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CN111857153B - 一种距离检测装置及扫地机器人 - Google Patents

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CN111857153B CN202010762786.6A CN202010762786A CN111857153B CN 111857153 B CN111857153 B CN 111857153B CN 202010762786 A CN202010762786 A CN 202010762786A CN 111857153 B CN111857153 B CN 111857153B
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Beijing Rockrobo Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种距离检测装置，应用于扫地机器人，包括：信号源，设置于扫地机器人底面前端边缘附近，信号源以预设角度发射锥状探测信号；第一信号接收器，临近信号源的第一位置设置，用于接收探测信号经地面反射的反射信号；其中，第一位置位于锥状探测信号在地面的投射面积最大时对应的位置；第二信号接收器，临近第一信号接收器的第二位置设置，用于接收探测信号经悬崖面反射的反射信号；其中，第二位置位于锥状探测信号在悬崖面的投射面积最大时对应的位置。本发明提供的距离检测装置，利用至少两个个不同接收角度的接收装置接收探测信号，准确判断地面状态，减少了不同材料对测量精度的影响，降低了器件成本。

Description

一种距离检测装置及扫地机器人
技术领域
本公开涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种距离检测装置及扫地机器人。
背景技术
机器人测距是机器人行走过程中必不可少的程序，机器人测距通常包括采用激光雷达等传感器对周围障碍物的实时检测，还包括通过悬崖传感器对行走地面状态的检测，以避免跌入悬崖，造成机器故障。目前，大部分扫地机都是使用低成本的红外对管做悬崖检测模组，另外少数机器采用距离测量传感器作为扫地机的悬崖检测模组。
红外对管方案设计简单，成本低，但是容易受材质影响，不同材质触发高度不一样，会造成本来是悬崖，但检测认为是平地，或者本来是平地，但触发了悬崖传感器。同时也容易受到室内灯光，以及太阳光干扰，造成误判。距离传感器通常由PSD(positionsensitive detector)和IRED(infrared emitting diode)以及信号处理电路三部分组成，由于采用三角测量方法进行测量，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度，但是此方案电路结构复杂，成本比较高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种距离检测装置及扫地机器人，采用低成本的距离检测装置进行悬崖检测，同时能够保证检测的准确性。
本发明提供一种距离检测装置，应用于扫地机器人，其特征在于，包括：信号源，设置于所述扫地机器人底面前端边缘附近，所述信号源以预设角度发射锥状探测信号；第一信号接收器，临近所述信号源的第一位置设置，用于接收所述探测信号经地面反射的反射信号；其中，所述第一位置位于所述锥状探测信号在所述地面的投射面积最大时对应的位置；第二信号接收器，临近所述第一信号接收器的第二位置设置，用于接收所述探测信号经悬崖面反射的反射信号；其中，所述第二位置位于所述锥状探测信号在所述悬崖面的投射面积最大时对应的位置。
可选的，所述第二信号接收器包括多个，离散的设置于所述第一信号接收器周边，用于接收所述探测信号经不同深度的悬崖面反射的反射信号。
可选的，所述第一信号接收器与所述第二信号接收器间设置有遮挡结构，或者，所述多个第二信号接收器间设置有遮挡结构。
可选的，还包括：计算装置，接收所述第一信号接收器与所述第二信号接收器接收到的反射信号，并计算所述第一信号接收器与所述第二信号接收器接收到的反射信号的信号强度比值，根据所述信号强度比值确定地面状态。
可选的，所述信号源包括以下至少之一：红外信号源、激光信号源、超声信号源；所述探测信号包括以下至少之一：红外光、激光、超声波。
可选的，所述信号强度比值为光强或声波强度比值。
可选的，所述根据所述信号强度比值确定地面状态，包括：当所述比值为连续变化值，则所述地面为斜坡类型；当所述比值为跳跃式变化时，所述地面为悬崖类型。
