CN103455145B - 一种用于三维环境感知的传感器组合装置 - Google Patents

Abstract

一种用于三维环境感知的传感器组合装置，涉及移动机器人环境感知技术领域。解决了现有装置由于结构复杂和扫描方式单一，导致扫描精度低的问题。电机驱动器.驱动直流电机转动，转动轴通过轴承与激光传感器支架连接，激光传感器转动架上固定有激光传感器，立板与电机机箱的顶面固定，齿条限位板与立板的一面固定，齿条嵌入所述齿条限位板内，凸轮通过传动机构与齿条的一端连接，齿轮与齿条啮合连接，齿轮通过传动机构与摄像机的底座连接，旋转盘的中心与凸轮的中心通过连接杆固定连接，立板的顶面与和齿轮相邻的侧面的连接处为圆弧状结构，该圆弧状结构的圆弧面上开有滑道，体感传感器的底座架设在滑道上。本发明适用于对三维环境进行扫描。

Description

一种用于三维环境感知的传感器组合装置

技术领域

本发明涉及移动机器人环境感知技术领域。

背景技术

移动机器人环境感知技术快速发展，尤其是环境信息感知技术在环境描述的稳定性和快速性方面取得了很大突破，但简单的二维信息在信息量和精度方面不能满足定位、目标识别及移动作业等任务需求。在上个世纪末期，开始采用激光扫描传感器，如Sick公司的LM200，进行未知环境的模型建立，取得了基于EKF、粒子滤波器等方法，在二维环境取得了一些重要研究成果。在移动机器人应用方面又出现了性价比更高的激光扫描传感器，如HOKUYO的URG-04lx等为代表的小型激光传感器，在二维室内快速环境建模方面得到广泛用。近几年随着传感器技术快速发展，一些大公司开始研究更为小巧的用于立体环境建模、人体、手势特征提取的传感器，如MicroSoft的Kinect，Asus的Xtion体感传感器，目前也在移动机器人领域得到大力应用。激光传感器、体感传感器各有自己的优势，现有的装置都是单独使用，激光传感器测距在4米，而体感有效距离在1-2.5米，二者检测误差都在3cm以上，在家用环境移动机器人的目标定位和抓取作业一般可容忍的误差为1.5cm左右。现有的激光传感器立体扫描装置结构复杂，重量大，不能灵活使用，而将二者融合，进行环境目标提取和建模将提升感知精度，获得更为准确的目标信息，同时在观测视角上也优于单独传感器对目标的观测，对移动机器人环境理解和目标抓取等移动作业具有重要作用。

将激光扫描传感器与体感传感器结合不但是机器人环境感和机器视觉科研领域研究的热点，而且在医学、工业、军事工程、数字电影制作等领域中有重要和广泛的实用意义，具有十分广阔的应用前景。

发明内容

本发明为了解决现有的对三维环境进行感知的装置由于结构复杂和扫描方式单一，从而导致装置的扫描精度低的问题，提出了一种用于三维环境感知的传感器组合装置。

一种用于三维环境感知的传感器组合装置，它包括直流电机、电机驱动器、体感传感器、立板、激光传感器、激光传感器转动架、电机机箱、齿轮、齿条、齿条固定板、凸轮、旋转盘、激光传感器支架和转动轴，

直流电机和电机驱动器均固定在电机机箱的内部，电机驱动器用于驱动直流电机转动，直流电机的转子通过传动机构与转动轴的一端连接，转动轴通过轴承与激光传感器支架连接，所述激光传感器支架固定在电机机箱的顶面，转动轴的另一端通过轴承与激光传感器转动架的转动控制端固定连接，激光传感器转动架上固定有激光传感器，直流电机的转子驱动激光传感器做垂直于转动轴的轴心的圆周运动，该圆周运动的圆心为圆周运动平面与转动轴的轴心的交点，该圆周运动的转动角度为85°-95°。

立板与电机机箱的顶面固定，并且所述立板所在平面平行于转动轴的轴心，齿条限位板9与立板的一面固定连接，齿条嵌入所述齿条限位板9内，凸轮通过传动机构与齿条的一端连接，凸轮用于驱动齿条在竖直方向上做往返运动，齿轮与齿条啮合连接，齿轮通过传动机构与体感传感器的底座连接，旋转盘的中心与凸轮的中心通过连接杆固定连接，立板的顶面与和齿轮相邻的侧面的连接处为圆弧状结构，该圆弧的圆心为齿轮的圆心，所述立板的圆弧状结构的侧面固定有圆弧状的挡板，且所述挡板与立板相互垂直，所述挡板上开有滑道，体感传感器的底座架设在滑道上，激光传感器的激光扫描区域在体感传感器的摄像区域内。

