CN104199036B - 测距装置及机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测距装置及机器人系统。该测距装置包括超声波收发模块、温度采样模块、湿度采样模块和处理器，超声波收发模块用于向预设方向发射超声波并接收回波，温度采样模块和湿度采样模块用于测量得到环境温度和湿度，处理器包括一测距模块和一修正模块，修正模块用于根据预设的修正公式、环境温度和环境湿度将标准声速修正为实际声速，测距模块用于获取自超声波收发模块发射超声波至接收到回波的时间间隔、并计算得到障碍物距离。本发明的测距装置及机器人系统，测距的准确性完全不受环境因素影响，尤其在温度和湿度变化较大的情况下仍然能够提供准确的测距能力，这一机器人系统更是能够有效预警以避免冲撞障碍物而导致损坏。

Description

测距装置及机器人系统
技术领域
本发明涉及一种测距装置及机器人系统。
背景技术
现代工业中，测距是一项基本技术，相对于尺子等可见载体，无线测距更加准确、方便，因而得到了广泛的应用。常用的无线测距有激光、超声波、无线电以及涡流等方式，其中超声波测距不受外界光以及磁场影响，能够用于恶劣环境中，故而备受青睐。但是在超声波传播过程中，温度和湿度对声速有很大的影响，这就使得超声波测量精度会受到环境因素较大的影响，无法很好地适用于多种环境，尤其难以应用于水下环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中缺少一种不受环境因素影响，在各种不同的环境下均不影响正常使用以及测量结果准确性的测距装置的缺陷，提出一种测距装置及机器人系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种测距装置，其特点在于，包括超声波收发模块、一温度采样模块、一湿度采样模块和一处理器，超声波收发模块用于向预设方向发射超声波并接收回波，该温度采样模块用于测量得到环境温度，该湿度采样模块用于测量得到环境湿度，该处理器包括一测距模块和一修正模块，该修正模块用于根据预设的修正公式以及该环境温度和该环境湿度将标准声速修正为实际声速，该测距模块用于获取自超声波收发模块发射超声波至接收到回波的时间间隔、并采用距离公式S＝CT/2计算得到预设方向的障碍物距离，该距离公式中S为预设方向的障碍物距离、C为实际声速、T为该时间间隔。
较佳地，该修正公式为C＝331.45*((1+t/273.15)*(1+0.3192*(f(t,w)/p)))1/2，该修正公式中f为一预设函数、w为环境湿度、t为环境温度、C为实际声速、常数p＝1.01325*105。
其中，f(t,w)一项的物理意义可以理解为水蒸汽的分压强。该预设函数f，或者说f(t,w)一项和自变量t、w之间的关系可以通过建表的方式预存在该处理器中。
较佳地，超声波收发模块的数量为若干个，该若干超声波收发模块分别朝向若干个不同的预设方向，该测距装置还包括一数据选择器，该数据选择器的一端连接该若干超声波收发模块、另一端连接至该处理器。这样就实现了朝多个不同方向的测距。
较佳地，该测距模块还包括一驱动单元，该驱动单元用于经该数据选择器向超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动超声波收发模块发射出超声波，该测距装置还包括一回波放大模块，该回波放大模块用于放大超声波收发模块接收到的回波并将放大形成的回波信号返回至该处理器。
较佳地，该驱动单元用于依次循环地向该若干超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动该若干超声波收发模块周期性地发射出超声波。
较佳地，该处理器为STM32F103C8T6型号的单片机，该温度采集模块的型号为DS18B20，该湿度采集模块的型号为DHT11。
较佳地，超声波收发模块的数量为4个，该数据选择器为一双四选一模块。
较佳地，超声波收发模块具有防水超声头，该测距装置的所有外接口均采用航空防水接口，该测距装置的外部采用特种三防漆以浸涂工艺加工。
通过在工艺处理上需在标定后用特种三防漆进行浸涂工艺，且对外接口均为航空防水接口，收发一体超声也选用防水超声头，进而实现整个系统的IP65等级防水，
较佳地，防水超声头采用收发一体式探头，并在收发一体式探头的安装处设置易拆卸防水接口。
超声收发一体头在工艺上考虑其可靠性，选用的是可以长时间工作的收发一体探头，并且在距离安装处设计易拆卸防水接口，可以在小概率更换过程中只换探头前端部分，无需更换整条传输线，而且在线束传输阻抗上做了严格的匹配。
