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1、(10)申请公布号 CN 104317294 A (43)申请公布日 2015.01.28 CN 104317294 A (21)申请号 201410544876.2 (22)申请日 2014.10.15 G05D 1/02(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 王宪 罗祉婧 张文婷 何嘉宁 陈猛 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 杜文茹 (54) 发明名称 基于红外传感及无线控制实现智能导航的多 功能机器人 (57) 摘要 一种基于红外传感及无线控制实现智能导航 的多功能机器人。
2、， 包括有控制单元， 控制单元的信 号输入端分别连接前置红外探头、 后置红外探头、 颜色传感器、 光照度传感器和无线遥控单元， 无线 遥控单元连接无线遥控器， 控制单元的信号输出 端分别连接语音模块和电机驱动单元的信号输入 端， 电机驱动单元的信号输出端连接用于驱动车 轮运行的车轮电机， 还设置有用于向机器人提供 电源的电池和用于控制电池向机器人提供电源的 电源开关按钮， 以及用于夜晚照明用的 LED 灯， 光 照度传感器设置在LED灯处， LED灯的信号输入端 连接控制单元的信号输出端。本发明可以在盲人 行走时产生相应的指引作用， 通过语音提示确保 使用者更清晰了解外界信息。 (51)Int。
3、.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104317294 A CN 104317294 A 1/1 页 2 1. 一种基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 包括有控制单元 (9)， 其特征在于， 所述控制单元 (9) 的信号输入端分别连接前置红外探头 (3)、 后置红外探 头 (11)、 颜色传感器 (12)、 光照度传感器 (14) 和无线遥控单元 (10)， 所述无线遥控单元 (10) 连接无线遥控器 (14)， 所述控制单元 (9。
4、) 的信号输出端分别连接语音模块 (4) 和电机 驱动单元 (7) 的信号输入端， 所述电机驱动单元 (7) 的信号输出端连接用于驱动车轮 (6) 运行的车轮电机， 还设置有用于向机器人提供电源的电池 (5) 和用于控制电池 (5) 向所述 的机器人提供电源的电源开关按钮 (2)， 以及用于夜晚照明用的 LED 灯 (1)， 所述的光照度 传感器 (14) 设置在所述的 LED 灯 (1) 处， 所述 LED 灯 (1) 的信号输入端连接所述的控制单 元 (9) 的信号输出端。 2. 根据权利要求 1 所述的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 其 特征在于， 还设置有直行矫正按。
5、键 (13)， 所述的直行矫正按键 (13) 的信号输出端连接所述 的控制单元 (9) 的信号输入端。 3. 根据权利要求 1 所述的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 其 特征在于， 所述的前置红外探头 (3) 和后置红外探头 (11) 结构相同， 均包括有发光二极管 D 和三极管 T， 发光二极管 D 的一端和三极管 T 的基极共同通过一个电阻 R1 接地， 发光二极 管 D 的另一端接电源 VCC， 三极管 T 的集电极通过一个电阻 R2 接电源 VCC， 三极管 T 的发射 极接地， 所述的集电极还连接控制单元 (9) 的信号输入端。 4. 根据权利要求 1 所述的基于。
6、红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 其 特征在于， 所述的电机驱动单元 (7) 包括有第一驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2， 所述第一 驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2 为两个结构完全相同的驱动芯片， 第一驱动芯片 U1 和第二 驱动芯片 U2 均分别连接电源 VCC 和控制单元 (9) 的信号输出端。 5. 根据权利要求 1 所述的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 其 特征在于， 所述的无线遥控单元(10)采用一个遥控芯片U3， 所述遥控芯片U3的一个管脚分 别通过一个电阻 R4 接电源 VCC， 以及通过电容 C 接地， 所述遥控芯片 U3 的信号输出。
