一种智能控制设备及智能控制方法

1.本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种智能控制设备及智能控制方法。


背景技术：

2.随着科技的高速发展，科技创新作为生产的第一大动力，而中国是全球最大、增长最快的工业机器人市场。其中，智能机器人是各种机器人中未来发展的趋势, 智能机器人可以是智能小车，可以利用该智能小车应用到各个领域中为人们服务，比如该智能小车可以代替人，在复杂危险的环境下去处理各种各样的危险性工作。在疫情严重的区域，可通过远程控制该智能小车为各个封闭的生活小区或者医院运送各种防御物资、生活用品等物品，避免人们之间的直接接触，减少了病毒的传播，为疫情防控助力。
3.工作人员利用手机或者电脑远程操控智能小车在高压设备中巡逻检查，可以实时传送高压设备运行过程，监视高压电线运行的情况，不需要工作人员到高压区域进行直接检测，减少工作人员在危险性极高的环境下工作，保障人们生命安全；但是，目前的智能小车只能在一些特定的场合下进行运动，例如，可以在狭小的洞穴中直线运动，但是如果遇上障碍物，则无法再进行运动，需要人工干预，这样，不仅需要消耗大量的人力，而且需要消耗较多的时间进行后期维修。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种智能控制设备及智能控制方法。
5.本发明实施例第一方面提供一种智能控制设备，所述智能控制设备至少包括：主板模块、超声波避障模块和红外循迹模块，所述主板模块分别与所述超声波避障模块和所述红外循迹模块相连，其中：
6.所述红外循迹模块用于向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取所述反射信号，并将所述反射信号发送至所述主板模块；
7.所述超声波避障模块用于发射端发出检测信号，根据所述检测信号的传播速度、发出所述检测信号与接收到所述检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据所述距离，确定前方是否出现障碍物，并将所述接收到的检测信号发送至所述主板模块；
8.所述主板模块用于对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制所述智能控制设备的运动状态；和/或
9.在检测到前方出现障碍物的情况下，根据所述接收到的检测信号对所述智能控制设备的左轮或右轮进行控制。
10.可选地，所述超声波避障模块还用于将计算得到的所述距离与预设安全距离进行比较，若所述距离小于所述预设安全距离，则显示感应信号。
11.可选地，所述主控模块，用于在检测到左侧有障碍物的情况下，控制所述智能控制设备的右轮停止运动，并将所述右轮作为支点，驱动左轮继续转动，调整运动方向，直到左侧故障信号消失；在检测到所述智能控制设备已经调整到合适位置，避开障碍物的情况下，
控制所述智能控制设备的重新转动；
12.在检测到右侧有障碍物的情况下，将所述智能控制设备的左轮作为支点，继续驱动右轮，调整好方向，避开障碍物后继续运动；
13.在检测到左侧和右侧都存在障碍物的情况下，控制所述智能控制设备中的驱动电机反转，以使小所述智能控制设备向后运动，直到没有检测到障碍物时，所述智能控制设备继续前进。
14.可选地，所述红外循迹模块为红外传感器，所述红外传感器安装于所述智能控制设备前端的底盘的左侧、前面、右侧三个方向。
15.可选地，所述智能控制设备还包括采集模块，所述采集模块与所述主板模块相连，所述采集用于采用高清摄像头实时获取所述智能控制设备运行过程中的视频图像数据，并将所述视频图像数据发送至移动控制终端。
16.可选地，所述智能控制设备还包括通信模块，所述通信模块至少包括蓝牙模块和wifi模块，所述蓝牙模块和所述wifi模块分别与所述主板模块相连，所述通信模块用于所述智能控制设备和所述移动控制终端进行数据通信。
17.可选地，所述智能控制设备还包括电源模块，所述电源模块用于为其他的各个模块进行供电。
18.可选地，所述智能控制设备还包括电机驱动模块和机械爪模块，所述主板模块通过所述电机驱动模块与所述机械爪模块相连，所述主板模块用于通过所述电机驱动模块控制所述机械爪模块进行物品抓取。
19.可选地，所述电机驱动模块为八个双轴直流减速电机。
20.本发明实施例第二方面提供一种智能控制方法，应用于第一方面所述的智能控制设备，所述方法包括:
21.向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取所述反射信号；
