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CN106291565A - 用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法 - Google Patents

用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法 Download PDF

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CN106291565A
CN106291565A CN201610576609.2A CN201610576609A CN106291565A CN 106291565 A CN106291565 A CN 106291565A CN 201610576609 A CN201610576609 A CN 201610576609A CN 106291565 A CN106291565 A CN 106291565A
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CN
China
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robot
array device
ultrasonic
sonac
supersonic array
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Application number
CN201610576609.2A
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English (en)
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欧勇盛
吕琴
江国来
林志远
廖玉彬
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Original Assignee
Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/93—Sonar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features

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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明适用于机器人技术领域，提供了用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法，所述超声阵列装置安置于机器人本体上，包括：环形支架本体；等间距安置于所述环形支架本体的侧面的N个超声传感器；以及所述环形支架本体的底座和盖体。本发明提供的用于机器人避障的超声阵列装置集成了多个超声传感器，可以实现全方向、大范围的机器人避障检测，且相比于现有技术，该装置具有线路结构简单，安装维护方便的优点，更加适用于机器人避障技术领域。

Description

用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法。
背景技术
机器人的导航与避障是机器人研发过程中所涉及的主要技术之一，要实现机器人导航与避障的自主控制，一方面要求获取充分的环境信息，另一方面要求能将所获得的环境信息转化成对机器人的控制信息，以便在没有人为干预的情况下使机器人在行进中安全有效的完成特定任务。避障功能可以避免造成机器人本体的损坏以及重要设备的损坏，使机器人无论在什么环境下都能够正常工作，在具体实现中，机器人通过预置算法获取外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，并依据任务规划执行下一步的动作。
在智能机器人的避障系统中，传感器起着举足轻重的作用。探针式传感器、电感式传感器、电容式传感器、力学传感器、雷达传感器、光电传感器、声学传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。目前，综合各方面因素，在机器人避障技术中采用的比较多的是超声传感器，相对于其他传感器来说，超声传感器实现方便，技术成熟，成本低廉，且对于黑暗环境，超声波传感器对物体的探测几乎不受影响。
在机器人避障功能的实际应用中，往往是多个超声传感器组合使用，以达到全方位检测避障的效果，但多个超声传感器组合使用，也会导致线路结构复杂，安装不便等缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了用于机器人避障的超声阵列装置及超声数据处理方法，以解决现有技术中多个超声传感器带来的线路结构复杂、安装不便的问题。
第一方面，提供了一种用于机器人避障的超声阵列装置，所述超声阵列装置安置于机器人本体上，包括：
环形支架本体；
等间距安置于所述环形支架本体侧面的N个超声传感器；以及
所述环形支架本体的底座和盖体。
可选地，所述盖体上设置有开口，用于作为所述超声阵列装置的数据线及电源线的出口。
可选地，所述底座上固定有所述超声阵列装置的供电系统和数据处理模块。
可选地，所述N等于8。
第二方面，提供了一种用于机器人的超声数据处理方法，机器人本体上安置有超声阵列装置，所述超声阵列装置包括环形支架本体，等间距安置于所述环形支架本体侧面的N个超声传感器，以及所述环形支架本体的底座和盖体；
所述用于机器人的超声避障方法包括：
按照预设顺序循环控制N个超声传感器依次发送超声探测信号；
在超声传感器开始发送超声探测信号时，定时器清零并开始计时；
当所述定时器停止计时时，控制该超声传感器停止工作，输出障碍物检测信息，并令所述预设顺序中的下一超声传感器发送超声探测信号。
可选地，将与所述机器人距离L的物体认定为障碍物，则所述方法还包括：
当所述定时器的计时时长达到了L/170S时，所述定时器停止计时。
可选地，所述输出障碍物检测信息包括：
输出用于表示该超声传感器没有检测到障碍物的信息。
可选地，所述方法还包括：
若检测到该超声传感器发送的超声探测信号返回，所述定时器停止计时。
可选地，所述输出障碍物检测信息包括：
读取所述定时器当前的计时时长；
根据所述计时时长计算所述机器人与障碍物的距离；
输出用于表示该超声传感器检测到的障碍物距离的信息。
可选地，所述N等于8。
本发明实施例提供的用于机器人避障的超声阵列装置集成了多个超声传感器，可以实现全方向、大范围的机器人避障检测，且相比于现有技术，该装置具有线路结构简单，安装维护方便的优点，更加适用于机器人避障技术领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的用于机器人避障的超声阵列装置的结构图；
图2是本发明实施例提供的用于机器人的超声数据处理方法的实现流程图；
