CN106155051A - 用于机器人或无人机的避障通讯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避障（或定位导航）和通讯系统，其使用同一组无线收发模块在不同时段分别执行自动避障（或定位导航）和无线通讯功能。本发明克服了现有机器人和无人机系统中的一些不足，减小了体积，减轻了重量，降低了成本，适用于大规模生产。

Description

用于机器人或无人机的避障通讯系统

技术领域

本发明专利涉及到机器人及无人机领域，具体涉及到机器人及无人机中的避障系统、定位导航系统及通讯系统。

背景技术

机器人及无人机可分为遥控式和自主式两个大类。

传统的机器人和无人机都是遥控式，即，通过机器人（或无人机）和遥控器之间的超声、红外或无线通讯，由遥控器向机器人（或无人机）发送指令控制其运动。而机器人（或无人机）的周边环境等信息是由操纵者通过肉眼或望远镜等辅助器械观察，也有一些是通过机载的摄像头等传感器借助通讯系统发送给操纵者。由操纵者对周边环境进行观察判断后，操纵机器人（或无人机）的运动方向，从而躲避周边环境的障碍等。

近年来，自主式机器人及无人机开始受到关注。所谓自主式机器人（或无人机），即可自行避障、定位或导航的机器人（或无人机）。在接受遥控的同时，可以自行躲避运动方向障碍的机器人（或无人机），被视为有一定的自主性。而完全不需要遥控，能够自行定位及导航，自行完成任务的机器人（或无人机），被视为完全的自主式机器人（或无人机）。

目前，自主式机器人（或无人机）的避障、定位和导航技术主要使用激光雷达、声呐、微波、红外等。其中，激光雷达适用于高精度的定位及导航，主要用于自动驾驶汽车及基于机器人（或无人机）的地图绘制中，其缺点是价格较高。声呐和红外只适用于近距离的避障，所以用于扫地机器人、搬运机器人等的避障。而微波可适用于远近各种距离的避障、定位和导航，而且是一种全天候有效的方法，目前的主要应用是辅助驾驶中的防撞、盲点探测、并道探测等。

此外，在机器人及无人机中，通讯系统通常是一个重要的子系统。通讯系统一方面接受从控制端传来的遥控指令等信息，另一方面则将机器人（或无人机）所携带的传感器（如图像传感器等）采集的信息等回传给控制端。

在过去的自主式机器人及无人机中，避障／定位／导航系统和通讯系统一般是分立的，这就导致整体系统相当复杂，而系统重量、体积和功耗也不可避免地大幅度增加。

我们注意到，定向传输的微波是可以用来测距或测速的，同时微波在调制后也是可用于通讯的，所以致力于实现一种更简化的系统结构，即合并机器人或无人机的避障／定位／导航系统和通讯系统。

一方面，定向传输的微波可用来测距或测速，因而通过测量到障碍物的距离等讯息，即可实现避障，定位与导航。现有的微波测距或测速技术有：连续波调制、调频连续波技术、频移键控调制、脉冲调制等。传统的雷达采用连续波技术，通过回波的多普勒效应产生的频率偏移测量待测物体的相对运动速度。一些商用测距雷达采用调频连续波技术，其调频连续波为频率随时间连续变化的无线电波，通过测量频率差值得出无线电波的传播时间，再由此得出待测物体的距离；亦可通过对距离的多次测量获得待测物体的运动速度。而频移键控调制和脉冲调制都是通过测量无线电波传输时间而测出到待测物体的距离，亦可通过对距离的多次测量获得待测物体的运动速度。

另一方面，定向传输的微波也可以用来通讯，由于微波也是一种无线电，经过调制之后的微波可以用来通讯。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前机器人及无人机通讯系统和避障/定位/导航系统的缺陷，提供一种优化其系统架构，简化其硬件的解决方案。

本发明提供一种用于机器人或无人机的系统，其特征在于：使用同一组无线收发模块在不同时段分别执行自动避障和无线通讯功能，或使用同一组无线收发模块在不同时段分别执行定位导航和无线通讯功能。

一般来说，该无线收发模块包括发射天线，接收天线，收发器，和数据处理器；该无线收发模块中设置有控制器，以控制该系统在自动避障和无线通讯模式之间切换，或控制该系统在定位导航和无线通讯模式之间切换。

可选的，在该无线收发模块中设置该控制器，并不需要添加额外的硬件，而是直接由数据处理器的软件程序来实现模式控制的功能。

优选的，本发明系统中的无线收发模块的收发器为双模或多模无线收发器，该无线收发器既能工作在自动避障模式又能工作在通讯模式，或者，既能工作在定位导航模式又能工作在通讯模式。

