专利名称：一种材料铺设轨迹跟踪器的制作方法
技术领域：
一种材料铺设轨迹跟踪器是根据光学原理，采集铺设材料迹线的光学特征信息， 传递信号至CPU，输出改变三相电机的转向来自动调整转向系统，使铺设设备自动沿迹线运 动。此系统可以安装在低速行驶(行驶速度为3 5m/min)的工程机械上实现对铺设材料 的铺设轨迹的自动跟踪。此系统适用于两种情况的材料铺设轨迹跟踪1、具有连续或断续人 工标识的材料2、材料和铺设环境颜色深浅具有很大反差的情况。
背景技术：
轨迹追踪器在国内材料铺设中的应用很少，尤其是在我国的道桥防水材料铺设中 的应用，其特性是可以根据材料铺设施工车的施工路线是否符合要求自动的进行行走路线 的调整。就道桥防水材料的铺设来看，目前国内现在的道桥防水材料还是以人工铺设为 主，虽然也有一部分我国自主研发出来的道桥防水材料热熔施工车，但都不是很尽如人意， 存在以下缺点1、铺设速度慢，工作效率低，铺设效果一般，能耗比较高。2、自动化程度较 低。尤其是在铺设轨迹的自动跟踪方面能力较差。需要人和机器协作完成防水材料的铺设， 当防水材料铺设出现偏移的时候，人为纠正铺设路线。施工过程中不仅浪费了人力，而且也 给施工作业增加了许多不安全的因素。由于我国对道桥防水材料的生产没有一个统一的标准，因此国产材料上的是否具 有人工标识并不统一，即使具有人工标识，不同公司的产品上面的人工标识也各异。但是国 外生产的防水材料和我国自己生产的防水材料在结构外观上有所不同，国产的道桥防水材 料表面为黑色，有的防水材料上具有白色的人工标识。不同的防水材料就会有不同的铺设 轨迹。
实用新型内容本实用新型的目的是1、改变当前道桥防水材料施工车需要操作人员的大量干预 才能满足施工路线要求的现状；2、针对我国国产防水材料的外观特点，设计一种针对于国 产防水材料施工的跟踪系统。本发明的技术方案主要包括两方面的内容第一是车辆位置 跟踪机构的原理，第二是控制电路。本实用新型的技术方案如图1 2所示。本实用新型包括传感器部分和控制器部 分，参见图1所示。一种材料铺设轨迹跟踪器，包括CPU、传感器输入电路、电源转换电路、光 耦隔离电路、滤波电路、继电器驱动电路、继电器输出电路和变频器；传感器输入电路由端 子和激光传感器组成；其中，光耦隔离电路的一端与传感器输入电路相连，另一端通过滤波电路与CPU 相连，CPU通过光耦隔离电路和滤波电路采集传感器输出的高电平或低电平的状态；继电器驱动电路一端与CPU相连，另一端与继电器输出电路相连，控制继电器的 工作状态；[0009]继电器输出电路与变频器相连，控制变频器的工作状态；电源转换电路把外界供给的24V电转换为5V电给控制电路中的各个器件供电。其中传感器部分为整个电路的采集信号。控制器部分包括CPU、电源转换电路、光 耦隔离电路、滤波电路、继电器驱动电路、继电器输出电路和变频器。其中，光耦隔离电路的一端与传感器输入电路相连，另一端通过滤波电路与CPU 相连，传感器输入电路采集到的信号通过光耦隔离电路取反，CPU通过光耦隔离电路和滤波 电路采集传感器输出的高电平或低电平的状态。继电器驱动电路一端与CPU相连，另一端与继电器驱动电路相连，控制继电器的 工作状态。继电器输出电路与变频器相连，控制变频器的工作状态。电源转换电路把外界供给的24V电转换为5V电给控制电路中的各个器件供电。本实用新型中控制器的CPU选择了宏晶科技生产的比较常用的STC的51系列，此 款CPU芯片抗干扰和抗静电能力很强，功耗低，可以加外部中断唤醒。此控制器的元器件所需电压都为5V，实验中提供的电源为24V，7815和7812两个 芯片组成了一个电压变换电路，把输入的24V电压变为5V输出电压。所述的传感器输入电路包括激光传感器和端子，各器件的连接为传感器一共引 出三路导线，一路通过端子接5V电源给传感器供电，一路为传感器的输出通过端子与光耦 隔离电路相连，一路通过端子接地。所述的光耦隔离电路包括限流电阻和光耦元件。光耦一端通过限流电阻与传感器 的输入相连，另一端与滤波电路相连。所述的滤波电路选用了 RC滤波电路，包括滤波电容、滤波电阻和电位器，光耦隔 离电路输出信号通过滤波电路进入CPU，滤波电路的另一端接地。滤波电路中的电容充放电 时间在不同的工作环境下可以同过调节电位器改变。所述的继电器驱动电路采用了一个常用的继电器驱动芯片，此芯片电路简单，容 易控制，但驱动能力比较大，可以很好的驱动继电器。所述的继电器输出电路包括继电器和续流二极管。各器件的连接是继电器线圈与 续流二极管并联，一端接继电器驱动电路的输出，一端接地。继电器中的开关的两端一端接 变频器的相序控制端，一端接变频器的公共端。本实用新型，可以根据铺设材料的轨迹进行自动跟踪，对铺设产生的偏转可以进 行自动调整，并且光耦隔离电路和滤波电路还有效的减少施工车在铺设防水材料时车辆的 抖动，施工车的转向系统的调整速度可以通过变频器进行调整。