7、端通过 一个接口 JP 连接控制单元 (9) 的信号输入端。 6. 根据权利要求 1 所述的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 其 特征在于， 所述的光照度传感器(14)采用传感器芯片U4， 所述传感器芯片U4的信号输出端 分别通过两个电阻 R5、 R6 连接电源 VCC， 以及直接连接控制单元 (9) 的信号输入端。 权 利 要 求 书 CN 104317294 A 2 1/5 页 3 基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人 技术领域 0001 本发明涉及一种多功能机器人。 特别是涉及一种基于红外传感及无线控制实现智 能导航的多功能机器人。 背景技术 0002 随着。
8、人类生活水平的提高， 盲人的安全问题越来越受到人们的重视， 由于无法利 用视觉接受一切指引效果， 盲人的安全行走只能依靠一些外界手段。现实情况中盲道铺设 普及度不达标的情况给盲人出行带来的隐患。人们对于不规则盲道的关注度逐渐提高， 对 于能够有效改善该状况的交通辅助工具的呼声也越来越高。然而绝大多数辅助工具， 如导 盲犬、 导盲机器人或是成本高或是培训周期长， 难于推广。 如传统的导盲犬无法避免一些生 物弱点， 而且有培养周期长， 适用范围窄等弱点。 0003 为了使盲人可以安全的行走， 在科技高度发展， 城市化脚步日益加快的今天， 应该 利用一些简易的电子设备来高效， 精确地对盲人进行导盲。。
9、 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是， 提供一种能够解决现实情况中盲道铺设普及度不 达标的情况给盲人出行带来隐患的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器 人。 0005 本发明所采用的技术方案是 ： 一种基于红外传感及无线控制实现智能导航的多 功能机器人， 包括有控制单元， 所述控制单元的信号输入端分别连接前置红外探头、 后置红 外探头、 颜色传感器、 光照度传感器和无线遥控单元， 所述无线遥控单元连接无线遥控器， 所述控制单元的信号输出端分别连接语音模块和电机驱动单元的信号输入端， 所述电机驱 动单元的信号输出端连接用于驱动车轮运行的车轮电机， 还设置有用于向机器人提供电。
10、源 的电池和用于控制电池向所述的机器人提供电源的电源开关按钮， 以及用于夜晚照明用的 LED 灯， 所述的光照度传感器设置在所述的 LED 灯处， 所述 LED 灯的信号输入端连接所述的 控制单元的信号输出端。 0006 还设置有直行矫正按键， 所述的直行矫正按键的信号输出端连接所述的控制单元 的信号输入端。 0007 所述的前置红外探头和后置红外探头结构相同， 均包括有发光二极管 D 和三极管 T， 发光二极管 D 的一端和三极管 T 的基极共同通过一个电阻 R1 接地， 发光二极管 D 的另一 端接电源 VCC， 三极管 T 的集电极通过一个电阻 R2 接电源 VCC， 三极管 T 的发射。
11、极接地， 所 述的集电极还连接控制单元的信号输入端。 0008 所述的电机驱动单元包括有第一驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2， 所述第一驱动 芯片 U1 和第二驱动芯片 U2 为两个结构完全相同的驱动芯片， 第一驱动芯片 U1 和第二驱动 芯片 U2 均分别连接电源 VCC 和控制单元的信号输出端。 0009 所述的无线遥控单元采用一个遥控芯片 U3， 所述遥控芯片 U3 的一个管脚分别通 说 明 书 CN 104317294 A 3 2/5 页 4 过一个电阻 R4 接电源 VCC， 以及通过电容 C 接地， 所述遥控芯片 U3 的信号输出端通过一个 接口 JP 连接控制单元的信号输入端。