优选的，本发明系统中的无线收发模块，在自动避障模式和通讯模式这两种模式下，其微波频段接近或相同；或在定位导航模式和通讯模式这两种模式下，其微波频段接近或相同。

优选的，本发明系统中的无线收发模块，其在自动避障模式或定位导航模式下的调制方式为连续波、调频连续波、线性调频、频移键控调制或脉冲调制。

优选的，本发明系统中的无线收发模块，其在通讯模式下的调制方式为ASK，PSK，FSK，QAM，MSK，GMSK，或OFDM。

优选的，本发明中的系统，采用分时技术，在自动避障模式和通讯模式间切换，或在定位导航模式和通讯模式间切换。

优选的，本发明中的系统，设置有唤醒器；当唤醒器接收到唤醒信号后，激活系统在自动避障模式和通讯模式间切换，或在定位导航模式和通讯模式间切换。

优选的，本发明的系统，控制机器人或无人机在每次通讯时间的移动足够小，从而保证机器人或无人机在通讯期间的行驶安全，不发生碰撞。

此外，本发明还提供了一种机器人或无人机，其具有前面所述的自动避障和通讯系统，或定位导航和通讯系统。

与现有的分立的通讯系统和避障/定位/导航系统相比，本发明的系统的避障/定位/导航模式和无线通讯模式共用同一组无线收发模块，而不同模式通过如数据处理器的软件控制等来实现，并通过模式控制进行模式切换，因而简化了硬件，减小了体积，减轻了重量，降低了成本。此外，由于本发明的系统结构相对简洁，其无线收发器可使用成熟商用的集成方案，所以适用于大规模低成本量产；并且由于通讯和避障／定位／导航模式相分离，分别工作于不同的时段，因而双模式之间的性能不会相互干扰，系统的稳定性和精确度更优。

附图说明

图1：本发明实施例中具有自动避障和无线通讯双重功能的系统原理图

图2：本发明一实施例的具有自动避障（或定位导航）和无线通讯双重功能的系统结构示意图

图3：本发明一使用分时进行模式切换的实施例的流程图

图4：本发明中一具有唤醒器的实施例的系统结构示意图

图５：本发明中一使用唤醒信号进行模式切换的实施例的流程图

图６：本发明中一机器人实施例的结构示意图

图７：本发明中一无人机实施例的结构示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来对本发明做进一步说明。

在自动避障／定位／导航功能中，自动避障是对周边环境自动进行反应的最基本的功能，而自动定位导航是具有更高自主性的更高级的功能。比如说，在自动避障功能中，机器人（或无人机）如果检测到障碍物的存在，会停下来等待或者绕开障碍前进；在自动定位功能中，机器人（或无人机）通过测距检测周边区域环境，获得区域地图，并确定自己在所在区域中的位置；而自动导航功能，往往是通过多次检测和定位，实现从区域地图上的一点到目标地点的自动移动，并在移动期间自动避开障碍物。此外，机器人（或无人机）的微波定位导航系统，还可以和GPS等其他定位导航系统结合使用，共同完成定位导航任务。

图1显示了本发明实施例中具有自动避障和无线通讯双重功能的系统原理图。操作者2通过终端设备1远程操控无人机3或机器人4。一方面，在通讯模式时，终端设备1能够和无人机3或机器人4之间进行信号通讯。另一方面，在切换为避障模式时，无人机3或机器人4可向移动方向发射微波，当其探测到障碍5时，会自动进行避障。

类似地，该实施例中的避障功能可以升级为定位导航功能，成为具有定位导航和无线通讯双重功能的系统。当切换为定位导航模式时，无人机3或机器人4向周边环形或扇形区域发射微波，从而获得区域地图，确定自己在所在区域的位置，之后根据所得的区域地图，自动规划合适的前进路线。

图2显示了本发明一实施例的具有自动避障（或定位导航）和无线通讯双重功能的系统结构框图。

终端设备100包括发射天线101、接收天线102、收发器103、数据处理器104、显示器105、控制器106等。其中，发射天线101或接收天线102既可以是单个天线，也可以是分立的天线组。此外，发射天线101和接收天线102可以集成为一体。收发器103可以是分立的接收机和发射机，也可以是集成的。数据处理器104可以是CPU，FPGA，DSP以及它们的组合。控制信号通过控制器106，传到数据处理器104，再进入收发器103被调制成无线信号，通过发射天线101向机器人或无人机200传输。而从接收天线102接收到的数据，则通过收发器103，经过数据处理器104处理后，在显示器105上显示或在其他设备107上告知操作者。