可选的，所述第一探测器距离地面的距离为定值，所述定值为1-2cm。
可选的，所述第一位置为定值，所述定值为11-14cm。
可选的，所述预设角度可调节，调节范围为10-15度。
可选的，所述锥状探测信号在所述悬崖面的投射面积大于在地面的投射面积。
本发明提供一种扫地机器人，包括如上任一所述的距离检测装置。
相对于现有技术，本发明至少具有以下技术效果：
本发明提供的距离检测装置，通过合理计算信号接收装置的位置，利用至少两个个不同接收角度的接收管接收信号能量，并基于接收到信号能量的比例值测量距离，从而准确判断地面状态，减少了不同材料对测量精度的影响，降低了器件成本。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例提供的应用场景示意图；
图2为本公开实施例提供的扫地机器人结构立体图；
图3为本公开实施例提供的扫地机器人结构俯视图；
图4为本公开实施例提供的扫地机器人结构仰视图；
图5为本公开实施例提供的距离检测装置的检测原理示意图；
图6为本公开实施例提供的距离检测装置的结构示意图；
图7为本公开实施例提供的距离检测装置的计算原理示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通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，都属于本公开保护的范围。
应当理解，尽管在本公开实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述某某某，但这些某某某不应限于这些术语。这些术语仅用来将某某某彼此区分开。例如，在不脱离本公开实施例范围的情况下，第一某某某也可以被称为第二某某某，类似地，第二某某某也可以被称为第一某某某。
本公开实施例提供一种可能的应用场景，该应用场景包括自动清洁设备100，例如扫地机器人、拖地机器人、吸尘器、除草机等等。在某些实施例中。在本实施例中，如图1所示，以家用式扫地机器人为例进行说明，在扫地机器人工作过程中，需要实时检测路面200状态，例如可能存在台阶、斜坡等不平坦平面，此时扫地机器人可以通过自身携带的悬崖探测器对前方路面进行探测，并给出精确反馈以免跌入悬崖。在本实施例中，机器人可以设置有触敏显示器或者通过移动终端控制，以接收用户输入的操作指令。自动清洁设备可以设置各种传感器，例如缓冲器、悬崖传感器、超声传感器、红外传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置，机器人还可以设置有WIFI模块、Bluetooth模块等无线通讯模块，以与智能终端或服务器连接，并通过无线通讯模块接收智能终端或服务器传输的操作指令。
如图2所示，自动清洁设备100可通过相对于由主体110界定的如下三个相互垂直轴的移动的各种组合在地面上行进：前后轴X、横向轴Y及中心垂直轴Z。沿着前后轴X的前向驱动方向标示为“前向”，且沿着前后轴X的向后驱动方向标示为“后向”。横向轴Y的方向实质上是沿着由驱动轮模块141的中心点界定的轴心在机器人的右轮与左轮之间延伸的方向。
自动清洁设备100可以绕Y轴转动。当自动清洁设备100的前向部分向上倾斜，后向部分向下倾斜时为“上仰”，且当自动清洁设备100的前向部分向下倾斜，后向部分向上倾斜时为“下俯”。另外，机器人100可以绕Z轴转动。在自动清洁设备100的前向方向上，当自动清洁设备100向X轴的右侧倾斜为“右转”，当自动清洁设备100向X轴的左侧倾斜为“左转”。
如图3所示，自动清洁设备100包含机器主体110、感知系统120、控制系统、驱动系统140、清洁系统、能源系统和人机交互系统180。
机器主体110包括前向部分111和后向部分112，具有近似圆形形状(前后都为圆形)，也可具有其他形状，包括但不限于前方后圆的近似D形形状及前方后方的矩形或正方形形状。
如图3所示，感知系统120包括位于机器主体110上的位置确定装置121、设置于机器主体110的前向部分111的缓冲器122上的碰撞传感器、近距离传感器，设置于机器主体下部的悬崖传感器，以及设置于机器主体内部的磁力计、加速度计、陀螺仪(Gyro)、里程计(ODO，全称odograph)等传感装置，用于向控制系统130提供机器的各种位置信息和运动状态信息。位置确定装置121包括但不限于摄像头、激光测距装置(LDS，全称Laser DirectStructuring)。
如图3所示，机器主体110的前向部分111可承载缓冲器122，在清洁过程中驱动轮模块141推进机器人在地面行走时，缓冲器122经由设置在其上的传感器系统，例如红外传感器，检测自动清洁设备100的行驶路径中的一或多个事件，自动清洁设备100可通过由缓冲器122检测到的事件，例如障碍物、墙壁，而控制驱动轮模块141使自动清洁设备100来对所述事件做出响应，例如远离障碍物。