本发明还提供了一种机器人系统，其特点在于，包括上述测距装置和一报警器，该报警器用于接收该测距模块测得的障碍物距离、并在接收到的障碍物距离小于预设的一第一距离阈值时发出报警。
较佳地，还包括一制动开关，该制动开关用于在障碍物距离小于预设的一第二距离阈值时发出报警，该第二距离阈值小于该第一距离阈值。
较佳地，还包括一485通讯模块，用于将该测距模块测得的障碍物距离实时发送至一远程终端。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的测距装置及机器人系统，测距的准确性完全不受环境因素影响，尤其在温度和湿度变化较大的情况下仍然能够提供准确的测距能力，这一机器人系统更是能够有效预警以避免冲撞障碍物而导致损坏。
附图说明
图1为本发明实施例2的机器人系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
参考图1所示，本实施例的测距装置包括超声波收发模块3、一温度采样模块6、一湿度采样模块7和一处理器1，超声波收发模块用于向预设方向发射超声波并接收回波，该温度采样模块6用于测量得到环境温度，该湿度采样模块7用于测量得到环境湿度。应当理解，图1中的报警模块8、制动开关9和485通讯模块10不设于测距装置内。该单片机1包括一测距模块和一修正模块，该修正模块用于根据预设的修正公式以及该环境温度和该环境湿度将标准声速修正为实际声速，该测距模块用于获取自超声波收发模块发射超声波至接收到回波的时间间隔、并采用距离公式S＝CT/2计算得到预设方向的障碍物距离，该距离公式中S为预设方向的障碍物距离、C为实际声速、T为该时间间隔。
其中，该处理器1为STM32F103C8T6型号的单片机1，该温度采集模块6的型号为DS18B20，该湿度采集模块7的型号为DHT11，该超声波收发模块包括超声波发射与回波接收回路3和超声波传感器4。
超声波发射与回波接收回路3和超声波传感器4的数量分别为4个，这4个超声波传感器4分别朝向4个不同的预设方向，该测距装置还包括一数据选择器，该数据选择器的一端连接该4个超声波收发模块、另一端连接至该单片机。该数据选择器2具体为一双四选一模块2。
具体来说，单片机1编程产生一串40kHz的矩形脉冲电压，经四选一模块2加到超声波发射与回波接收电路3，经放大驱动由超声波传感器4发射出超声波，同时单片机开始计时。发射出的超声波碰到障碍物后形成反射波，部分反射波返回作用于超声波传感器，经超声波传感器的声/电转换，变成微弱的电信号，该微弱的电信号经回波调理放大模块5产生负跳变电压，向单片机发出中断请求。
该修正公式为C＝331.45*((1+t/273.15)*(1+0.3192*(f(t,w)/p)))1/2，该修正公式中f为一预设函数、w为环境湿度、t为环境温度、C为实际声速、常数p＝1.01325*105。其中，f(t,w)一项的物理意义可以理解为水蒸汽的分压强。该预设函数f，或者说f(t,w)一项和自变量t、w之间的关系可以通过建表的方式预存在该处理器中。
更具体来说，该测距模块还包括一驱动单元，该驱动单元用于经该数据选择器向超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动超声波收发模块发射出超声波，该测距装置还包括一回波放大模块，该回波放大模块用于自该数据选择器接收并放大超声波收发模块接收到的回波并将放大形成的回波信号返回至该处理器。
该驱动单元用于依次循环地向该4个超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动该4个超声波收发模块周期性地发射出超声波。并且，每个超声波收发模块具有防水超声头，该测距装置的所有外接口均采用航空防水接口，该测距装置的外部采用特种三防漆以浸涂工艺加工。该防水超声头采用收发一体式探头，并在收发一体式探头的安装处设置易拆卸防水接口。该超声收发一体头选用的是可长时间工作的收发一体探头，并且在距离安装处设计易拆卸防水接口，可以在小概率更换过程中只换探头前端部分，无需更换整条传输线，而且在线束传输阻抗上做了严格的匹配。
实施例2
参考图1所示，本实施例的机器人系统包括实施例1的测距装置和一报警模块8、一制动开关9和一485通讯模块10。
该报警模块8用于接收该测距模块测得的障碍物距离、并在接收到的障碍物距离小于预设的一第一距离阈值时发出报警。该制动开关9用于在障碍物距离小于预设的一第二距离阈值时发出报警，该第二距离阈值小于该第一距离阈值。该485通讯模块10用于将该测距模块测得的障碍物距离实时发送至一远程终端。