12、。 0010 所述的光照度传感器采用传感器芯片 U4， 所述传感器芯片 U4 的信号输出端分别 通过两个电阻 R5、 R6 连接电源 VCC， 以及直接连接控制单元的信号输入端。 0011 本发明的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 可以在盲人行 走时产生相应的指引作用， 通过语音提示确保使用者更清晰了解外界信息。在盲道与非盲 道上皆可使用， 有效解决了现实情况中盲道铺设普及度不达标的情况给盲人出行带来的隐 患。在性能上， 工作稳定使用放心， 耗电量小且采用智能启动设计节能环保， 电路结构简洁 便于操作。在功能上， 两种使用模式为盲人出行增添了多元化选择。前置红外传感器及颜 色。
13、传感器使机器人更加灵活稳定。 在创新上， 该智能器材实现无线遥控的娱乐功能， 为使用 者生活增添更多趣味。为了增加使用的趣味性， 盲人可通过无线遥控器控制机器人播放音 乐。机器人内部音乐储存器中的音乐都是可通过电脑自主下载更换的。同时， 该遥控系统 设置自动找寻功能， 按下 “自动找寻” 按钮， 机器人将发出警报， 提示自身位置， 便于盲人寻 找。 附图说明 0012 图 1 是本发明的结构示意图 ； 0013 图 2 是本发明无线遥控器示意图 ； 0014 图 3 是本发明的结构示意图 ； 0015 图 4 是本发明控制单元电路原理图 ； 0016 图 5 是本发明开关电路原理图 ； 001。
14、7 图 6 是本发明控制单元中电阻排的电路原理图 ； 0018 图 7 是本发明控制单元中电源去耦电路原理图 ； 0019 图 8 是本发明语音模块的电路原理图 ； 0020 图 9 是本发明前置红外探头的电路原理图 ； 0021 图 10 是本发明后置红外探头的电路原理图 ； 0022 图 11 是本发明电机驱动单元的电路原理图 ； 0023 图 12 是本发明无线遥控单元的电路原理图 ； 0024 图 13 是本发明颜色传感器的电路原理图 ； 0025 图 14 是本发明光照度传感器的电路原理图。 0026 图中 0027 1 ： LED 灯 2 ： 电源开关按钮 0028 3 ： 前置红。
15、外探头 4 ： 语音模块 0029 5 ： 电池 6 ： 车轮 0030 7 ： 电机驱动单元 8 ： 单片机底座 0031 9 ： 控制单元 10 ： 无线遥控单元 0032 11 ： 后置红外探头 12 ： 颜色传感器 0033 13 ： 直行矫正按键 14 ： 光照度传感器 0034 15 ： 天线 16 ： 按键 说 明 书 CN 104317294 A 4 3/5 页 5 0035 17 ： 遥控器开关 18 ： 无线遥控器 具体实施方式 0036 下面结合实施例和附图对本发明的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多 功能机器人做出详细说明。 0037 利用红外线遇到障碍物反射的原理。
16、， 可以实现精确测距， 从而不断获取外界信息， 进行路径规划， 然后利用小车的牵引作用， 实现基本的导盲任务。 为了防止小车在转弯过程 中离开盲道区域造成危险， 本发明利用颜色传感器对盲道进行循迹。同时， 通过红外线测 距， 可以保持盲人与小车的距离一致 , 实现智能化控制。 0038 如图 1、 图 2 所示， 本发明的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器 人， 包括有控制单元9， 所述控制单元9的信号输入端分别连接前置红外探头3、 后置红外探 头 11、 颜色传感器 12、 光照度传感器 14 和无线遥控单元 10， 所述无线遥控单元 10 连接无 线遥控器 18， 所述控制单元。
17、 9 的信号输出端分别连接语音模块 4 和电机驱动单元 7 的信号 输入端， 所述电机驱动单元7的信号输出端连接用于驱动车轮6运行的车轮电机， 还设置有 用于向机器人提供电源的电池5和用于控制电池5向所述的机器人提供电源的电源开关按 钮 2， 以及用于夜晚照明用的 LED 灯 1， 所述的光照度传感器 14 设置在所述的 LED 灯 1 处， 所述 LED 灯 (1) 的信号输入端连接所述的控制单元 (9) 的信号输出端。本发明的电池可以 采用蓄电池供电， 外设 USB 接口， 充电便捷。且蓄电池容量大 , 一次充电可长时使用 , 环境 友好 , 节能环保。 0039 还可以设置有直行矫正按键。
18、 13， 所述的直行矫正按键 13 的信号输出端连接所述 的控制单元 9 的信号输入端。凭借盲道的凸起， 一旦导盲小车发生偏离， 偏离一侧的按键会 被按下。通过左右两侧的按键按下情况来及时调整前进方向。 0040 如图 4、 图 5、 图 6、 图 7 所述， 本发明的控制单元 9， 包括有单片机 5， 所述的单片机 5 可以采型号用型号为 AT89C51 或型号为 AT89C52 的单片机， 本实施例采用型号为 AT89C51 的单片机， 型号为 AT89C51 的单片机是一种低功耗、 高性能 CMOS 8 位微控制器， 具有 8K 在 系统可编程Flash存储器。 使用Atmel公司高密度。
