CN102914777B - 机器人的光电测距装置 - Google Patents

Abstract

一种机器人的光电测距装置，它包括最少一个固定在机器人上的光检测装置和最少一个光发射装置，以及若干根一端朝向机器人前、后、左、右四个方向中的一个，另一端朝向光检测装置或朝向光发射装置的光导，通过光导的换向，原本需朝四个方向设置的光发射装置或光检测装置可改为朝向光导的最少一套光发射装置或光检测装置。

Description

机器人的光电测距装置

技术领域

本发明涉及一种机器人的光电测距装置，主要用于机器人等机电类物体在移动过程中定位纠偏用。

背景技术

机器人在移动过程中往往因为机构本身的缺陷或者地面不平或者轮子间摩擦力不一致等因素引起机器人移动的距离或方向与预计的不一致，因而引起机器人移动的可靠性差，严重影响了机器人的使用。在室内自主移动的机器人或自动导引运输车（Automated Guided Vehicle简称AGV）常用的办法是探测本身离墙壁等边界的距离以确定机器人自身的方位，在实际使用中常常使用超声波或激光测距的方式，因超声波波束角较大等因素，可靠性不高，而激光测距比较可靠，但需在机器人上安装多个，比如全方位或称三自由度移动的机器人最好要安装四套测距装置以测试机器人到前后左右墙壁（边界）的距离，因现有的激光测距仪相对于机器人的其它部件成本较高，尤其对于在室内移动的家用服务机器人来说，降低成本尤其显得重要，在专利号为CN200410014702.1的说明书中描述了一种机器人的测距传感器，需要配置至少一个反射体，对于光电类传感器来说，反射体一般需要涂银，成本稍高，而且装配时需在机器人上设置前后左右四个窗口，对于需要结构紧凑的机器人来说，这种方式会受些限制。

发明内容

本发明的目的在设计一种安装数量尽可能少的又能探测四个方向距离、安装方式灵活的光电测距装置。

本发明的目的是通过下述设计达到的：

一种机器人的光电测距装置，其特征在于它包括最少一个固定在机器人上的光检测装置和最少一个光发射装置，以及若干根一端朝向机器人前、后、左、右四个方向中的一个，另一端朝向光检测装置或朝向光发射装置的光导，也就是用光导代替专利号为CN200410014702.1的说明书中描述反射体，因为光导制作成本相对较低，安装方式比较灵活，在针对可见光或不可见光的测距系统时，相对于反射体来讲更具有优势，比如现在常用的光导——光纤或者廉价的pc材料（工程塑料）光导管（导光管、导光柱），如果使用光纤，就像导线一样基本不占地方，导光管可在物体表面或内部任意弯曲（不能弯折）、任意设置，与其相对的光发射或检测装置安装位置安装方向不受限制。光发射装置发出的信号射向光导，通过光导的导向，光线后射向机器人的前后左右四个方向，在遇到障碍物或墙壁等物体后再反射回来，再通过光导的导引，被设置在机器人上的光敏接收装置接收。由于本发明存在换向装置，原本需朝四个方向设置的光发射装置或光检测装置可改为朝向光导的最少一套光发射装置或光检测装置。

附图说明：

图1为本发明的一种典型的测距装置设置俯视图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明的另一种典型的测距装置设置俯视图。

图4为图3的侧视图。

图5～图17为本发明的几种典型的光导布置示意图。

图18～图20为发明的机器人测距定位示意图。

具体实施方案：

在机器人上固定最少一个光检测装置3和最少一个光发射装置2，以及若干根一端朝向机器人前、后、左、右四个方向中的一个，另一端朝向光检测装置3或朝向激光发射装置2的光导。

光检测装置3可为一个，与其对应的光导1有至少三根，光发射装置2也为一个与其对应的光导1有至少三根，这种方式成本最低，光导一般可设置四根，如图3～5，也可将光发射装置2或光检测装置3直接朝向前后左右中的一个（这种朝向可以减少一根光导1），三根光导1朝向其余三个方向，如图6。这种设置方式的缺点是需要分辨四个距离哪个与前后左右一一对应，对于搭载有其他移动检测传感器的机器人来说，这种方式可行，比如轮式移动的物体有编码盘可检测、或者是一步一步移动（比如用步进电机驱动或有脚类装置）的机器人等。