当机器人系统和障碍物的距离接近安全值时，单片机会输出电平控制报警模块8进行预警。超过安全值时，所述单片机将开启制动开关9，进而停止机器人的移动，确保移动机器人实现无碰撞运行。该系统还设计有长距离抗干扰能力强的485通讯模块10，系统的各通道测距信息和报警状态都能通过通讯接口反馈到机器人控制系统，用以实现蔽障等相应作业。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种测距装置，其特征在于，包括超声波收发模块、一温度采样模块、一湿度采样模块和一处理器，超声波收发模块用于向预设方向发射超声波并接收回波，该温度采样模块用于测量得到环境温度，该湿度采样模块用于测量得到环境湿度，该处理器包括一测距模块和一修正模块，该修正模块用于根据预设的修正公式以及该环境温度和该环境湿度将标准声速修正为实际声速，该测距模块用于获取自超声波收发模块发射超声波至接收到回波的时间间隔、并采用距离公式S＝CT/2计算得到预设方向的障碍物距离，该距离公式中S为预设方向的障碍物距离、C为实际声速、T为该时间间隔；
超声波收发模块的数量为若干个，该若干超声波收发模块分别朝向若干个不同的预设方向，该测距装置还包括一数据选择器，该数据选择器的一端连接该若干超声波收发模块、另一端连接至该处理器；
该处理器产生矩形脉冲电压，该测距模块经该数据选择器向该超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动该超声波收发模块发射出超声波，同时该处理器开始计时；发射出的超声波形成反射波，反射波返回作用于该超声波收发模块，经该超声波收发模块的转换变成电信号，该电信号用于向该处理器发出中断请求，该处理器结束计时，并输出开始计时和结束计时的时间间隔T。
2.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该修正公式为C＝331.45*((1+t/273.15)*(1+0.3192*(f(t,w)/p)))1/2，该修正公式中f为一预设函数、w为环境湿度、t为环境温度、C为实际声速、常数p＝1.01325*105。
3.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该测距模块还包括一驱动单元，该驱动单元用于经该数据选择器向超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动超声波收发模块发射出超声波，该测距装置还包括一回波放大模块，该回波放大模块用于放大超声波收发模块接收到的回波并将放大形成的回波信号返回至该处理器。
4.如权利要求3所述的测距装置，其特征在于，该驱动单元用于依次循环地向该若干超声波收发模块发送脉冲电压、以驱动该若干超声波收发模块周期性地发射出超声波。
5.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，该处理器为STM32F103C8T6型号的单片机，该温度采集模块的型号为DS18B20，该湿度采集模块的型号为DHT11。
6.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，超声波收发模块的数量为4个，该数据选择器为一双四选一模块。
7.如权利要求1所述的测距装置，其特征在于，超声波收发模块具有防水超声头，该测距装置的所有外接口均采用航空防水接口，该测距装置的外部采用特种三防漆以浸涂工艺加工。
8.如权利要求7所述的测距装置，其特征在于，防水超声头采用收发一体式探头，并在收发一体式探头的安装处设置易拆卸防水接口。
9.一种机器人系统，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的测距装置，该机器人系统还包括一报警器，该报警器用于接收该测距模块测得的障碍物距离、并在接收到的障碍物距离小于预设的一第一距离阈值时发出报警。
10.如权利要求9所述的机器人系统，其特征在于，还包括一制动开关，该制动开关用于在障碍物距离小于预设的一第二距离阈值时发出报警，该第二距离阈值小于该第一距离阈值。
11.如权利要求9所述的机器人系统，其特征在于，还包括一485通讯模块，用于将该测距模块测得的障碍物距离实时发送至一远程终端。
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