图1为本实用新型的示意框图；图2中虚线框内部分是本实用新型的控制器的示意框图；图3至图9是本实用新型控制器的不同部分，其中相同的网络标号表示在物理上 连通的点；图3是本实用新型控制器的CPU和CPU外围电路部分的电路图；图3-1是本实用新型控制器CPU的外接复位电路[0029]图3-2是本实用新型控制器CPU的外接晶振电路图3-3是本实用新型控制器CPU输出端的上拉电阻图4是本实用新型的控制器的电源部分的电路图；图4-1是本实用新型的控制器电源部分的电压转换图；图4-2是本实用新型的控制器电源部分Vcc与Vcc5V的连接图；图5是本实用新型的控制器的光耦隔离电路部分的电路图；图6是本实用新型的控制器的滤波电路部分的电路图；图7是本实用新型的控制器的传感器输入电路与隔离、滤波电路部分连接的电路 图；图8是本实用新型的控制器的继电器驱动部分的电路图；图9是本实用新型的控制器的继电器输出部分的电路图；图10是铺设材料上具有人工标识且人工标识为虚线时人工标识的示意图图11至图19是本实用新型在施工车行驶过程中传感器位置的示意图；图11是施工车在行驶过程中无偏转时只有第二组传感器能采集到人工标识信号 的示意图；图12是施工车在行驶过程中无偏转时只有第一组传感器能采集到人工标识信号 的示意图；图13是施工车在行驶过程中无偏转时两组传感器均能采集到人工标识信号的示 意图图14是施工车在行驶过程中发生左偏时只有第二组传感器能采集到人工标识信 号的示意图；图15是施工车在行驶过程中发生左偏时只有第一组传感器能采集到人工标识信 号的示意图；图16是施工车在行驶过程中发生左偏时两组传感器均能采集到人工标识信号的 示意图；图17是施工车在行驶过程中发生右偏时只有第二组传感器能采集到人工标识信 号的示意图；图18是施工车在行驶过程中发生右偏时只有第一组传感器能采集到人工标识信 号的示意图；图19是施工车在行驶过程中发生右偏时两组传感器均能采集到人工标识信号的 示意具体实施方式
控制器部分集成在一块电路板上，形成的行走轨迹跟踪器的控制板，控制板由电 源转换电路、光耦隔离输入电路、滤波电路、CPU、继电器驱动电路、继电器输出电路等组成。行走跟踪器的信号采集是由传感器实现的，传感器能够识别深浅差别很大的环 境，因此铺设材料会出现三种能够实现自动跟踪的情况1、材料上具有与材料原来的颜色 深浅差别很大的连续的人工标识，2、材料上具有与材料原来的颜色深浅差别很大的断续的 人工标识，3、材料上没有人工标识，但铺设材料与铺设环境颜色深浅有很大差别。第一种情况需要4-6个传感器采集信号，传感器分成前后两组安装在施工车上，且对两组传感器的 间距没有要求。第二种情况需要6个传感器采集信号，传感器分成前后两组安装在施工车 上，且针对不同的间断距离，两组传感器的安装距离也有所不同。为了减小施工过程中的误 差，我们要尽可能的拉长两组传感器之间的距离，但是由于人工标识是间断的，如果距离过 长在施工过程中就会发生两组传感器都采集不到人工标识信号的情况，因此，我们推出了 一组不等式和一个等式来确定这种情况下两组传感器的间距。若人工标识实线长间断 长为L2，其中k必须大于L2，每段长的公差为△ L，人工标识中的一段实线和相应的一段间 断为一组人工标识，其中N为两组传感器距离包含的人工标识的组的个数，为必须为大于0
的整数，根据不等式1和不等式2可以确定N和L3的值，<formula>formula see original document page 6</formula>把解出的L3和N的值代入等式3，可以得出两组传感器之