也可以光检测装置3为一个，与其对应的光导1有至少三根，光发射装置2为两个与其对应的光导1为共有至少两根，如图7～11，一个光发射装置2直接指向物体的前后左右任意一个方向，另一个指向三根光导1，三根光导1指向另三个方向，如图9；也可一个光发射装置2直接指向物体的前后左右任意一个方向，另一个本身指向其余三个方向中的一个，两根光导1指向余下的两个方向，如图10。或者两个光发射装置2分别指向一（如图8）至两（如图7）根光导，两套共两至四根光导包括发射装置本身指向四个方向，可以一套指向前后，一套指向左右，如图1、图2，但光导的弯曲程度较大，如果一套指向前和左、一套指向右和后（或者类似其它组合），虽然弯曲程度较小，但要分辨清对应的哪个方向距离不太方便，较好的光导指向是一套指向前后，一套指向左右，机器人行进中行进方向上的那套光导测距的值变大的就是行进的反方向的测距值，变小的就是行进方向的测距值，如果上述两个测距值的和变大（在一定范围内）了，就是机器人可能走偏了。与行进垂直方向的测距值可作为建立测距地图用，因为墙不一定与行进方向垂直、墙有凹凸、墙与机器人之间有障碍物等因素，与行进垂直方向的测距值一般不能作为机器人走偏的依据。

还可光检测装置3为一个，与其对应的光导1有三至四根，如图5、图6，光发射装置2为三个，其中一个指向一至两根光导（如图11，图12），其余两个指向剩下的两个方向。

光检测装置3为一个，与其对应的光导1有至少三根，光发射装置2为四个（如图14～16），直接朝向机器人前、后、左、右，这种方式虽然安装光发射装置数量较多，但能够清楚地分辨每个方向的距离。

对于常用的二自由度移动（前后和旋转）的机器人来说，可以少设置一个方向的测距装置，同时减少对应的一路光导（包括朝向光发射装置2和光检测装置3各一根）比如设置一对前后和一个左向（或右向）的测距装置，机器人前后移动时靠前后的测距装置，原地90度转弯时比较转弯后左向的测距值是否与转弯前的前后的测距值中的一个是否一致（或者比较转弯前左向的测距值是否与转弯后的前后的测距值中的一个是否一致），这种情况下，光检测装置3可为一个，与其对应的光导1有至少两根，光发射装置2至少两个，朝向机器人前、后、左、右中的至少两个方向。当然这种机器人多设置一路测距装置（也是前后左右四路）也有好处，就是帮助机器人行进过程中建立测距地图对移动中建立的相对位置地图进行校准。

常用的光电测距装置有红外测距和激光测距，红外线会发散，所以聚焦比较重要，而激光测距成本较高，激光发射装置2一般采用激光二极管，激光检测装置3指把光信号转换成电信号的器件，一般采用雪崩光电二极管APD ，也可采用PIN光电二极管。

上述几种组合安装方式也可将光发射装置2和光检测装置3数量的互换，但一般说来激光发射装置成本较低，激光检测装置3成本较高，所以宜采用上述三种方式；而红外的检测装置相对便宜，也可将上述[0013]、[0014]、[0015]、[0016]种方式中的发射装置2和检测装置3互换。比如[0015]就是光发射装置2为一个，与其对应的光导1有至少三根，光检测装置3为四个，直接朝向机器人前、后、左、右。

光导1可为光纤，为了提高检测到的发射光的强度，可在光纤前面设置一凸透镜聚焦5，对于有一定粗细的光导管1来说在，导光管1的前端和末端均可设置聚焦透镜5，还可将较粗的pc材料的光导1的前端和末端加工呈凸面状，前段甚至可加工成喇叭状凸面，末端收束呈针状。在光导和光检测装置之间还可设置滤光片过滤干扰或者滤光材料可以直接添加在光导1或凸透镜5中。光发射装置2或光检测装置3可水平方向设置，也可垂直方向设置，如图1、2，当然也可以其它方向设置，如图13等，光导的弯曲方向就比较小，光发射装置2或光检测装置3可安装在机器人顶部或底部中央位置，当然也可根据需要设置在其它位置——不在中央位置，比如设置在后方或右后方。但对于上述[0016]的安装方式，光发射装置2或光检测装置3最好安装在机器人的中央位置。

一套完整的装置也可看作一张图5或图6与图5、6、7、8、9、10、11、12、13中的一张叠加在一起。

光纤1可分别与激光发射装置2、激光检测装置3合为一体，为光纤激光器。

常用激光测距仪的发射的激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统作为计时的起始点，而所谓的参考信号取样器一般为分光镜或光导，在本发明中也可设置一取样光导4，如图3、图4，也可不设置取样光导4，仅靠经验值取得计时的起始点，或者直接将发射装置2大致对着检测装置3，不过需要过滤掉检测装置3反射回发射装置2，又发射回检测装置3的信号干扰（经验值）。

如果用上述[0012]的安装方式，设置一个发射装置2和一个检测装置3，如图18：机器人在某一时刻开始发射信号波并接收回波，会在4个时间段接收到清晰的回波，测算出机器人离墙壁的距离:d3、d1、d4、d2表示，将测到的d1、d2、d3、d4中的两个或两个以上的距离与预期的距离进行比较，就能相对测定机器人目前的方位。

