一种自动跟随工具车
技术领域
本实用新型涉及自动控制技术领域，具体涉及一种自动跟随工具车。
背景技术
在航线维修工作中，工作者需经常携带工具或航材转移工作场所，部分沉重工具是需工作者徒手搬运的，容易消耗体力、效率低下。并且在转移场所时存在遗失工具或航材风险。因此，亟需一种能够自动跟随工作者移动的工具车，解放工作者来回搬运工具或航材的精力。
目前市场上存在许多跟随工具车，一种是需要提前铺设特定的路线轨迹以实现特定路径下的跟随，一种是利用简单的传感器，在相对密闭的空间内实现自动跟随。但是，上述跟随工具车在机场以及机坪等相对复杂的空间下，存在不规律的障碍物，且靠近飞行器，现有的跟随工具车难以实现高精度的智能跟随以及对多障碍物的紧急避让。
实用新型内容
针对现有技术中的不足和缺陷，本实用新型提供了一种自动跟随工具车，以解决现有技术中跟随工具车需要提前设定路线轨迹以及难以在复杂环境下实现高精度智能跟随的问题。
本实用新型是通过以下技术方案达到上述技术目的的：
一种自动跟随工具车，其包括：车架、转向机构、驱动机构、控制系统和电源系统；所述转向机构设置在所述车架的头部下方，所述驱动机构设置在所述车架的尾部下方；所述电源系统分别与所述控制系统、转向机构和驱动机构电连接；所述控制系统包括主控芯片、蓝牙模块、电子罗盘模块、两组红外线探测模块和两个超声波探测模块；所述蓝牙模块、电子罗盘模块、红外线探测模块、超声波探测模块、转向机构和驱动机构分别与所述主控芯片电连接；所述主控芯片、蓝牙模块和电子罗盘模块设置在所述车架上；两组所述红外线探测模块分别设置在所述车架的左右两侧；每组红外线探测模块包括至少三个等间距设置的红外线传感器；两个所述超声波探测模块设置在所述车架的头部前方的中心位置。
相对于现有技术，本实用新型公开的自动跟随工具车能够在行进过程中，方向始终对准工作者，实现对工作者的自动跟随，同时根据与工作者之间距离调节行进速度，并且能够有效识别障碍物，对障碍物进行避让。该自动跟随工具车无需提前设计路线轨迹，在机场以及机坪等复杂环境下，实现高精度的智能跟随以及对多障碍物的紧急避让，减少了工作者在机坪上取用工具的消耗时间，提高了工作效率，降低工作场所变动带来的工作遗漏风险。
进一步地，所述自动跟随工具车还包括电子控制箱；所述电子控制箱设置在所述车架的头部上方；所述主控芯片、蓝牙模块、电子罗盘模块和电源系统设置在所述电子控制箱内；所述电子控制箱上设置有启动按钮，所述启动按钮与所述主控芯片电连接。通过设置电子控制箱能够保护内部模块，更好地适应机场的室外环境，防止因室外意外而造成的模块失灵。将主控芯片、蓝牙模块以及电子罗盘模块放置在电子控制箱内，也便于对控制系统的整体调试和布局。
进一步地，所述自动跟随工具车还包括工具箱，所述工具箱可拆卸地固定在所述车架的尾部上方。解决了在航线实际工作中工具或航材移动的需求，该工具箱能够防水抗风，以及避免航材及工具的丢失，同时，工具箱能够从车架拆卸，使更换工具箱后能够满足不同工具的尺寸。
进一步地，所述工具箱内卡设有横隔板，所述横隔板将所述工具箱分割为上部箱体和下部箱体，所述上部箱体的上方设置有敞口，所述下部箱体的后部设置有一平开门。通过将工具箱分割为上部箱体和下部箱体，使之适用日常通用工具和部分勤务工具的存储。上部箱体上方敞口可用于存放日常通用工具。下部箱体设有平开门，方便取用如主轮工具箱等体积较大的工具，合理地利用了工具箱的内部空间。
进一步地，所述转向机构包括舵机、转向轴和转向轮组件；所述舵机与所述主控芯片电连接；所述舵机设置于所述车架的头部下方；所述转向轴的上端连接所述舵机的输出端，所述转向轴的下端连接所述转向轮组件。通过主控芯片控制舵机，再通过舵机调整转向轮组件的方向，从而调整工具车的转向，避开障碍物以及对准目标工作者。