间的距离L，各个量的值如图10所示<formula>formula see original document page 6</formula>第三种情况需要4个传感器采集信号，传感器分成前后两组安装
在施工车上，对两组传感器的间距没有要求。不管哪种情况，施工车前后都要分别有一组传 感器采集铺设轨迹的信息。本实施例考虑第二种情况即人工标识间断，传感器输入电路由六个传感器组成的 情况为例。CPU的输入端PI. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3、P1. 4和PL 5分别接滤波电路，PI. 0接由 R1、R7、R13和C1组成的滤波电路，PI. 1接由R2、R8、R14和C2组成的滤波电路，P1. 2接由 R3、R9、R15和C3组成的滤波电路，P1. 3接由R4、R10、R16和C4组成的滤波电路，P1. 4接由 R5、Rll、R17和C5组成的滤波电路，P1. 5接由R6、R12、R18和C6组成的滤波电路，每一路 滤波电路前面分别接有一个光耦，避免小信号的干扰，起到隔离和对传感器采集信号取反 的作用。CPU 的 Vcc 端和输出端 P0. 0、P0. 1、P0. 2、P0. 3、P0. 4、P0. 5、P0. 6、P0. 7 之间并联 一个排阻作为上拉电阻，输出端P0. 0和P0. 1作为CPU的有效输出接继电器驱动电路，P0. 0 接 ULN2003A 的 INI, P0. 1 接 ULN2003A 的 IN2。如图4所示，电源电路中使用了 7815和7805两个芯片，7815的IN端接24V电源， OUT端接7805的IN端，OUT端为5V电源的输出，7805的OUT端接一个发光二极管，作为电 源的信号灯。如图5和图7所示，光耦隔离输入电路一共有六路光耦，光耦的1脚接5V电源，2 脚通过限流电阻R21接激光传感器的输出，3脚接滤波电路，4脚接5V电源。当传感器采集 到信号输出为高电平时，光耦的1脚和2脚都为高电平，光耦中没有电流通过，光耦不动作， 3脚输出为低电平；当传感器采集到的信号输出为低电平时，光耦动作，3脚的输出为高电 平。但是当有电路有很小的电流干扰时，电流的大小不足以让光耦中的发光二极管启动，即 光耦也不会动作，不会影响信号的输出。如图6和图7所示，滤波电路为RC滤波电路，电路中电容的充放电时间可以通过 电位器的调节而改变。当输入滤波电路的信号为高电平时，电流通过电阻R1给电容C1充 电，假设电容C1的充电时间为N秒，当输入滤波电路的信号为高电平的持续时间大于N时， N秒以后，此时CPU的输入端P1. 0为高电平，当输入滤波电路的信号变为低电平时，电容C1 开始放电，当信号保持低电平的时间大于N秒时，放电N秒以后，CPU的输入端P1. 0变为低 电平。而当输入滤波电路的信号发生变化后保持时间小于N秒时，滤波电路可以保证CPU的输入不会发生相应的改变。如图8所示，继电器驱动电路中采用了常用的继电器驱动芯片。芯片的1脚接到 CPU的P0. 0端，2脚接CPU的P0. 1端，16脚接继电器K1和续流二极管D1，16脚接继电器 K2和续流二极管D2。CPU输出高电平经过继电器驱动芯片输出为低电平。如图9所示，继电器输出电路包括继电器和续流二极管，继电器K1的1脚接变频 器相序控制端FWD，2脚接继电器的公共端C0M，3脚接继电器驱动电路的输出端，同时接续 流二极管的阳极，4脚接续流二极管的阴极，同时接5V电源，给继电器供电。当继电器驱动 电路的16脚输出为低电平时，电流通过继电器K1的线圈产生磁性，使继电器K1中的开关 闭合，即继电器K1的1脚和2脚导通，变频器的相序控制端FWD起作用。当继电器驱动电 路的15脚输出为低电平时，电流通过继电器K2的线圈产生磁性，使继电器K2中的开关闭 合，即继电器K2的1脚和2脚导通，变频器的相序控制端REV起作用。本实施例采用的是道桥防水材料的铺设，此防水材料为北京东方雨虹生产的防水 卷材。此防水卷材表面为黑色，在距左右两侧边缘100mm处各有一条每隔250mm产生150mm 间断的白色人工标识。假设公差为10mm，即k = 250mm, L2 = 150mm, AL = 10mm。根据不 等式可以得出N取l，L = 610mm。在此实施例中传感器输入电路需要六个传感器。