如果用上述[0013]的安装方式，设置2个发射装置2和一个检测装置3，那么在机器人行走过程中，依次激活2个发射装置2，根据检测装置3的回波就能测出机器人目前离四面墙壁的四个距离中的两对。将测到的与预期的距离进行比较，就能相对测定机器人目前的方位。

如果用上述[0015]的安装方式，设置四个发射装置2和一个检测装置3，那么在机器人行走过程中，依次激活四个发射装置2，根据检测装置3的回波就能测出机器人目前离四面墙壁的四个距离，就能相对测定机器人目前的方位。

如果使用传感器是为了定位，如果机器人与墙壁之间有障碍物，那么如果机器人已经知道到障碍物的预期的距离——机器人已经探测过此障碍物并作过记录，那么定位是有效的；如果机器人找不到预期的距离与探测到的距离进行比较——即预期的距离与探测到的距离之差不在一个允许的范围内，那么这个距离可被记录并被作为以后检测时的参考预期距离，机器人需检测其它方向探测到的距离加以比较，或移过一定距离后再进行探测。有时测到的距离值只有三个或者更少，说明其中可能有一个或几个与其它的距离基本一致。如果测距的前方有镜子，测到的距离可能不准，只要是与预期的距离不准的，均可作为参考，或者舍弃这个值，等到下一次再测，或以其它测距的值作为参考。

如果为了更简单一些知道机器人在行走过程中是向左偏了还是向右偏了，可以在任意一个方向（比如前方）上再设置一个偏置发射装置6，如图17，检测装置3也会多收到一个回波，测得一个距离d5，这个多装的偏置发射装置6与其旁边的发射装置2之间有一个夹角B（固定值，已知），正常情况下d5=d1*secB(正割函数)，如果偏了，若d5> d1*secB，则物体是向左偏了，需向右旋转矫正；若d5< d1*secB则物体是向右偏了（如图19、图20），需向左旋转矫正。如果不这样设置，物体又没有其他传感器辅助定位的话，那么它就需要先向一个方向旋转看看d1变大还是变小了，如果变得更大说明它转反了，需向反方向旋转，直至d1与预期的值接近（在允许的范围内）。

常用的激光测距有两种：脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉冲激光测距的原理是：由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离D后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离。 　　

D=1/2ct 　　式中c为光速，脉冲法精度目前可控制在厘米量级。 　　

相位激光测距的原理是：对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，这种方法精度可达到毫米级。

为简化起见，光发射、光检测装置上的引脚没有标示，传感器信号的发射、接收电路、信号处理过程均有成熟的技术，不加以说明。虽然安装了多个发射或检测装置，但相对应的控制电路只需要一套，用多选一电路进行选择单个逐次发射或接收。光在光导中传输的距离的精确值在整套测距装置中并不重要，可忽略或事先作为常数保存。 

Claims (8)

1.一种机器人的光电测距装置，其特征在于它包括至少一个固定在机器人上的光检测装置（3）和至少一个光发射装置(2)，以及若干根一端朝向机器人前、后、左、右四个方向中一个，另一端朝向光检测装置（3）或朝向光发射装置(2)的光导（1），所述的光导(1)为光纤或导光管，所述的光发射装置（2）的一部分直接朝向光检测装置（3）。

2.根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光检测装置(3)为一个，与其对应的光导（1）有至少三根，光发射装置(2)也为一个，与其对应的光导（1）有至少三根。

3. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光检测装置(3)为一个，与其对应的光导（1）有至少三根，光发射装置(2)为两个，与其对应的光导（1）至少有两根。

4. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光检测装置(3)为一个，与其对应的光导（1）有至少三根，光发射装置(2)为三个，其中一个朝向一至两根光导，另两个朝向机器人前、后、左、右中的两个。

5. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光检测装置(3)为一个，与其对应的光导（1）有至少两根，光发射装置(2)为至少两个，朝向机器人前、后、左、右中的至少两个。

6. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光发射装置(2)为一个，与其对应的光导（1）有至少三根，光检测装置(3)为两个，与其对应的光导（1）至少有两根。

7. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光发射装置(2)为一个，与其对应的光导（1）有至少三根，光检测装置(3)为三个，其中一个朝向一至两根光导，另两个朝向机器人前、后、左、右中的两个。

8. 根据权利要求1所述的一种机器人的光电测距装置，其特征在于所述的光发射装置(2)为一个，与其对应的光导（1）有至少两根，光检测装置(3)为至少两个，朝向机器人前、后、左、右中的至少两个。