图3是本发明另一实施例提供的用于机器人的超声数据处理方法的实现流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
图1示出了本发明实施例提供的用于机器人避障的超声阵列装置的结构图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
该超声阵列装置安置于机器人本体上，如图1所示，包括：
环形支架本体11，该环形支架本体11由硬质材料制成，在环形支架本体11的侧面等间距地安置了N个超声传感器12，优选地，N等于8，以确保可以实现每个方向上的超声避障检测。
此外，该超声阵列装置还包括环形支架本体11的底座13和盖体14，底座13置于环形支架本体11的下方，该底座11上固定有超声阵列装置的供电系统和数据处理模块，盖体14设置于环形支架本体11的上方，进一步地，在盖体14上设置有开口15，用于作为超声阵列装置的数据线及电源线(或充电线)的出口。
在工作过程中，供电系统分别给数据处理模块和超声传感器供电，超声传感器采集到的超声数据传输给数据处理模块，数据处理模块对超声数据进行数据处理。
图1所示的超声阵列装置将多个超声传感器集成在了一个装置中，相比单个或是少数几个超声传感器，该超声阵列装置的探测范围大，且线路结构简单，安装维护便捷。
基于图1所示的超声阵列装置的结构，图2示出了本发明实施例提供的用于机器人的超声数据处理方法的实现流程，详述如下：
S201，按照预设顺序循环控制N个超声传感器依次发送超声探测信号。
在本发明实施例中，可以按照N个超声传感器在环形支架本体上的排列顺序，按顺时针或者逆时针方向(或者也可以为其他预选指定的顺序)循环控制这N个超声传感器依次发送超声探测信号。
S202，在超声传感器开始发送超声探测信号时，定时器清零并开始计时。
S203，当所述定时器停止计时时，控制该超声传感器停止工作，输出障碍物检测信息，并令所述预设顺序中的下一超声传感器发送超声探测信号
为了保证每个超声传感器每次进行超声探测的工作时间分配的合理性，在本发明实施例中，每当有超声传感器开始发送超声探测信号时，定时器清零并开始计时，当定时器停止计时时，控制该超声传感器停止工作，输出障碍物检测信息，并按照预设顺序，令下一个超声传感器发送超声探测信号。
在本发明实施例中，定时器在开始计时之后再停止计时的情况包括以下两种：
情况一：
当所述定时器的计时时长达到了L/170S时，所述定时器停止计时。
由于声波在空气中传播速度v为340米/秒，令超声探测信号从发射到遇到障碍物返回的时间为t秒，则可以计算出超声阵列装置与障碍的距离S：
S＝v*t/2＝340*t/2＝170t米。
因此，在机器人的避障策略中，若将与机器人的距离在L以内的物体视为障碍物，而与机器人的距离大于L的物体不视为障碍物，那么，若超声探测信号从发射到遇到障碍物返回的时间大于L/170秒，则认为目前尚未检测到障碍物，因此，当定时器的计时时长达到了L/170秒时，令定时器停止计时，此时当前在进行超声探测的超声传感器也一并停止工作，输出用于表示该超声传感器没有检测到障碍物的信息。
情况二：
若检测到该超声传感器发送的超声探测信号返回，所述定时器停止计时。
若在当前超声传感器的信号方向上，与机器人的距离不足L的位置上存在障碍物，那么该超声传感器会在L/170秒内检测到返回的超声探测信号，此时，也令定时器停止计时，从而使得当前在进行超声探测的超声传感器也一并停止工作，输出用于表示该超声传感器没有检测到障碍物的信息。
在情况二中，由于检测到了障碍物，因此，对障碍物检测信息的输出可以如图3所示：
S301，读取所述定时器当前的计时时长。
S302，根据所述计时时长计算所述机器人与障碍物的距离。
S303，输出用于表示该超声传感器检测到的障碍物距离的信息。
在图3对应实施例中，根据S＝v*t/2，可以计算出机器人此时与障碍物的距离为170t，其中，t为定时器当前的计时时长，从而可以输出用于表示该超声传感器检测到的障碍物距离的信息。
此外，在本发明实施例中，还可以对每个超声传感器的工作时间及N个超声传感器的总工作时间进行计算。以N等于8为例，每个超声传感器在发送超声探测信号时，需要先预置20us高电平，每轮又有8个超声波传感器依次工作。因此，每一轮8个超声波探测信号发送时间：t1＝20us*8＝160us，而令每一轮8个超声传感器进行超声探测，即发射超声信号的总时间设为t2，则每一轮8个超声波传感器测距所需的总时间T＝t1+t2。
本发明实施例提供的用于机器人避障的超声阵列装置集成了多个超声传感器，可以实现全方向、大范围的机器人避障检测，且相比于现有技术，该装置具有线路结构简单，安装维护方便的优点，更加适用于机器人避障技术领域。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于机器人避障的超声阵列装置，其特征在于，所述超声阵列装置安置于机器人本体上，包括：
环形支架本体；
等间距安置于所述环形支架本体侧面的N个超声传感器；以及
所述环形支架本体的底座和盖体。
2.如权利要求1所述的超声阵列装置，其特征在于，所述盖体上设置有开口，用于作为所述超声阵列装置的数据线及电源线的出口。
3.如权利要求1所述的超声阵列装置，其特征在于，所述底座上固定有所述超声阵列装置的供电系统和数据处理模块。
4.如权利要求1至3任一项所述的超声阵列装置，其特征在于，所述N等于8。
5.一种用于机器人的超声数据处理方法，其特征在于，机器人本体上安置有超声阵列装置，所述超声阵列装置包括环形支架本体，等间距安置于所述环形支架本体侧面的N个超声传感器，以及所述环形支架本体的底座和盖体；
所述用于机器人的超声避障方法包括：
按照预设顺序循环控制N个超声传感器依次发送超声探测信号；
在超声传感器开始发送超声探测信号时，定时器清零并开始计时；
当所述定时器停止计时时，控制该超声传感器停止工作，输出障碍物检测信息，并令所述预设顺序中的下一超声传感器发送超声探测信号。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将与所述机器人距离L的物体认定为障碍物，则所述方法还包括：
当所述定时器的计时时长达到了L/170S时，所述定时器停止计时。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述输出障碍物检测信息包括：
输出用于表示该超声传感器没有检测到障碍物的信息。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若检测到该超声传感器发送的超声探测信号返回，所述定时器停止计时。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出障碍物检测信息包括：
读取所述定时器当前的计时时长；
根据所述计时时长计算所述机器人与障碍物的距离；
输出用于表示该超声传感器检测到的障碍物距离的信息。
10.如权利要求5至9任一项所述的方法，其特征在于，所述N等于8。
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