进一步地，所述驱动机构包括设置于所述车架的尾部下方的驱动轮、从动轮、传动轴和直流电机；所述驱动轮与所述从动轮通过所述传动轴连接，所述直流电机的输出端与所述驱动轮连接，所述直流电机与所述主控芯片电连接。通过主控芯片控制所述直流电机，调整驱动轮以及从动轮的转速，实现工具车速度的改变，同时能够实现紧急降速自动，避免意外碰撞的发生。
进一步地，所述电源系统包括电池、第一稳压滤波电路和第二稳压滤波电路；所述电池通过第一稳压滤波电路分别与所述转向机构和驱动机构电连接；所述电池通过第二稳压滤波电路与所述控制系统电连接。通过第一稳压滤波电路和第二稳压滤波电路将工具车的电源分为两组，一组为驱动机构和转向机构供电，一组为主控芯片供电。
进一步地，所述控制系统还包括遥控模块；所述遥控模块与所述主控芯片无线连接。遥控模块能够对工具车进行遥控，使工具车基于遥控指令执行动作，从而满足在自动随行工具车无法随行的条件下，对工具车的操控。
进一步地，所述控制系统还包括PID调节器；所述PID调节器的一端与所述主控芯片电连接，所述PID调节器的另一端与所述转向机构电连接。通过PID调节器连接主控芯片和转向机构，可以保持信号的稳定，减少误差情况的发生。
进一步地，所述控制系统还包括液晶显示屏；所述液晶显示屏设置在所述电子控制箱上，所述液晶显示屏与所述主控芯片电连接。所述液晶显示屏能够直观显示控制系统的参数信息，若将工具箱内工具进行位置标识，还可以准确获取工具位置，方便取用工具，同时能够有效防止工具和航材的丢失。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。
附图说明
图1是本实用新型所述自动随行工具车的结构示意图；
图2是本实用新型所述自动随行工具车的控制系统的逻辑连接图。
具体实施方式
请参照图1，图1是本实用新型所述自动随行工具车的结构示意图。在本实施例中，提供一种自动随行工具车，其包括车架1、驱动机构2、转向机构3、电子控制箱4、工具箱5、控制系统6和电源系统(图未示)。
所述车架1驱动机构2转向机构3驱动机构2包括设置于所述车架1的尾部下方的驱动轮21、从动轮22、传动轴23和直流电机(图未示)，驱动轮21与从动轮22通过传动轴23连接，直流电机的输出端与驱动轮21连接。转向机构3包括舵机(图未示)、转向轴(图未示)和转向轮组件31，所述舵机设置于所述车架1的头部下方，转向轴的上端连接舵机的输出端，转向轴的下端连接转向轮组件31。电子控制箱4设置在车架1的头部上方。工具箱5可拆卸地固定在车架1的尾部上方,工具箱5内卡设有横隔板51，横隔板51将工具箱5分割为上部箱体52和下部箱体53，上部箱体52的上方设置有敞口，下部箱体53的后部设置有一平开门54。
具体地，在本实施例中，可拆卸地固定方式包括插销固定式和滑轨固定式，插销固定式会使工具箱与车架之间的位置关系更为牢固，滑轨固定式会更方便工具箱的拆卸操作，尤其是在工具箱内承重较大的情况下。自动随行工具车的底面与地面之间的距离大于7cm，防水等级为IP65，负载100kg。舵机的工作电压为12V至24V，脉冲信号输入范围：0.5ms-2.5ms，控制精度为0.87°，最大扭矩为2648N.cm。直流电机采用无刷无齿电机，轮子8寸，额定电压24v，额定控制电压低于5v，可正反向转动。进一步保证了在对大量航材的负载，适应机场室外的工作环境，防止了机坪地面障碍物与自动随行工具车底面的碰撞。