19、非易失性存储器技术制造， 与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程， 亦适于常规编程器。 在单芯片上， 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash， 使得 AT89S51 在众多嵌入式控制 应用系统中得到广泛应用， 提供了一种灵活性高且价廉的方案。 0041 如图 8 所示， 语音模块 4 采用型号为 LMD107 的语音模块。该模块转换率高， 发热 小， 节约电能， 实现多路并且长时间放音。可分段录音、 播放， 并随时更改语音信息。最多可 以录制 28 段声音。语音模块 4 在停止或转弯时可以提示盲人注意避障。即可以语音提示 盲人前方。
20、路况， 更加方便盲人及时调整行走速度及方向。 0042 如图9、 图10所示， 所述的前置红外探头3和后置红外探头11结构相同， 均包括有 发光二极管 D 和三极管 T， 发光二极管 D 的一端和三极管 T 的基极共同通过一个电阻 R1 接 地， 发光二极管 D 的另一端接电源 VCC， 三极管 T 的集电极通过一个电阻 R2 接电源 VCC， 三 极管 T 的发射极接地， 所述的集电极还连接控制单元 9 的信号输入端。 0043 所述的前置红外探头 3 在小车前部左右各设置一个， 可以检测到盲道上有无障碍 物以及障碍物的大致方位， 并通过语音提示盲人。 当小车正前方出现不可绕过的障碍物时， 。
21、说 明 书 CN 104317294 A 5 4/5 页 6 小车会停下， 并提示盲人。当小车前方出现可绕行障碍物， 小车会躲避并予以提示。所述后 置红外探头 11 设置在车的尾部， 不断检测小车与盲人之间的距离。当盲人与小车距离超过 0.5 米时， 小车停止等待盲人， 使小车与盲人之间距离始终保持在大概 0.5 米。 0044 如图11所示， 所述的电机驱动单元7包括有第一驱动芯片U1和第二驱动芯片U2， 所述第一驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2 为两个结构完全相同的驱动芯片， 第一驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2 均分别连接电源 VCC 和控制单元 9 的信号输出端。 0045 所。
22、述的第一驱动芯片 U1 和第二驱动芯片 U2 可以采用型号为 L298N 或型号为？ ？ ？ 的芯片， 本实施例采用型号为 L298N 的芯片， 型号为 L298N 的芯片可接受标准 TTL 逻辑电平 信号 VSS， VSS 可接 4.5 7 V 电压。L298 可驱动 2 个电动机。 0046 如图 12 所示， 所述的无线遥控单元 10 采用一个型号为 HWJS 的遥控芯片 U3， 所述 遥控芯片 U3 的一个管脚分别通过一个电阻 R4 接电源 VCC， 以及通过电容 C 接地， 所述遥控 芯片 U3 的信号输出端通过一个接口 JP 连接控制单元 9 的信号输入端。盲人使用遥控器控 制本发。
23、明的小车机器人。 如图3所示， 遥控器设置有与无线遥控单元10进行通信的天线15， 用于盲人输入控制信号的按键 16， 以及遥控器开关 17。遥控器上的按键较大， 分布简单， 利 于盲人记住每个按键的功能。遥控器小巧便捷， 相较于小车， 可随身携带， 并使用红外线技 术， 可遥控小车发出语音便于盲人寻找。 0047 如图 13 所示， 颜色传感器 12 可以采用型号为 TCS3200 或型号为 TCS230 的颜 色传感器。型号为 TCS3200 的颜色传感器是一款全彩的颜色检测器， 包括了一块 TAOS TCS3200RGB 感应芯片和 4 个白光 LED 灯， TCS3200 能在一定的范。
24、围内检测和测量几乎所有 的可见光。它适合于色度计测量应用领域。比如彩色打印、 医疗诊断、 计算机彩色监视器校 准以及油漆、 纺织品、 化妆品和印刷材料的过程控制。通过检测盲道 RGB 值， 与非盲道区分 实现当小车驶出盲道时， 自动转弯并提示盲人的功能。颜色传感器同过辨别盲道与周边道 路颜色的不同从而实现循迹， 使小车一旦偏离盲道及时作出调整， 实现小车始终沿着盲道 前进。 0048 如图 14 所示， 所述的光照度传感器 14 采用传感器芯片 U4， 所述传感器芯片 U4 的 信号输出端分别通过两个电阻 R5、 R6 连接电源 VCC， 以及直接连接控制单元 9 的信号输入 端。 0049 。