控制系统130设置在机器主体110内的电路主板上，包括与非暂时性存储器，例如硬盘、快闪存储器、随机存取存储器，通信的计算处理器，例如中央处理单元、应用处理器，应用处理器根据激光测距装置反馈的障碍物信息利用定位算法，例如即时定位与地图构建(SLAM，全称Simultaneous Localization And Mapping)，绘制机器人所在环境中的即时地图。并且结合缓冲器122上所设置传感器、悬崖传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置反馈的距离信息、速度信息综合判断扫地机当前处于何种工作状态、位于何位置，以及扫地机当前位姿等，如过门槛，上地毯，位于悬崖处，上方或者下方被卡住，尘盒满，被拿起等等，还会针对不同情况给出具体的下一步动作策略，使得机器人的工作更加符合主人的要求，有更好的用户体验。
如图4所示，驱动系统140可基于具有距离和角度信息(例如x、y及θ分量)的驱动命令而操纵机器人100跨越地面行驶。驱动系统140包含驱动轮模块141，驱动轮模块141可以同时控制左轮和右轮，为了更为精确地控制机器的运动，优选驱动轮模块141分别包括左驱动轮模块和右驱动轮模块。左、右驱动轮模块沿着由主体110界定的横向轴对置。为了机器人能够在地面上更为稳定地运动或者更强的运动能力，机器人可以包括一个或者多个从动轮142，从动轮包括但不限于万向轮。驱动轮模块包括行走轮和驱动马达以及控制驱动马达的控制电路，驱动轮模块还可以连接测量驱动电流的电路和里程计。驱动轮模块141可以可拆卸地连接到主体110上，方便拆装和维修。驱动轮可具有偏置下落式悬挂系统，以可移动方式紧固，例如以可旋转方式附接，到机器人主体110，且接收向下及远离机器人主体110偏置的弹簧偏置。弹簧偏置允许驱动轮以一定的着地力维持与地面的接触及牵引，同时自动清洁设备100的清洁元件也以一定的压力接触地面10。
清洁系统可为干式清洁系统和/或湿式清洁系统。作为干式清洁系统，主要的清洁功能源于滚刷、尘盒、风机、出风口以及四者之间的连接部件所构成的清扫系统151。与地面具有一定干涉的滚刷将地面上的垃圾扫起并卷带到滚刷与尘盒之间的吸尘口前方，然后被风机产生并经过尘盒的有吸力的气体吸入尘盒。干式清洁系统还可包含具有旋转轴的边刷152，旋转轴相对于地面成一定角度，以用于将碎屑移动到清洁系统的滚刷区域中。
能源系统包括充电电池，例如镍氢电池和锂电池。充电电池可以连接有充电控制电路、电池组充电温度检测电路和电池欠压监测电路，充电控制电路、电池组充电温度检测电路、电池欠压监测电路再与单片机控制电路相连。主机通过设置在机身侧方或者下方的充电电极与充电桩连接进行充电。如果裸露的充电电极上沾附有灰尘，会在充电过程中由于电荷的累积效应，导致电极周边的塑料机体融化变形，甚至导致电极本身发生变形，无法继续正常充电。
人机交互系统180包括主机面板上的按键，按键供用户进行功能选择；还可以包括显示屏和/或指示灯和/或喇叭，显示屏、指示灯和喇叭向用户展示当前机器所处状态或者功能选择项；还可以包括手机客户端程序。对于路径导航型自动清洁设备，在手机客户端可以向用户展示设备所在环境的地图，以及机器所处位置，可以向用户提供更为丰富和人性化的功能项。
本公开实施例提供一种距离检测装置，如图5所示，应用于扫地机器人，其中，距离检测装置中采用的传感器可以是红外传感器、超声传感器、激光传感器等，对此不做限定，只要能满足本实施方案的传感器均属于本公开的保护范围。作为一种举例，本公开实施例提供的悬崖传感器采用的是红外对管的方案进行说明，基本工作过程如下，红外发射光源将红外光以一定的角度照射到地面，红外接收装置根据地面反射回来的红外光的能量大小，计算距离地面的高度，以便判断是否触发悬崖传感器。具体方案如下：
本公开实施例提供一种红外距离检测装置，如图5所示，应用于扫地机器人，包括：
红外光源51，设置于所述扫地机器人100底面54前端边缘附近，便于探测地面55前方的状态，所述红外光源以预设角度发射锥状红外探测光；所述预设角度可调节，通过调整红外光源前方的光阑调节红外光源的角度范围，通常的调节范围为10-15度。红外光源51以锥形光源发射出去，照射到地面55后发生反射，根据地面材质的不同，反射光的强弱和角度范围略有差别，例如光滑的大理石地面反射率高，光源的方向性好，接收器接收到的反射光能量也大，对于地毯等表面则反射率低，接收器接收到的反射光能量也小。可选的，所述红外光源51距离地面的距离为定值，所述定值为1-2cm。