请同时参阅图2，图2是本实用新型所述自动随行工具车的控制系统的逻辑连接图。该控制系统6包括主控芯片(图未示)、蓝牙模块(图未示)、电子罗盘模块(图未示)、两组红外线探测模块61、两个超声波探测模块62。蓝牙模块、电子罗盘模块、红外线探测模块61、超声波探测模块62、驱动机构2的直流电机和转向机构3的舵机分别与主控芯片电连接。
所述主控芯片、蓝牙模块和电子罗盘模块设置在电子控制箱4内，蓝牙模块通过与目标移动终端建立配对连接，接收目标移动终端的方位信息并发送至主控芯片；电子罗盘模块测量车架1的方位信息(即自动随行工具车的方位信息)并发送至主控芯片，主控芯片根据目标移动终端的方位信息和车架1的方位信息控制转向机构3的转向角度，使车架1的运动方向(即自动随行工具车的运动方向)始终对准目标移动终端。
所述两组红外线探测模块61分别设置在车架1的左右两侧，每组红外线探测模块61包括至少三个等间距设置的红外线传感器。两组红外线探测模块61分别探测车架1的左右两侧是否存在障碍物，若其中一组红外线探测模块61探测到车架1的一侧存在障碍物，则将该障碍物的位置信息发送至主控芯片，主控芯片根据该障碍物的位置信息计算转向机构3的转向方向和转向角度，控制转向机构3使自动随行工具车避开障碍物。若在同一时间内，两组红外线探测模块61均检测到障碍物，且主控芯片计算出的转向方向相反，则主控芯片发送双侧障碍物警告信号，控制驱动机构2紧急制动，避免碰撞事故的发生。通过在车架1的两侧设置等间距的红外线传感器，能够更好的计算出车架当前方向与障碍物之间的角度，从而更及时地进行运动方向的调整。以一侧的红外线探测模块为例，假设其包括3个等间距设置的红外线传感器，在检测到障碍物时，设置在车架头部的红外线传感器测得其与障碍物的距离为1米，车架中部和车架尾部的红外线传感器接连测得其与障碍物的距离分别为0.6米和0.4米，主控芯片由此可以得出按照当前运动方向，所述车架的尾部与障碍物易发生碰撞，进而及时调整转向机构，使车架的尾部远离障碍物，以免发生碰撞。在车架两侧等间距设置至少三个的红外线传感器的原因也是基于机坪上障碍物的不规则性，若单独设置几个红外线传感器对障碍物进行单独检测，其将仅能够单独判断当前红外线传感器的安装处的侧面是否存在障碍物，并根据当前红外线传感器的安装处与障碍物之间的距离进行整个车身的调整，在障碍物形状不规则的情况下这将极易造成碰撞事故，根本无法使车架的任何部位均实现对障碍物的避让。
所述两个超声波探测模块62分别设置在车架1的头部前方的中心位置，两个超声波探测模块62包括一个主超声波探测模块和一个辅助超声波探测模块；两个超声波探测模块62分别探测车架与目标移动终端之间的距离并发送至主控芯片，主控芯片计算距离之间的差值，并判断该差值是否小于阈值，若差值小于预设阈值，则主控芯片会根据主超声波探测模块发送的距离确定目标移动终端的位置，控制驱动机构2，调整自动随行工具车的运动速度。若差值大于预设阈值，则主控芯片会发出故障信号，控制驱动机构2紧急制动，通过设置两个超声波探测模块62不仅能够更精准的检测到目标移动终端的位置，而且能够检测超声波探测模块的故障，有效防止在超声波探测模块失灵的状态下，发生碰撞事故。此外，主控芯片还会通过获取每次所述超声波探测模块62发送超声波信号和接收超声波反馈信号的时间间隔，判断所述时间间隔是否小于预设时长，当所述时间间隔不小于预设时长时，所述主控芯片发送前侧障碍物警告信号，控制驱动机构2紧急制动。在机场机坪的室外环境下，任何飞行器或器械的碰撞都可能会造成重大的事故，因此，其对于自动跟随工具车的避障提出了更高的要求，本实施例中通过设置两个超声波探测模块62不仅还能够检测车架1与目标移动终端之间的距离，进行车速的调整，而且能够检测在自动跟随工具车的运动方向上是否存在障碍物，进行了高效的避障操作。