22.通过发射端发出检测信号，根据所述检测信号的传播速度、发出所述检测信号与接收到所述检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据所述距离，确定前方是否出现障碍物；
23.对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制所述智能控制设备的运动状态；和/或
24.在检测到前方出现障碍物的情况下，根据所述接收到的检测信号对所述智能控制设备的左轮或右轮进行控制。
25.本发明实施例提供的技术方案中，智能控制设备至少包括：主板模块、超声波避障模块和红外循迹模块，主板模块分别与超声波避障模块和红外循迹模块相连，其中：红外循迹模块用于向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取反射信号，并将反射信号发送至主板模块；超声波避障模块用于发射端发出检测信号，根据检测信号的传播速度、发出检测信号与接收到检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据距离，确定前方是否出现障碍物，并将接收到的检测信号发送至主板模块；主板模块用于对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制智能控制设备的运动状态；和/或在检测到前方出现障碍物的情况下，根据接收到的检测信号对智能控制设备的左
轮或右轮进行控制，利用红外线循迹模块和超声波避障模块来实现循迹和避障功能。
附图说明
26.图1为本发明实施例中提供的智能控制设备的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中提供的又一种智能控制设备的结构示意图；
28.图3为本发明实施例中提供的红外传感器原理图；
29.图4为本发明实施例中提供的红外线传感器循迹模块逻辑图；
30.图5为本发明实施例中提供的超声波传感器避障模块逻辑图；
31.图6为本发明实施例中提供的循迹及避障功能逻辑图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.请参阅图1，为本发明实施例中提供的智能控制设备的结构示意图，智能控制设备至少包括：主板模块101、超声波避障模块102和红外循迹模块103，主板模块101分别与超声波避障模块102和红外循迹模块103相连，其中：
34.红外循迹模块103用于向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取反射信号，并将反射信号发送至主板模块；
35.具体地，红外循迹模块包括红外传感器。由红外传感器的发射管向地面发射一定波长的红外线信号，当红外线信号遇到黑色物体(预设物体，可以是障碍物)，产生的反射信号由红外线的接收管接收到，将接受的红外线信号传送至树莓派主板中进行处理，其控制系统会对接收的反射信号进行判断是否有效，从而使智能控制设备做出相应的前进或者停止动作。
36.超声波避障模块102用于发射端发出检测信号，根据检测信号的传播速度、发出检测信号与接收到检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据距离，确定前方是否出现障碍物，并将接收到的检测信号发送至主板模块；
37.超声波避障模块包括超声波传感器。超声波传感器通过检测到障碍物，发射端发出反射信号(检测信号)，根据该信号的传播速度和发射端发出的信号与接收端接收到该反射信号的时间差，经过计算得出智能控制设备和障碍物之间的距离，为智能控制设备提前做出避障反应。
38.主板模块101用于对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制智能控制设备的运动状态；和/或
39.在检测到前方出现障碍物的情况下，根据接收到的检测信号对智能控制设备的左轮或右轮进行控制。
40.其中，智能控制设备可以是智能小车。
41.可选地，主控模块用于在检测到左侧有障碍物的情况下，控制智能控制设备的右轮停止运动，并将右轮作为支点，驱动左轮继续转动，调整运动方向，直到左侧故障信号消
失；在检测到智能控制设备已经调整到合适位置，避开障碍物的情况下，控制智能控制设备的重新转动；
42.在检测到右侧有障碍物的情况下，将智能控制设备的左轮作为支点，继续驱动右轮，调整好方向，避开障碍物后继续运动；
43.在检测到左侧和右侧都存在障碍物的情况下，控制智能控制设备中的驱动电机反转，以使小智能控制设备向后运动，直到没有检测到障碍物时，智能控制设备继续前进。