第一红外探测器52，临近所述红外光源51的第一位置设置，用于接收所述红外探测光经地面55反射的反射光；其中，所述第一位置位于所述锥状红外探测光在所述地面的投射面积57最大时对应的位置；由于地面55的不平整性，导致红外光源51距离地面的高度也不等，从而导致锥状红外探测光在所述地面的投射面积57也发生相应的变化，当投影面积最大时，也就是红外光源51离地面最远的时候，此时确定出的第一红外探测器52的位置为上述第一位置，此时的第一位置的反射光能量相应是最弱的(行程越远光能量越弱)，当第一红外探测器52位于此位置仍然能够接收到反射光时，在机器人行走到任何平坦的地面就都可以必然的接收到反射光，因此，此时的第一位置为第一红外探测器52接收反射光的最佳位置，由于可以接收到任意地面的反射光，则便于后续对光能量的比较计算，进而确定悬崖位置，可选的，所述第一位置为红外光源51与第一红外探测器52的间距值，所述间距值为11-14cm。
第二红外探测器53，临近所述第一红外探测器52的第二位置设置，用于接收所述红外探测光经悬崖面反射的反射光；其中，所述第二位置位于所述锥状红外探测光在所述悬崖面的投射面积最大时对应的位置。同样，由于悬崖面56的不平整性，导致红外光源51距离悬崖面的高度也不等，当投影面积最大时，也就是红外光源51离悬崖面56最远的时候，此时确定出的第二红外探测器53的位置为上述第二位置，此时的第二位置的反射光能量相应是最弱的(行程越远光能量越弱)，当第二红外探测器53位于此位置仍然能够接收到反射光时，在机器人行走到任何平坦的地面就都可以必然的接收到反射光，因此，此时的第二位置为第二红外探测器53接收反射光的最佳位置，由于可以接收到任意地面的反射光，则便于后续对光能量的比较计算，进而确定悬崖位置。其中，所述第二位置为第二红外探测器53与第一红外探测器52的间距值，所述间距值为3-5cm。
根据上述第一红外探测器52和第二红外探测器53的位置设置，使得当扫地机器人正常在平坦地面行走时，由于第一位置的准确选择，从红外光源51发射的光都能够实时的被第一红外探测器52接收，不存在由于地面不平而导致第一红外探测器52接收不到反射光的问题。当突然发生第一红外探测器52接收不到反射光的问题时，即说明前面有悬崖产生，此时可以看到第二红外探测器53已经有信号接收到，由于第二红外探测器53位于经过精确计算的第二位置，使得第二红外探测器53可以准确的接收到台阶悬崖反射的光信号。
基于上述第一红外探测器52和第二红外探测器53的位置设计，使得当确定出第一红外探测器52无光信号接收，且第二红外探测器53有光信号接收时，则判断前方出现悬崖，此时可以通知驱动装置停止前进，避免跌入悬崖。
作为另外一种可选的实施例，所述第二红外探测器包括多个，离散的设置于所述第一红外探测器周边，用于接收所述红外探测光经不同深度的悬崖面反射的反射光。例如包括第二个第二红外探测器53，通过第二红外探测器53的设置可以探测不同深度的悬崖。根据几何光学的原理，第一个第二红外探测器52可以探测一定深度的悬崖位置，第二个第二红外探测器53由于距离红外光源51更远，可以探测到更深的悬崖位置。同理，并列设置更多的第二红外探测器就可以探测不同深度的悬崖，例如对于台阶的探测就更加准确。同理，多个第二红外探测器的安装位置的确定方式也是基于最大投影面积进行确定，以保证能够准确获取不同深度的悬崖。多个第二红外探测器的间距可以设置为3-5mm。
作为另外一种可选的实施例，所述第一红外探测器与所述第二红外探测器间设置有遮挡结构，或者，所述多个第二红外探测器间设置有遮挡结构。所述遮挡结构包括但不限于挡片、挡块等，所述遮挡结构用于遮挡各红外探测器之间光的干扰，使得各探测器接收到的光能量更加准确。
作为另外一种可选的实施例，如图6所示，红外距离检测装置还包括：计算装置，通过光电转换单元接收所述第一红外探测器与所述第二红外探测器接收到的反射光能量信号，并计算所述第一红外探测器与所述第二红外探测器接收到的反射光能量比值，根据所述比值确定地面状态。当所述比值为连续变化值，则所述地面为斜坡类型；当所述比值为跳跃式变化时，所述地面为悬崖类型。
具体的，当正常行走时，第一红外探测器接收到的光反射能量值为I，当I突然将为0,则说明前方为悬崖。当I没有突然降为0，而是降为0.6I，说明此时，光斑向第二红外探测器移动了，当此时第二红外探测器接收到的光反射能量值为0.4I，则说明前方是一个斜坡。
如图7所示，根据探测器与地面的高度h1，第一红外探测器接收到的正常地面状态光反射能量值I1,第二红外探测器接收到的悬崖面光反射能量值I2,假设地面光反射率相同，此时信号强调与距离成反比。可以计算得出悬崖的深度h2，具体如下式：
h2＝(I1/I2-1)h1
