驱动轮毂转向的杆体92，滑动卡接在所述杆体92端头并与所述轮毂凹槽22滑动抵靠的转向滚珠91。[0026]本实施例中，所述信号发射装置由红外发射源100和超声发射源700构成，所述信号接收装置由与红外发射源100进行数据通信的红外接收器200和与所述超声发射源700进行数据通信的超声接收器800组成，所述中央处理器300包括用于处理所述红外接收器200传送的数据的第一处理器301和用于处理所述超声接收器800发送的数据的第二处理器302，所述第一处理器301与第二处理器302以并联的方式连接逻辑运算器400。[0027]本实施例中，所述车体1在长度方向靠近从动轮3的一侧顶部设置有用于方便推行的扶手4，所述扶手4外部套设有一层防滑泡沫。[0028]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
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