44.可选地，超声波避障模块还用于将计算得到的距离与预设安全距离进行比较，若距离小于预设安全距离，则显示感应信号。
45.具体地，该超声波传感器可设定预设安全距离，使智能小车在到达障碍物预设安全距离时，提前发出感应信号，使小车提前做出相应的动作，从而规划出较好的运行路线。
46.本发明实施例提供的智能控制设备，包括硬件部分和软件部分，硬件部分如图2所示，硬件部分包括：两个黑色四驱底盘，四个65m橡胶轮子、720p 摄像头、超声波传感器、红外线传感器、树莓派板控制板raspberry pi3、树莓派io口拓展板、t型拓展板、蓝牙模块、八个双轴直流减速电机、7.4v大功率锂电池组、以及连接各个部分的杜邦线。
47.在智能小车前端的底盘安装左、前、右三个方向的红外线传感器，作用是感应智能小车运动轨迹，通过红外线传感器反馈回来的信号来进行自动循迹。驱动小车前进、后退、拐弯的双轴直流减速电机则安装在智能小车底盘。前端舵机云台上还安装了超声波传感器，用于遇到障碍物进行避障。超声波传感器通过控制双轴直流减速电机的转动，使得超声波测量仪可以检测来自各个方向障碍物的距离，可以显示各个方向具体障碍物的距离，智能小车避障后可返回原来循迹轨道上继续完成循迹任务。
48.可选地，红外循迹模块为红外传感器，红外传感器安装于智能控制设备前端的底盘的左侧、前面、右侧三个方向。
49.本发明实施例研究考虑到不同传感器的优缺点，通过对红外线传感器和超声波传感器的测试，两款传感器有着各自的优缺点。红外传感器的优点在于器件功耗很小，价格低廉，红外感应距离容易调整，安装在智能小车上不会过多影响到小车的续航能力，但红外线传感器的缺点是容易受到外来各种热源、光源的干扰，使得安装红外线传感器的智能小车不能在温度过高或光照强烈的地方进行工作，否则小车的灵敏度下降，严重还会造成短时失灵，经过对比分析，红外线传感器应用在本发明实施例中的智能小车循迹功能是可行的，具体的传感器的连接示意图如图3所示。
50.在对超声波传感器的测试中，超声波传感器不仅抗干扰性强，而且在室内、室外、复杂环境等各种光照条件下均可使用。经过对收集到数据进行对比和传感器自身的优缺点进行深入分析，红外线传感器与超声波之间的优缺点可以进行互补。超声波传感器在复杂的光照能正常使用的优点弥补了红外线传感器在光照影响下的缺点，因此，本发明实施例采用超声波传感器识别障碍物，实现智能小车的避障功能。
51.可选地，智能控制设备还包括采集模块，采集模块与主板模块相连，采集用于采用高清摄像头实时获取智能控制设备运行过程中的视频图像数据，并将视频图像数据发送至移动控制终端。
52.在智能小车的舵机云台上安装高清摄像头，使智能小车可以旋转180度来获取周围环境的图像，并将图像通过树莓派控制主板实时传输到手机，实时监测到各种各样的环
境。红外传感器的工作原理是发射端按照一定角度发送光束，遇到物体，光束会发射回来被接收管接收，通过处理，智能小车就会主动避开障碍物。常见的红外线传感器有效识别距离为2～30cm，该距离小于超声波传感器，缺点是对于识别透明或近似黑色的物体，红外线传感器的测量距离性能较差，其工作电压为3.3v～5v，红外传感器原理图如图3所示。
53.可选地，智能控制设备还包括通信模块，通信模块至少包括蓝牙模块和 wifi模块，蓝牙模块和wifi模块分别与主板模块相连，通信模块用于智能控制设备和移动控制终端进行数据通信。
54.可选地，智能控制设备还包括电源模块，电源模块用于为其他的各个模块进行供电。
55.可选地，智能控制设备还包括电机驱动模块和机械爪模块，主板模块通过电机驱动模块与机械爪模块相连，主板模块用于通过电机驱动模块控制机械爪模块进行物品抓取。
56.可选地，电机驱动模块为八个双轴直流减速电机。
57.机械爪模块由四个双轴直流减速电机及其相关元件组成，该模块通过控制双轴直流减速电机的运动来完成各种物体的抓取。
58.其次是智能控制设备的软件部分，通过使用python软件进行编程，完成智能小车循迹功能、避障功能和机械爪抓取功能等程序的编写。
59.具体地，主板模块可用于对智能控制设备进行循迹操作，具体的循迹步骤如图4所示，智能控制设备(智能小车)的循迹功能是通过安装在智能小车底盘中间前端的三个红外线反射式光电传感器进行感应，其中，红外线感应器由管芯中央凹陷，类似聚光罩的发射管和管芯中央平台有红外感光电极接收管等组成，其具体工作过程是由红外线的发射管向地面发射一定波长的红外线信号，当红外线信号遇到黑色物体，产生的反射信号由红外线的接收管接收到，将接受的红外线信号传送至树莓派主板中进行处理，其控制系统会对接收的反射信号进行判断是否有效，从而使智能小车做出相应的前进或者停止动作。