机器人或无人机200在自动避障（或定位导航）模式和无线通讯模式下使用同一组无线收发模块210。该无线收发模块210包括发射天线201，接收天线202，收发器203，和数据处理器204。并且该无线收发模块210中设置有模式控制器208，用于控制系统，尤其是系统中的收发器203和数据处理器204，在通讯模式和避障（或定位导航）模式之间切换。在实际芯片或模块中，模式控制器208可以设置为独立于数据处理器204之外的硬件模块；或者，模式控制器208可以集成在数据处理器204里面，成为数据处理器204的一部分，如和数据处理器204共享一部分硬件设备；再或者，在机器人或无人机200中设置模式控制器208并不需要添加额外的硬件设备，而是直接由数据处理器204的软件程序来实现模式控制的功能。

发射天线201或接收天线202既可以是单个天线，也可以是分立的天线组。此外，发射天线201和接收天线202可以集成为一体。收发器203可以是分立的发射机与接收机，也可以是集成的。一般为双模无线收发器，既可工作在自动避障（或定位导航）模式又可工作在通讯模式。

在自动避障（或定位导航）和无线通讯这两种模式下，微波频段可以接近或相同，可以在两个模式间通用。目前经常被使用的微波频段有24GHz，60GHz，77GHZ等。

在自动避障（或定位导航）和无线通讯这两种模式下，收发器203的调制模式往往不同。比如，避障（或定位导航）模式下的调制方式可以为连续波，调频连续波，线性调频、频移键控调制、脉冲调制等。而通讯模式下的调制方式包括：ASK，PSK，FSK，QAM，MSK，GMSK，OFDM等。

双模无线收发器203的调制模式可以由模式控制器208直接控制双模收发器的控制开关来切换，也可以是模式控制器208通过控制数据处理器对收发器的控制信号来切换。

在无线通讯模式下，接收天线202接到终端设备100发来的无线信号（如指令）后，经收发器203转化为基带信号，再经数据处理器204处理后，传达到执行器206，由执行器206执行相应指令。此外，该机器人或无人机200还可具有附属传感器205，该附属传感器205一般为非微波传感器，负责采集图像、声音、加速度等信息，甚至温度、湿度、压力等测量参数。这些测量信息通过数据处理器204处理后，再经收发器203转换为无线信号，然后由发射天线201发送给终端设备100。

在自动避障模式下，收发器203经发射天线201向移动方向发射微波，遇到障碍物后，微波反射被接收天线202接收，再经过收发器203放大解调，进入数据处理器204进行分析，得到障碍相关信息，如大小、距离、移动速度等。基于该障碍相关信息，数据处理器204判断障碍的性质并向执行器206发送指令，通过执行器206执行对障碍的反应。比如说，执行器206执行的指令可以为暂停等待，同时数据处理器204控制收发器203在间隔一段特定时间后再次发射微波探测，直到探测到障碍离开后，该机器人或无人机200再沿原定路线前进。比如说，当程序中已有多个既定路径可选择时，执行器206执行的指令可以为选择另外一条既定路径前进。此外，当机器人或无人机200自动检测到障碍，并自动暂停等待时，还可以选择将该障碍信息回传给终端设备100，等待操作者决策和给出下一步指令，该设定特别适用于等待时间较长又没有预设另一条备选路径的情况。

类似地，当该实施例中的自动避障功能升级为定位导航功能时，该系统即为具有定位导航和通讯双模式的系统。类似地，在定位导航模式和无线通讯模式下使用同一组无线收发模块210，无线收发模块210中的模式控制器208，能够控制系统，尤其是系统中的收发器203和数据处理器204，在定位导航模式和无线通讯模式之间切换。

在定位导航模式下，收发器203经发射天线201向周边探测区域发射微波，探测区域一般是环形或扇形区域。为提高定位导航精度，这里的天线201和202通常都是窄波束的定向天线，窄波束的定向天线可提供较好的角度分辨率。当附近有障碍物，微波反射会被接收天线202接收，再经过收发器203进入数据处理器204进行分析，得到障碍相关信息，如大小、距离、移动速度等。综合周边环境的障碍相关信息，数据处理器204可对周边的环境构建地图，对自身进行定位。可选地，数据处理器204也可将此处构建的本地地图与预先存储的地图进行比较，确定自己所在位置。如果数据处理器204收到了移动的命令，则可以利用地图自动规划一条路径，再通过执行器206执行自动导航。在自动导航的工作过程中，收发器203多次经发射天线201向周边探测区域发射微波，随时探测周边的障碍情况，多次确定自己所在的位置，并由数据处理器204结合周边的障碍自动修改其路径，直到数据处理器204判断确定到达了目标地点，发出指令让执行器206停止移动。在微波定位过程中，系统可结合其他信息源的数据进行定位，如GPS等；而在微波导航过程中，也可结合其他信息源的数据，如惯性传感器或是执行器206返回的数据等。