三个一 组，分成前后两组安装在施工车上1号、2号和3号传感器为第一组安装在前，4号、5号和 6号传感器为第二组安装在后，两组传感器的间距为610mm，如图11 19所示。根据实验 可以发现当施工车开始行走时，无论施工车行走到什么位置，至少会有一组传感器能够采 集到人工标识信号。车辆行走会出现三种情况直线行走，左偏或右偏。图11 13是施工车在施工 过程中没有发生偏转直线行驶时传感器位置的示意图。图11是施工车在施工过程中未发 生偏转只有第二组传感器采集到人工标识信号时，5号传感器的输出为低电平，其他传感 器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU的信号为P1. 4为高电 平，P1. 0、PL 1、PL 2、PL 3和PL 5均为低电平。此时CPU的输出端P0. 0和P0. 1均为低 电平，继电器Kl，K2均不动作，施工车的转向系统不动作，施工车继续直线行走。图12是 施工车施工过程中未发生偏转只有第一组传感器采集到人工标识信号时，2号传感器的输 出为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU 的信号为PI. 1为高电平，P1. 0、P1. 2、PL 3、PL 4和PL 5均为低电平。此时CPU的输出端 P0.0和P0. 1均为低电平，继电器Kl，K2均不动作，施工车的转向系统不动作，施工车继续 直线行走。图13是施工车在施工过程中未发生偏转两组传感器均可采集到人工标识信号 时，2号和5号传感器的输出为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和 滤波电路以后，进入到CPU的信号为PI. 1和P1. 4为高电平，PI. 0、P1. 2、P1. 3和PL 5均为 低电平。此时CPU的输出端P0.0和P0. 1均为低电平，继电器Kl，K2均不动作，施工车的 转向系统不动作，施工车继续直线行走。图14 16是施工车在施工过程中发生左偏行驶 时传感器位置的示意图。图14是施工车在施工过程中发生左偏行驶只有第二组传感器采 集到人工标识信号时，4号传感器的输出为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦 隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU的信号为P1. 3为高电平，P1. 0、PL 1、P1. 2、P1. 4和 PI. 5均为低电平。此时CPU的输出端P0. 0为高电平，继电器K1动作，变频器的FWD端和 变频器的公共端导通，施工车的转向系统动作向右调整施工车的行驶方向，使各个传感器调整到直线行驶下的状态，转向系统回到直线行驶状态后继续直线向前行走。图15是施工 车在施工过程中发生左偏行驶只有第一组传感器采集到人工标识信号时，3号传感器的输 出为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU 的信号为P1. 2为高电平，P1. 0、P1. 1、PL 3、PL 4和PL 5均为低电平。此时CPU的输出端 P0.0为高电平，继电器K1动作，变频器的FWD端和变频器的公共端导通，施工车的转向系统 动作向右调整施工车的行驶方向，使各个传感器调整到直线行驶下的状态，转向系统回到 直线行驶状态后继续直线向前行走。图16是施工车在施工过程中发生左偏行驶两组传感 器均可采集到人工标识信号时，3号和4号传感器的输出均为低电平，其他传感器的输出为 高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU的信号为P1. 2和P1. 3为高电平， PL 0、P1. 1、P1. 4和PL 5均为低电平。此时CPU的输出端P0. 0为高电平，继电器K1动作， 变频器的FWD端和变频器的公共端导通，施工车的转向系统动作向右调整施工车的行驶方 向，使各个传感器调整到直线行驶下的状态，转向系统回到直线行驶状态后继续直线向前 行走。图17 19是施工车在施工过程中发生右偏行驶时传感器位置的示意图。