[发明专利]一种非接触式轨道导向装置及其导向方法

权利要求书

1.一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：包括车身(16)、控制部分(4)、驱动部分、图像采集部分和激光模组部分；驱动部分设置在车身(16)底部并用于驱动车身(16)的运动和转向，所述激光膜组部分设置在车身(16)前方并用于向车身(16)前方的瓦楞状彩钢板上发射出激光，所述图像采集部分用于采集车身(16)前方包括激光模组部分发出的激光照射在瓦楞状彩钢板上的激光点(2)在内的图像；所述控制部分(4)设置在车身(16)上并用于控制驱动部分、图像采集部分和激光模组部分的工作；

所述驱动部分包含驱动器(8)、前轮(9)、后轮(19)、前轴承座(10)、后轴承座(20)、链条(11)、主动链轮(12)、从动链轮(21)、前轴(13)、后轴(18)、减速器(14)和步进电机(15)，所述驱动器(8)放置在车身(16)上，驱动电机连接步进电机(15)并驱动步进电机(15)的运动，所述步进电机(15)放置在车身(16)底部，步进电机(15)的输出轴通过减速器(14)连接主动链轮(12)，所述主动链轮(12)通过链条(11)连接从动链轮(21)，所述从动链轮(21)设置在后轴(18)上，所述后轴(18)连接后轮(19)且通过后轴承座(20)固定在车身(16)上；所述前轮(9)连接在前轴(13)上，前轴(13)通过前轴承座(10)固定在车身(16)上；

所述激光模组部分包含两个点状激光模组支架(5)和两个点状激光模组(3)，两个点状激光模组(3)分别通过两个点状激光模组支架(5)安装在车身(16)前端的左右两侧，每个点状激光模组支架(5)上均设置有可以调整点状激光模组(3)竖直方向和水平方向角度的旋转机构；

所述图像采集部分包含CCD摄像头支架(6)和CCD摄像头(7)；所述CCD摄像头(7)通过CCD摄像头支架(6)固定在车身(16)前端中部，且两个点状激光模组支架(5)对称设置在CCD摄像头支架(6)的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：驱动部分的步进电机(15)设置有两个，分别用于两个前轮(9)的独立驱动。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：所述旋转机构包括旋转轴、连接臂和旋转盘，连接臂的一端连接旋转臂的中部，旋转轴上设置有连接臂相配合的螺纹孔，连接臂的另一端设置有外螺纹，连接臂通过外螺纹与螺纹孔的配合安装在旋转轴上，所述旋转轴的两端连接在点状激光模组支架(5)且旋转轴与点状激光模组支架(5)间隙配合。

4.根据权利要求3所述的一种非接触式轨道导向装置，其特征在于：所述减速器(14)为行星减速器。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式轨道导向装置的导向方法，使用上述非接触式导轨导向装置来实现，其特征在于：包括如下步骤：

(1)打开两个点状激光模组(3)，调整两个激光模组部分的旋转机构，使两个点状激光模组(3)分别发射出直线形状的激光投射在瓦楞状彩钢板的两条凸起部分棱边上；

(2)CCD摄像头(7)拍摄车身(16)前方的图像，并将步骤(1)中激光模组发射激光在瓦楞状彩钢板上的激光点(2)拍摄进图像内；

(3)CCD摄像头(7)采集到的图像传送至控制部分(4)，由控制部分(4)对图像中的激光点(2)进行处理，获取两个点状激光模组(3)分别发射激光在瓦楞状彩钢板上的投射点分别为A点(24)和B点(25)，并在图像左边界(22)任意一点作为原点(26)建立坐标系，其中左边界设置在Y轴(28)上，设定右边界为y＝x₃，A点(24)坐标为(x₁,y₂)，B点(25)坐标为(x₂,y₂)，计算A点(24)和B点(25)之间的距离D_AB、A点(24)距图像左边界(22)的距离D_A、B点(25)距离图像右边界(23)的距离D_B、A点(24)的纵坐标与B点(25)的纵坐标之差D_c，其计算公式分别为：

D_A＝x₁；

D_B＝x₃-x₂；

D_c＝y₁-y₂；

(4)结合A点(24)距图像左边界(22)的距离D_A与B点(25)距离图像右边界(23)的距离D_B计算车身(16)偏移距离D_e，其计算公式为：

D_e＝D_A-D_B；

(5)结合D_AB和D_e计算出反应车身(16)偏移角度θ，计算公式为：

式中，D_s为车身(16)处于直走状态下A点(24)与图像左边界(22)的距离或者B点(25)与图像右边界(23)的距离；

(6)将车身(16)偏移距离D_e作为控制部分(4)的信号偏差利用PID算法计算出左轮和右轮的速度差U_e，其计算公式为：

式中，k_p为比例系数；T为积分时间常数；T_D为微分时间常数；

(7)当车身(16)处于偏离直行状态时，结合θ与D_e可以确定车身(16)状态：

当|θ|>20゜时，车身(16)处于严重偏离正常方向，控制车身(16)停止；

当D_c>0时，θ>0,车身(16)处于右偏状态；

当D_c<0时，θ<0,车身(16)处于左偏状态；

当车身(16)偏离正常方向时通过调整左右车轮的速度差U_e调整方向，调整驱动部分的两个步进电机(15)直至θ＝0和D_e＝0时表示车身(16)处于直行状态，控制车身(16)U_e＝0，实现对车身(16)方向的调整。