有益效果：本发明的体积小、结构简单、通过旋转体感传感器，可实现两个方位安装使用，通过激光传感器的转动和体感传感器结合实现对三维环境进行扫描，经过融合算法处理使扫描精度提高了一倍以上。

附图说明

图1为一种用于三维环境感知的三维激光扫描装置的主视图；

图2为图1的后视图；

图4为图1的右视图；

图3为具体实施方式一所述的激光传感器3、激光传感器转动架4、激光传感器支架12和转动轴13的连接示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2、图3和图4说明本具体实施方式，一种用于三维环境感知的传感器组合装置，它包括直流电机、电机驱动器、体感传感器1、立板2、激光传感器3、激光传感器转动架4、电机机箱6、齿轮7、齿条8、齿条固定板9、凸轮10、旋转盘11、激光传感器支架12和转动轴13，

直流电机和电机驱动器均固定在电机机箱6的内部，电机驱动器用于驱动直流电机转动，直流电机的转子通过传动机构与转动轴13的一端连接，转动轴13通过轴承与激光传感器支架12连接，所述激光传感器支架12固定在电机机箱6的顶面，转动轴13的另一端通过轴承与激光传感器转动架4的转动控制端固定连接，激光传感器转动架4上固定有激光传感器3，直流电机的转子驱动激光传感器3做垂直于转动轴13的轴心的圆周运动，该圆周运动的圆心为圆周运动平面与转动轴13的轴心的交点，该圆周运动的转动角度为85°-95°。

立板2与电机机箱6的顶面固定，并且所述立板2所在平面平行于转动轴13的轴心，齿条限位板9与立板2的一面固定连接，齿条8嵌入所述齿条限位板9内，凸轮10通过传动机构与齿条8的一端连接，凸轮10用于驱动齿条8在竖直方向上做往返运动，齿轮7与齿条8啮合连接，齿轮7通过传动机构与体感传感器1的底座连接，旋转盘11的中心与凸轮10的中心通过连接杆固定连接，立板2的顶面与和齿轮7相邻的侧面的连接处为圆弧状结构，该圆弧的圆心为齿轮7的圆心，所述立板2的圆弧状结构的侧面固定有圆弧状的挡板14，且所述挡板14与立板2相互垂直，所述挡板14上开有滑道，体感传感器1的底座架设在滑道上，激光传感器3的激光扫描区域在体感传感器1的摄像区域内。

工作原理：电机驱动器用于驱动直流电机，直流电机通过传动机构使转动轴13进行同步转动，转动轴13带动与激光传感器转动架4固定连接的激光传感器3发生±45°摆动，实现激光扫描，同时，通过转动旋转盘11带动凸轮10转动，凸轮10通过传动机构使齿条8在竖直方向运动，齿条限位板9用于限制齿条8的运动范围，齿条8带动与其啮合的齿轮7做旋转运动，齿轮7驱动体感传感器1以齿轮7的圆心、沿滑道做90度的圆周运动，进而控制体感传感器1能够在水平和竖直两个位置上相互交换，进而实现了体感传感器与不同方位激光扫描传感器结合的目的。

本实施方式中，激光传感器3和体感传感器1都能够实现扫描的目的，将两者结合到一个装置中，配合融合算法，提高装置的三维扫描点云精度。

具体实施方式二、结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置的区别在于，它还包括限位挡板15，所述限位挡板15设置在挡板14的下方，该限位挡板15位于体感传感器1的底座的滑动轨迹的延长线上。

本实施方式中，通过设置限位挡板15，实现对体感传感器1在水平位置时的定位。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置的区别在于，它还包括壳体，所述壳体固定在电机机箱6上，所述立板2、齿轮7、齿条8、齿条固定板9和凸轮10均位于壳体内。

本实施方式中增加的壳体实现对部件的防尘和保护。

具体实施方式四、结合图3说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置的区别在于，它还包括USB接口、CAN总线接口和直流DC24V电源接口，所述USB接口、CAN总线接口和直流DC24V电源接口均固定在电机机箱6的侧壁上，直流DC24V电源接口用于电机驱动器与外部供电电源进行连接，激光传感器3和体感传感器1均与USB接口连接，CAN总线接口与电机驱动器连接，USB接口和CAN总线接口均用于与外部控制器连接。

本实施方式中，将本发明、驱动器控制器与控制系统组成三维信息采集与重建系统，通过CAN总线控制直流电机的旋转，使激光传感器3实现三维数据扫描，通过USB总线将体感传感器1和激光传感器3的数据传送至控制器处理，以获取三维环境数据。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置的区别在于，它还包括齿轮盖5，所述齿轮盖5固定在电机机箱6上，所述转动轴13和激光传感器支架12均位于齿轮盖5中。