图17是 施工车在施工过程中发生右偏行驶只有第二组传感器采集到人工标识信号时，6号传感器 的输出为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到 CPU的信号为P1. 5为高电平，PI. 0、P1. 1、P1. 2、P1. 3和PL 4均为低电平。此时CPU的输出 端P0. 1为高电平，继电器K2动作，变频器的REV端和变频器的公共端导通，施工车的转向 系统动作向左调整施工车的行驶方向，使各个传感器调整到直线行驶下的状态，转向系统 回到直线行驶状态后继续直线向前行走。图18是施工车在施工过程中发生右偏行驶只有 第一组传感器采集到人工标识信号时，1号传感器的输出为低电平，其他传感器的输出为高 电平，通过光耦隔离电路和滤波电路以后，进入到CPU的信号为P1. 5为高电平，P1. 1、P1. 2、 PL 3、P1. 4和PL 5均为低电平。此时CPU的输出端P0. 1为高电平，继电器K2动作，变频器 的REV端和变频器的公共端导通，施工车的转向系统动作向左调整施工车的行驶方向，使 各个传感器调整到直线行驶下的状态，转向系统回到直线行驶状态后继续直线向前行走。 图19是施工车在施工过程中发生右偏行驶两组传感器均可采集到人工标识信号时，1号和 6号传感器的输出均为低电平，其他传感器的输出为高电平，通过光耦隔离电路和滤波电路 以后，进入到CPU的信号P1. 0和P1. 5为高电平，PI. 1、P1. 2、P1. 3和PL 4均为低电平。此 时CPU的输出端P0. 1为高电平，继电器K2动作，变频器的REV端和变频器的公共端导通， 施工车的转向系统动作向左调整施工车的行驶方向，使各个传感器调整到直线行驶下的状 态，转向系统回到直线行驶状态后继续直线向前行走。
权利要求一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于包括CPU、传感器输入电路、电源转换电路、光耦隔离电路、滤波电路、继电器驱动电路、继电器输出电路和变频器；传感器输入电路由端子和激光传感器组成；其中，光耦隔离电路的一端与传感器输入电路相连，另一端通过滤波电路与CPU相连，CPU通过光耦隔离电路和滤波电路采集传感器输出的高电平或低电平的状态；继电器驱动电路一端与CPU相连，另一端与继电器输出电路相连，控制继电器的工作状态；继电器输出电路与变频器相连，控制变频器的工作状态；电源转换电路把外界供给的24V电转换为5V电给控制电路中的各个器件供电。
2.根据权利要求1所述一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于所述的CPU为宏晶科 技生产的51系列的单片机。
3.根据权利要求1所述的一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于光耦隔离电路由限 流电阻和光耦组成。
4.根据权利要求1所述的一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于滤波电路采用的是 RC滤波电路，由滤波电容、滤波电阻和电位器组成。
5.根据权利要求1所述的一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于继电器驱动电路只 采用了 一个继电器驱动芯片。
6.根据权利要求1所述的一种材料铺设轨迹跟踪器，其特征在于继电器输出电路由 端子、续流二极管和继电器组成。
专利摘要一种材料铺设轨迹跟踪器用于材料铺设时铺设轨迹的跟踪和调整，包括传感器和控制器两部分，传感器部分包括端子和能够分辨深浅差别很大的激光传感器；控制器部分包括CPU、电源转换电路、光耦隔离电路、滤波电路、继电器驱动电路、继电器输出电路和变频器。本实用新型的特征在于可以根据铺设材料的轨迹进行自动跟踪，对铺设产生的偏转可以进行自动调整，并且光耦隔离电路和滤波电路还有效的减少施工车在铺设防水材料时车辆的抖动，施工车的转向系统的调整速度可以通过变频器进行调整。
文档编号G05D3/12GK201576211SQ200920276029
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月4日 优先权日2009年12月4日
发明者刘强, 宋永伦, 张军, 赵佳丽 申请人:北京工业大学