25、光照度传感器14采用型号为BH1750的芯片， 具有接近于灵敏视觉的分光特性， 可 对广泛的光亮度进行 1lx 的高精对测定， 红外线对其影响很小。当夜晚降临时， 小车自动打 开前方的 LED 灯， 提示路人注意避让盲人。 0050 本发明的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人， 可选择不同模 式 ： 0051 在 “盲道行进” 模式下， 机器人牵引盲人在盲道上行走。通过按键与盲道凸起处触 碰引起的电平变化， 单片机控制小车在盲道上保持直行。颜色传感器通过识别盲道与非盲 道区域颜色差异， 控制机器人只沿着盲道行进并自动转弯。 0052 在 “自由行走” 模式下， 机器人启动在无盲道。
26、区域自动规划路径智能导航功能。前 置的红外测距模块， 通过检测与障碍物的安全距离， 实现自主避障， 遇到不可绕行障碍物， 提示使用者停止， 指引盲人在非盲道区域行走。 0053 在该智能机器人实现上述功能时， 都会发出相应的语音提示， 提示使用者实时路 说 明 书 CN 104317294 A 6 5/5 页 7 况， 防止受伤。 0054 当夜晚降临， 光照度低于某一阈值时， 光照度传感模块控制机器人顶部 LED 灯自 动点亮， 提示路人避让盲人。 0055 为了增加使用的趣味性， 盲人可通过无线遥控器控制机器人播放音乐。机器人内 部音乐储存器中的音乐都是可通过电脑自主下载更换的。同时， 该。
27、遥控系统设置自动找寻 功能， 按下 “自动找寻” 按钮， 机器人将发出警报， 提示自身位置， 便于盲人寻找。 0056 本发明的基于红外传感及无线控制实现智能导航的多功能机器人的工作方式如 下 ： 0057 开启总开关智能机器人进行上电后， 附图 1 中所示控制单元部分控制智能机器人 实现多种功能， 具体操作过程如下 ： 0058 1) 智能启动功能 ： 通过后置红外探头 11 判断使用者与机器人距离， 控制智能机器 人启动或者停止， 保持机器人与使用者在行进过程中距离始终一致 ； 0059 2) 自动避障功能 ： 通过两个前置的红外探头 3 判断机器人与障碍物的距离， 将障 碍物信息传输给控。
28、制单元， 由控制单元 9 控制车轮电机实现车轮速度改变， 使智能机器人 实现避障功能 ； 0060 3) 直行校准功能 ： 当安装在附图 2 底部的直行矫正按键 13 触碰到盲道突起部分 时， 控制单元 9 控制车轮电机 6 实现速度改变， 使智能机器人的行驶路径为一条直线 ； 0061 4) 语音功能 ： 智能机器人实现智能启动， 左转， 右转功能时语音模块 4 都会发出相 应语音提示 ； 通过无线遥控器进行操控时， 先开启无线遥控器开关 17， 通过按键 16 进行操 作， 天线 15 发射信号， 实现无线遥控单元 10 发生相应电平变化， 促使与之相连接的控制单 元 9 控制语言模块 4。
29、 播放相对应的音频 ； 0062 5)颜色传感循迹功能 ： 颜色传感器通过检测盲道RGB值， 实现智能机器人在 “盲道 行走” 模式下一直保持在盲道上循迹行进 ； 0063 6) 夜晚照明功能 ： 设置有夜晚照明的 LED 灯， 当光照度传感器检测到光照度低于 某一阈值时， 夜晚照明用 LED 自动点亮。 说 明 书 CN 104317294 A 7 1/5 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 104317294 A 8 2/5 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 104317294 A 9 3/5 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 104317294 A 10 4/5 页 11 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 104317294 A 11 5/5 页 12 图 9图 10 图 11 图 12 图 13 图 14 说 明 书 附 图 CN 104317294 A 12 。