进一步地，该实施例可以变形为具有避障模式、定位导航模式和通讯模式三个模式的系统，甚至多个模式的系统。避障模式、定位导航模式和无线通讯模式均使用同一组无线收发模块210，由模式控制器208控制该系统，尤其是该系统中的收发器203和数据处理器204，在三个模式或者多个模式之间切换。

根据系统的实际需求，各个模式之间的切换可以经由多种方式来实现。以下给出两个优选实施例，一个是通过分时，进行自动避障（或定位导航）模式和通讯模式之间的切换，另一个是通过唤醒信号，进行避障模式（或定位导航）和通讯模式之间的切换。

图3展示了一使用分时进行模式切换的实施例的流程图。首先，该机器人（或无人机）与终端设备进行通讯系统的时序上的同步，从而确定机器人（或无人机）每隔一定的时间间隔进入通讯时段，比如每秒种切换一次。此后，当模式控制判断机器人（或无人机）进入了通讯时段，则控制该系统（尤其是系统中的收发器和数据处理器）切换为通讯模式，进行该机器人（或无人机）与终端设备之间的通讯。当模式控制判断机器人（或无人机）不处于通讯时段，那么接着判断是否有自动避障（或定位导航）任务，如果有此任务，则控制该系统（尤其是系统中的收发器和数据处理器）切换到自动避障（或定位导航）模式，进行自动避障（或定位导航）任务，如果没有该任务，则等待到下一个时间节点，再判断是否处在与终端设备同步的通讯时段。

在每个通讯时段，优选机器人（或无人机）的移动足够小，因而不至于在此期间发生碰撞等意外情况。

如果通讯需要传送的数据很多，如上传或下载的数据过多，通讯需要的时间超过了初始设定的时间间隔，如数据处理器预判断通讯需要的时间将超过初始设定的时间间隔，则可以和终端设备确认，从而重新设定通讯系统的时序。此时，机器人（或无人机）可以暂停自动避障（或定位导航）任务，如暂停移动，直到等到通讯完成后再重新启动自动避障（或定位导航）任务。或者，当通讯需要传送的数据很多时，也可以选择将通讯数据分成小的片段，每次通讯时段只传输一小段数据。

图4展示了本发明中一使用唤醒信号进行模式切换的实施例的结构框图。在机器人（或无人机）220的无线收发模块210中，设置有唤醒器226。唤醒器226一般是一种特殊的低功耗接收器，用于接收强度比较强的或经特殊编码的唤醒信号。唤醒器226和收发器223可以是分立的，也可以是集成在一起的。

在本实施例中，当唤醒器226接收到唤醒信号，则激活模式控制器228切换系统（尤其是系统中的收发器223和数据处理器224）的模式。与前文的实施例类似，模式控制器228可选不是额外的硬件设备，而是直接由数据处理器224的软件程序来实现模式控制的功能。

图5展示了一使用唤醒信号进行模式切换的实施例的流程图。首先，系统进行初始化启动。之后，当终端设备发出一个强的或特殊的唤醒信号，接收天线222接收信号并将信号传输到唤醒器226。当唤醒器226收到了唤醒信号，则激活模式切换，将系统（尤其是系统中的收发器223和数据处理器224）切换到通讯模式，进行机器人（或无人机）与终端设备的通讯。当机器人（或无人机）与终端设备的通讯传输完成之后，再次判断是否依然收到唤醒信号。如果唤醒器226没有收到唤醒信号，则接着判断是否有自动避障（或定位导航）任务，如果有此任务，则将系统（尤其是系统中的收发器223和数据处理器224）切换到自动避障（或定位导航）模式，进行自动避障（或定位导航）任务，如果没有该任务，则进入等待状态，等待下一个唤醒信号。

在系统执行避障（或定位导航）任务过程中，唤醒器一直处于工作状态，每当收到了唤醒信号，则暂停避障（或定位导航）任务，并将系统切换到通讯模式。

由于在通讯模式下，机器人（或无人机）不再具有自动避障（或定位导航）功能，所以终端设备的控制需确保机器人（或无人机）在通讯模式下的安全移动，如可选开启遥控避障，或优选机器人（或无人机）在每次通讯时间的移动足够小，从而在通讯期间不发生碰撞等意外情况。