具体地，在本实施例中，所述主控芯片选用STM32F103以Cortex-M3为内核，最高工作主频为72MHz，内置告诉存储器，采用哈佛结构，2.0V～3.6V供电电压，具有丰富的外设，2通道12位D/A转换器，12通道DMA控制器，最多11个定时器，支持IIC、USART、SPI、CAN、USB等协议。所述蓝牙模块采用Max232作为电平转换芯片，与蓝牙串口连接，实现自动跟随工具车与目标移动终端的蓝牙通讯。所述电子罗盘模块是三轴数字罗盘HMC5883L，是一种表面贴装的高集成模块，并带有数字接口的弱磁传感器芯片。所述红外线探测模块和超声波探测模块的防水等级IP65，红外线探测模块的探测范围可根据用户需求进行设定，超声波的探测范围为300毫米-3米。
进一步地，所述控制系统还包括遥控模块(图未示)、PID调节器(图未示)、液晶显示屏63和启动按钮64；所述遥控模块的接收端和PID调节器设置在电子控制箱4内，液晶显示屏63和启动按钮64设置在电子控制箱4的上表面。遥控模块的接收端与主控芯片电连接，遥控模块的发送端在车架操控人员处，遥控模块能够对自动随行工具车进行遥控，使自动随行工具车基于遥控指令执行动作，从而满足在自动随行工具车无法随行的条件下，实现遥控操控。PID调节器的一端与所述主控芯片电连接，PID调节器的另一端与舵机电连接，通过PID调节器连接主控芯片和车架的转向机构，可以保持信号的稳定，减少误差情况的发生。液晶显示屏63与所述芯片电连接，直观显示控制系统的参数信息，若将工具箱内工具进行位置标识，还可以准确获取工具位置，方便取用工具，同时能够有效防止工具和航材的丢失。启动按钮64与主控芯片电连接，通过该启动按钮64能够一键控制控制系统的启动和停止，从而控制自动跟随工具车的启动和停止。
所述电源系统包括电池、第一稳压滤波电路和第二稳压滤波电路，所述电池通过第一稳压滤波电路分别与所述驱动机构2和转向机构3电连接；所述电池通过第二稳压滤波电路与控制系统电连接。通过第一稳压滤波电路和第二稳压滤波电路将工具车的电源分为两组，一组为车架的驱动机构和转向机构供电，一组为主控芯片供电。
具体地，在本实施例中，电源采用大功率锂电池，具有容量大、可反复多次充电等优点，其放电电流较大，能够满足驱动机构所需的电流。由于主控芯片的供电电压与驱动机构内的直流电机以及转向机构内的舵机的额定电压不一致，本实施例将电源分为两组，分别通过对应的稳压滤波电路为主控芯片和驱动机构、转向机构供电。
下面对本实施例中的自动跟随工具车的工作过程进行详细描述：
首先，工作者通过启动按钮64一键启动自动跟随工具车，主控芯片控制蓝牙模块发出蓝牙信号，工作者携带一目标移动终端，该目标移动终端接收该蓝牙信号，建立与自动跟随工具车的连接，完成配对操作。随后，目标移动终端的内置APP程序自动调取电子罗盘程序，获取目标移动终端的方位信息，并将方位信息通过蓝牙传输至蓝牙模块，蓝牙模块将接收的方位信息发送至主控芯片；电子罗盘模块获取自动随行工具车的方位信息并发送至主控芯片，主控芯片根据接收到的目标移动终端的方位信息和自动随行工具车的方位信息，计算两者之间的角度差，从而控制转向机构3的转向角度，使自动随行工具车的运动方向始终对准目标移动终端，即对准工作者，从而保证在自动随行工具车在正常行驶或转弯避障后，自动随行工具车始终保持跟随工作者运动。