作为另外的计算方法，当第一探测器和第二探测器均有信号接收时，满足不同高度的探测原理，此时根据探测器与地面的高度h1，信号发射角度a，第一探测器距离信号源的距离a1，第二探测器距离信号源的距离a2，可以计算得出悬崖的深度h2，具体如下式：
h2＝(a2/a1-1)h1
作为另外的实施例，本公开提供一种扫地机器人，扫地机器人包括机器主体110、感知系统120、控制系统130、驱动系统140、清洁系统151、能源系统和人机交互系统180，其中感知系统120包括如上任一所述的红外距离检测装置。
本公开实施例提供的红外距离检测装置，在仍然使用低成本的红外发射和接收二极管的基础上，通过合理计算接收二极管的位置，利用至少两个个不同接收角度的接收管接收红外光能量，判断悬崖位置，并基于接收到红外光能量的比例值测量距离，从而准确判断悬崖深度，减少了不同材料对测量精度的影响，降低了器件成本。
附图中的框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块，该模块包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图中的每个方框、以及框图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件的组合来实现。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，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公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种距离检测装置，应用于扫地机器人，其特征在于，包括：
信号源，设置于所述扫地机器人底面前端边缘附近，所述信号源以预设角度发射锥状探测信号；
第一信号接收器，临近所述信号源的第一位置设置，用于接收所述探测信号经地面反射的反射信号；其中，所述第一位置位于所述锥状探测信号在所述地面的投射面积最大时对应的位置；
第二信号接收器，临近所述第一信号接收器的第二位置设置，用于接收所述探测信号经悬崖面反射的反射信号；其中，所述第二位置位于所述锥状探测信号在所述悬崖面的投射面积最大时对应的位置；
其中，所述第一位置和所述第二位置配置为当所述第一信号接收器能够接收到所述反射信号时所述第二信号接收器无法接收到所述反射信号，当所述第一信号接收器无法接收到所述反射信号时所述第二信号接收器能够接收到所述反射信号。
2.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，所述第二信号接收器包括多个，离散的设置于所述第一信号接收器周边，用于接收所述探测信号经不同深度的悬崖面反射的反射信号。
3.根据权利要求1或2所述的距离检测装置，其特征在于，所述第一信号接收器与所述第二信号接收器间设置有遮挡结构，或者，多个第二信号接收器间设置有遮挡结构。
4.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，还包括：计算装置，接收所述第一信号接收器与所述第二信号接收器接收到的反射信号，并计算所述第一信号接收器与所述第二信号接收器接收到的反射信号的信号强度比值，根据所述信号强度比值确定地面状态。
5.根据权利要求4所述的距离检测装置，其特征在于，所述信号源包括以下至少之一：红外信号源、激光信号源、超声信号源；所述探测信号包括以下至少之一：红外光、激光、超声波。
6.根据权利要求5所述的距离检测装置，其特征在于，所述信号强度比值为光强或声波强度比值。
7.根据权利要求4所述的距离检测装置，其特征在于，所述根据所述信号强度比值确定地面状态，包括：
当所述比值为连续变化值，则所述地面为斜坡类型；当所述比值为跳跃式变化时，所述地面为悬崖类型。
8.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，所述第一信号接收器距离地面的距离为定值，所述定值为1-2cm。
9.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，所述第一位置为定值，所述定值为11-14cm。
10.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，所述预设角度可调节，调节范围为10-15度。
11.根据权利要求1所述的距离检测装置，其特征在于，所述锥状探测信号在所述悬崖面的投射面积大于在地面的投射面积。
12.一种扫地机器人，包括如权利要求1-11任一所述的距离检测装置。
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