图6为本发明中的一机器人实施例的示意图。

它采用了图3所示的分时技术。其数据处理器包括数据处理单元234和存储单元239。图3流程图中的时序控制、模式切换、通讯模式、避障（或定位导航）模式均由数据处理器控制执行。该实施例中的机器人自带两个附属传感器，一为摄像头235，用于采集图像信号；另一个为红外传感器237，用于采集热源信号，如人，动物等。这两个附属传感器采集的数据经数据处理单元234处理后，存储在存储单元239中。图6中所示执行器236为马达驱动的车轮，此外，该系统还可选具有其他附属的执行器，如机械臂等。此实施例中设置有一个发射天线231，两个接收天线232和238。其中，设置两个或多个接收天线有助于系统获知关于障碍物的更多信息，如方位角等信息。

在避障（或定位导航）模式下，发射天线231、接收天线232和238、收发器233共同组成了微波传感器，该微波传感器和附属传感器235，237均处于数据采集状态，采集来的数据经过数据处理单元234处理后存放在存储单元239中。

由于该机器人与终端设备的通讯系统在时序上的同步，所以经一特定时间后，系统受时序控制自动切换到通讯模式，即，收发器233通过发送天线231以及接收天线232和238与终端设备通讯。如果收到上传数据的指令，数据处理单元234读出存储单元239中存放的数据，并送到收发器233中经过调制后通过发射天线231发射出去。

图7为本发明中的一无人机实施例的示意图。

它采用了图5所示的唤醒信号的技术。它包括一个发射天线241，和三个接收天线242，248和246。其中发射天线241、第一接收天线242、和第二接收天线248与图6中的天线组231、232和238类似，而第三接收天线246则是专门用于唤醒信号的天线，它直接连接唤醒器247。

数据处理器包括数据处理单元234和存储单元239。图5流程图中的模式切换、通讯模式、避障（或定位导航）模式均由数据处理器控制执行。该无人机还包含一个附属传感器，即摄像头245。执行器246为马达驱动的螺旋桨组。

在避障（或定位导航）模式下，发射天线241、接收天线242和248、收发器243共同组成了微波传感器，该微波传感器和摄像头245均处于数据采集状态，采集来的数据经过数据处理单元244处理后存放在存储单元249中。

当第三接收天线246收到了唤醒信号，唤醒器247激活数据处理单元244的模式切换，将系统切换到通讯模式，收发器243通过第一接收天线242和第二接收天线248接收控制终端传来的指令。如果收到上传数据的指令，数据处理单元244读出存储单元249中存放的数据，并送到收发器243中经过调制后通过发射天线241发射出去。

本发明的内容并不局限于以上具体实施例和附图，本领域人员在此基础上，所作的等效替代和简单变形，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于机器人或无人机的系统，其特征在于：使用同一组无线收发模块在不同时段分别执行自动避障和无线通讯功能，或使用同一组无线收发模块在不同时段分别执行定位导航和无线通讯功能。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该无线收发模块包括发射天线，接收天线，收发器，和数据处理器；该无线收发模块中设置有控制器，以控制该系统在自动避障和无线通讯模式之间切换，或控制该系统在定位导航和无线通讯模式之间切换。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：在该无线收发模块中设置该控制器，并不需要添加额外的硬件，而是直接由数据处理器的软件程序来实现模式控制的功能。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于：该无线收发模块的收发器为双模或多模无线收发器，该无线收发器既能工作在自动避障模式又能工作在通讯模式，或者，既能工作在定位导航模式又能工作在通讯模式。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述无线收发模块，在自动避障模式和通讯模式这两种模式下，其微波频段接近或相同；或在定位导航模式和通讯模式这两种模式下，其微波频段接近或相同。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述无线收发模块，在自动避障模式或定位导航模式下的调制方式为连续波、调频连续波、线性调频、频移键控调制或脉冲调制，在通讯模式下的调制方式为ASK，PSK，FSK，QAM，MSK，GMSK，或OFDM。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统采用分时技术，在自动避障模式和通讯模式间切换，或在定位导航模式和通讯模式间切换。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统设置有唤醒器；当唤醒器接收到唤醒信号后，激活系统在自动避障模式和通讯模式间切换，或在定位导航模式和通讯模式间切换。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统被设置为控制机器人或无人机在每次通讯时间的移动足够小，从而保证机器人或无人机在通讯期间的行驶安全。

10.一种机器人或无人机，其具有权利要求1至9任一所述的系统。