本实施方式中，通过加入齿轮盖5，能够有效地防止转动轴13和传动机构的接触部位由于灰尘颗粒而导致的机械受损，从而实现了保护转动轴13和传动机构的目的。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置的区别在于，所述挡板14上的滑倒的上端和底端各安装一个自锁装置，用于对体感传感器1在运动至0°位置和90°位置时进行自锁。

Claims (6)

1.一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，它包括直流电机、电机驱动器、体感传感器(1)、立板(2)、激光传感器(3)、激光传感器转动架(4)、电机机箱(6)、齿轮(7)、齿条(8)、齿条限位板(9)、凸轮(10)、旋转盘(11)、激光传感器支架(12)和转动轴(13)，

直流电机和电机驱动器均固定在电机机箱(6)的内部，电机驱动器用于驱动直流电机转动，直流电机的转子通过传动机构与转动轴(13)的一端连接，转动轴(13)通过轴承与激光传感器支架(12)连接，所述激光传感器支架(12)固定在电机机箱(6)的顶面，转动轴(13)的另一端通过轴承与激光传感器转动架(4)的转动控制端固定连接，激光传感器转动架(4)上固定有激光传感器(3)，直流电机的转子驱动激光传感器(3)做垂直于转动轴(13)的轴心的圆周运动，该圆周运动的圆心为圆周运动平面与转动轴(13)的轴心的交点，该圆周运动的转动角度范围为±45°，

立板(2)与电机机箱(6)的顶面固定，并且所述立板(2)所在平面平行于转动轴(13)的轴心，齿条限位板(9)与立板(2)的一面固定连接，齿条(8)嵌入所述齿条限位板(9)内，凸轮(10)通过传动机构与齿条(8)的一端连接，凸轮(10)用于驱动齿条(8)在竖直方向上做往返运动，齿轮(7)与齿条(8)啮合连接，齿轮(7)通过传动机构与体感传感器(1)的底座连接，旋转盘(11)的中心与凸轮(10)的中心通过连接杆固定连接，立板(2)的顶面与和齿轮(7)相邻的侧面的连接处为圆弧状结构，该圆弧的圆心为齿轮(7)的圆心，所述立板(2)的圆弧状结构的侧面固定有圆弧状的挡板(14)，且所述挡板(14)与立板(2)相互垂直，所述挡板(14)上开有滑道，体感传感器(1)的底座架设在滑道上，激光传感器(3)的激光扫描区域在体感传感器(1)的摄像区域内，

电机驱动器用于驱动直流电机，直流电机通过传动机构使转动轴(13)进行同步转动，转动轴(13)带动与激光传感器转动架(4)固定连接的激光传感器(3)发生±45°摆动，实现激光扫描，同时，通过转动旋转盘(11)带动凸轮(10)转动，凸轮(10)通过传动机构使齿条(8)在竖直方向运动，齿条限位板(9)用于限制齿条(8)的运动范围，齿条(8)带动与其啮合的齿轮(7)做旋转运动，齿轮(7)驱动体感传感器(1)以齿轮(7)的圆心、沿滑道做(90)度的圆周运动，进而控制体感传感器(1)能够在水平和竖直两个位置上相互交换，进而实现了体感传感器与不同方位激光扫描传感器结合的目的。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，它还包括限位挡板(15)，所述限位挡板(15)设置在挡板(14)的下方，该限位挡板(15)位于体感传感器(1)的底座的滑动轨迹的延长线上。

3.根据权利要求2所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，它还包括壳体，所述壳体固定在电机机箱(6)上，所述立板(2)、齿轮(7)、齿条(8)、齿条限位板(9)和凸轮(10)均位于壳体内。

4.根据权利要求1所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，它还包括USB接口、CAN总线接口和直流DC24V电源接口，所述USB接口、CAN总线接口和直流DC24V电源接口均固定在电机机箱(6)的侧壁上，直流DC24V电源接口用于电机驱动器与外部供电电源进行连接，激光传感器(3)和体感传感器(1)均与USB接口连接，CAN总线接口与电机驱动器连接，USB接口和CAN总线接口均用于与外部控制器连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，它还包括齿轮盖(5)，所述齿轮盖(5)固定在电机机箱(6)上，所述转动轴(13)和激光传感器支架(12)均位于齿轮盖(5)中。

6.根据权利要求1所述的一种用于三维环境感知的传感器组合装置，其特征在于，所述挡板(14)上的滑道的上端和底端各安装一个自锁装置，用于对体感传感器(1)在运动至0°位置和90°位置时进行自锁。