再者，工作者会随身佩戴集成的超声波发射器和接收器，在自动随行工具车的运动方向对准目标移动终端的同时，设置在车架头部前方的两个超声波探测模块62能够分别探测自动随行工具车与目标移动终端之间的距离并发送至主控芯片，当自动随行工具车与目标移动终端之间的距离小于跟随距离时，主控芯片通过控制驱动机构2使自动随行工具车减速，从而保持与目标移动终端的距离。当自动随行工具车与目标移动终端之间的距离大于跟随距离时，主控芯片通过控制驱动机构2使自动随行工具车加速，从而防止目标丢失。与此同时，主控芯片会实时比较两个超声波探测模块62发送的距离值，若距离值之间的差值大于预设阈值，则表示两个超声波探测模块62中至少存在一个超声波探测模块发生失灵状况，为避免意外发生，主控芯片会发出故障信号，控制驱动机构2紧急制动，同时向目标移动终端发送故障信号，通知工作者排除故障问题。若距离值之间的差值小于预设阈值，则表示两个超声波探测模块62的测量误差在合理范围内，此时主控芯片会依据主超声波探测模块发送的距离值，调整自动随行工具车的速度。
在不考虑自动随行工具车两侧障碍物的情况，由于超声波探测模块发出的超声波信号成圆锥形，因此，若自动随行工具车的前方出现障碍，则会影响超声波信号的发射和接收，从而会拉长接收时间，因此在自动随行工具车的运动方向上存在障碍物时，主控芯片可根据每次所述超声波探测模块62发送超声波信号和接收超声波反馈信号的时间间隔，判断是否在自动随行工具车的运动方向上存在障碍物，若当所述时间间隔不小于预设时长时，主控芯片发送前侧障碍物警告信号，控制驱动机构2紧急制动，并且，主控芯片会及时发送前侧障碍物警告信号至目标移动终端，防止工作者超出自动随行工具车的可跟随范围，使目标移动终端与主控芯片断开连接。
最后，在自动随行工具车的运动过程中，机场机坪会存在许多不规则的障碍物，为保证自动随行工具车实现自动跟随，主控芯片需要能够控制对自动随行工具车两侧的障碍物进行避障。具体地，车架1左右两侧设置的红外线探测模块61会分别检测车架1的左右两侧是否存在障碍物，工作者可通过设置红外线传感器的探测范围，例如设置探测范围为1米，则在1米范围内若存在障碍物，则红外线传感器就能够探测到该障碍物，并确认其与障碍物的距离，超过1米范围的障碍物不会被探测，该探测范围可根据实际情况进行具体的设置。工作时，两侧的红外线探测模块61会同时进行障碍物探测工作，若其中一侧的红外线探测模块61中的任一红外线传感器检测到障碍物，则同一侧的红外线传感器会将其与障碍物的距离发送至主控芯片。主控芯片会根据至少3个红外线传感器与障碍物的距离信息，计算转向机构3的转向方向和转向角度，控制自动随行工具车避开障碍物。若在同一时间内，两侧的红外线探测模块61均检测到障碍物，且主控芯片计算出的转向方向相反，则主控芯片发送双侧障碍物警告信号，控制驱动机构2紧急制动，避免碰撞事故的发生。并且，主控芯片会及时发送双侧障碍物警告信号至目标移动终端通知工作者，此时自动随行工具车无法实现自动避让，需要工作者手持遥控模块的发送端，手动控制工具车的运动方向，绕过障碍物。
相对于现有技术，本实用新型公开的自动跟随工具车，通过蓝牙模块和电子罗盘模块分别获取工作者的方位信息和工具车的方位信息，保证工具车的运动方向始终对准工作者，实现对工作者的自动跟随。同时通过两个超声波检测模块实现了工具车的速度调节、前方障碍物的探测以及自身故障的检测，进一步提升了工具车的安全性，防止碰撞事故的发生。并且，通过设置两组红外线探测模块，能够有效识别双侧障碍物，准确调整转向角度，对障碍物进行避让，满足了机坪环境复杂，障碍物不规则等实际情况。通过该自动跟随工具车，能够减少了工作者在机坪上取用工具的消耗时间，答复提高了工作效率，降低工作场所变动带来的航材或工具遗漏的风险。
本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。