60.主板模块还可用于智能控制设备的避障，具体的避障步骤如图5所示，智能控制设备的超声波避障模块采用超声波传感器进行检测，由于超声波传感器成本低，测量精度高，运行稳定，技术趋向成熟，而且具有对雨雪的穿透力强等优点，因此，超声波传感器可在各种复杂的环境下工作。
61.超声波传感器利用超声波特性研制，超声波探头主要由超声波压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
62.超声波传感器通过检测到障碍物，发射端发出反射信号，根据该信号的传播速度和发射端发出的信号与接收端接收到该反射信号的时间差，经过计算得出智能小车和障碍物之间的距离，为智能小车提前做出避障反应。
63.当超声波传感器检测到前方出现障碍物的信号时，该传感器转换成电信号传送到主控模块进行处理。例如，超声波传感器检测到左侧有障碍物的情况下，主控模块发出控制信号，控制智能小车的右轮暂时停止运动并作为支点，驱动左轮继续转动，调整运动方向，直到左侧信号消失，该智能小车已经调整到合适位置，避开障碍物后，右轮重新转动。同理，若智能小车的右侧遇到障碍物，将左轮作为支点，继续驱动右轮，调整好方向，避开障碍物后继续运动。当智能小车的左、右侧同时检测到障碍物时，主控模块发出信号驱动车轮的电
机进行反转，使小车后退运动，直到没有检测到障碍物，该小车继续前进。
64.本发明实施例中的智能控制设备还可以同时实现循迹和避障功能，具体的实现步骤如图6所示，利用循迹模块和避障模块，将该小车的循迹及避障功能进行结合，通过对智能小车程序进行编写，从而实现小车的循迹的同时也可以避障功能，即该小车在循迹过程遇到障碍物，则优先避开障碍物，再重新规划行驶线路，使得小车回到已规划的路线进行循迹，完成自动循迹任务。
65.智能小车拓展的机械爪模块的完成物体抓取得以实现是完成相关程序编写，以树莓派作为主控板，搭载蓝牙模块或wifi模块与手机或电脑进行远程无线通讯，实现远程控制机械爪，同时通过机械爪右侧的高清摄像头来实时获取智能小车运行过程中的视频及图像数据，然后采用无线传输将视频图像数据传送到手机端或电脑端，根据获取的数据发送相关指令来完成机械爪的抓取任务，实验证明，该智能小车具备良好的搬运功能，同时实现实时视频图像数据的稳定传输，在搬运快递、窄小通道运输等领域有广泛的应用基础。
66.本发明实施例提供的智能控制设备可根据人们的实际需求，通过编写程序，使得智能小车完各种实用的功能。比如，可利用该智能小车在危险区域进行拍照及录像、收集相关数据，无需人为操作，自主完成任务，保障人们的生命及财产安全，除此之外，人们也可以根据自己需求，使智能小车预定的任务。因此，该作品具有科学性，而且该智能小车可不断得开发出更多功能，能更好为人们服务。
67.本发明实施例第二方面提供一种智能控制方法，应用于上述的智能控制设备，该方法包括:
68.向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取反射信号；
69.通过发射端发出检测信号，根据检测信号的传播速度、发出检测信号与接收到检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据距离，确定前方是否出现障碍物；
70.对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制智能控制设备的运动状态；和/或
71.在检测到前方出现障碍物的情况下，根据接收到的检测信号对智能控制设备的左轮或右轮进行控制。
72.本发明实施例提供的技术方案中，智能控制设备至少包括：主板模块、超声波避障模块和红外循迹模块，主板模块分别与超声波避障模块和红外循迹模块相连，其中：红外循迹模块用于向地面发射预设波长的红外线信号，当红外线信号遇到预设物体，并产生的反射信号，获取反射信号，并将反射信号发送至主板模块；超声波避障模块用于发射端发出检测信号，根据检测信号的传播速度、发出检测信号与接收到检测信号的时间差，确定与障碍物之间的距离，根据距离，确定前方是否出现障碍物，并将接收到的检测信号发送至主板模块；主板模块用于对接收的反射信号进行判断，根据判断结果控制智能控制设备的运动状态；和/或在检测到前方出现障碍物的情况下，根据接收到的检测信号对智能控制设备的左轮或右轮进行控制，利用红外线循迹模块和超声波避障模块来实现循迹和避障功能。
73.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。