CN106182044B

CN106182044B - 一种电子围栏

Info

Publication number: CN106182044B
Application number: CN201510228794.1A
Authority: CN
Inventors: 张周新
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: CN106182044A; WO2016177331A1

Abstract

一种电子围栏，至少有一个发射线状激光的激光发射平台，所述的发射平台上至少有一个线状激光发射头，这个线状激光发射头发出的线状激光的光幕大致垂直于地面，这个光幕就是电子围栏的边，这个发射平台还包含电源、开关，被这个电子围栏约束的机器人搭载着至少一个激光信号检测装置，以及朝向激光信号检测装置的锥形的反射体或者多路光导，激光信号检测装置通过锥形的反射体或者多路光导能将机器人外表被照射到的激光信号弯转集中至激光信号检测装置。机器人一旦通过激光信号检测装置检测到激光信号说明它已处于这个围栏的边缘。

Description

一种电子围栏

技术领域

本发明涉及一种电子围栏，用于为机器人设置一个移动的边界，主要用于将追求遍历的室外机器人的移动范围局限于一个围栏内。

背景技术

追求遍历的室外移动机器人比如打扫公共场所的清洁机器人、割草机器人、收割机器人、排雷机器人的在室外非结构性场合使用时，尚没有好的范围约束机构，尤其在地表不是太平整的场地、在没有边界（比如墙壁或障碍物限制）或者只有局部边界的空旷场地，这个问题更加突出。一种办法是以充电座作为原点（0,0），设置一个长（X）、宽（Y）参数，让机器人在这个长为X、宽为Y的范围内工作，但由于室外地表不平整及机器人移动发生偏差的情况下，以这种方式太过牵强。

发明内容

本发明的目的就是为了在不太平整的场地以及没有边界的空旷场合构建一个结构性区域，约束机器人的移动范围。

本发明是这样设计的: 一种电子围栏，包括至少有一个发射线状激光（又称一字线激光）的激光发射平台，所述的发射平台上至少有一个线状激光发射头，这个线状激光发射头发出的线状激光的光幕大致垂直于地面，这个光幕就是电子围栏的边；这个发射平台还包含电源、开关，被这个电子围栏约束的机器人搭载着至少一个激光信号检测装置，以及朝向激光信号检测装置的锥形的反射体或者多路光导，激光信号检测装置通过锥形的反射体或者多路光导能将机器人外表被照射到的激光信号弯转集中至激光信号检测装置。机器人一旦通过激光信号检测装置检测到激光信号说明它已处于这个围栏的边缘，约定机器人不继续前行越过这个围栏，或者沿着这个围栏的边缘移动。

本发明的好处是线状激光可将激光信号能在地面的垂直方向扩散到一定的高度范围，兼顾一些地面不平的场合，使移动机器人能在高低不同的地表的围栏边界能检测到激光信号。

附图说明

图1~5为本发明设置的电子围栏俯视图。

图6（a、b）、7（a、b、c）为本发明设置的电子围栏一条边正视图。

图8为本发明的电子围栏发射平台（a，b）、反射平台（c）、标杆（d）的示意图。

图9为搭载激光检测装置的机器人示意图（其中a、b分别为方形、圆形机器人俯视图，c为b的后视图）。

图10为机器人上搭载的反射光导及激光检测装置双视图。

实施例

一种电子围栏，包括至少有一个发射线状激光（又称一字线激光）的激光发射平台1，所述的发射平台1上至少有一个线状激光发射头4，这个线状激光发射头4发出的线状激光的光幕大致垂直于地面，这个光幕就是电子围栏的边；这个发射平台1还包含电源、开关，被这个电子围栏约束的机器人5搭载着至少一个激光信号检测装置7，以及朝向激光信号检测装置的锥形的反射体或者多路光导6，激光信号检测装置7通过锥形的反射体或者多路光导6能将机器人5外表被照射到的激光信号弯转集中至激光信号检测装置7。机器人一旦检测到激光信号说明它已处于这个围栏的边缘，约定机器人不继续前行越过这个围栏，或者沿着这个围栏的边缘移动。

在目前室内移动的机器人边界的检测方式中，常用的是美国irobot公司设计的圆锥形反射体，用于从各个角度检测一个虚拟墙发射的红外线。由于红外线是发散传输的，且传输距离短，在室外较大的范围内使用并不合适，但圆锥形反射装置可用，将对应的红外信号检测装置改为相应的激光检测装置即可，可在激光检测装置前（上）增加滤光片及偏振片。在专利CN200410014702还设置了倒金字塔形的反射体、在专利CN201210435690说明书中设置了可弯转的导光管（或光纤），均可搭载在机器人5上用于与激光检测装置7配合，检测发射平台1上的线状激光发射头4发出的相同波长的激光信号。

一束激光从侧面通过一个柱面镜片或者一片波浪面镜片可形成形成扇形光幕，这就是线状激光的产生原理，这种线状激光有一个出光张角，最好选用张角小的线状激光发射头4。扇形光幕的一部分会打到地面上，地面上的激光信号漫反射后一部分信号也会反射到机器人搭载的激光信号检测装置7上，可通过测试对信号的强度设置设置一个阀值，忽略这部分漫反射信号。所谓的线状激光的光幕大致垂直于地面就是说并不是要求线状激光的光幕绝对垂直于地面，倾斜一些也不要紧，但最好是呈“/”字向围栏内倾斜而非“\”字向围栏外倾斜，让光幕的一部分射到地面后，激光信号的大部分是向围栏外反射的。

点状光斑半导体激光器作为发光光源（光束可通过光阑）。再经过鲍威尔棱镜(Powell lens)形成扇形光幕，然后经过菲涅尔透镜(Fresnel lens)可形成一道光强分布均匀的平行光幕。这种激光发射头成本稍高，但平行光幕相对于扇形光幕使用效果更好。

线状激光的发射平台1可有两个线状激光发射头4，两个发射头4之间有一个夹角，夹角一般为90度，如图1，或180度，如图3、图7（c）、图8（b）。线状激光发射头4水平仰角可调节，水平面方向也可旋转，以满足不是方形（带斜边）的环境。

所谓的至少一个发射平台1，是因为在一些场合，机器人5可以检测障碍物（如墙壁、路牙、花圃、灌木丛、河岸等）作为这个围栏的边界，平台本身也是机器人可通过碰撞（或非接触）检测到的障碍物，可作为部分边界，所以最少可使用本发明所述发射平台1一个。对于一些地表凸起或凹陷的不平整的场合，发射平台1可如图7（a、b、c）中的设置方式，图7（a，b）中用的是两边设置两个相对的发射平台,线状激光发射头4的上下角度进行了调整，图7（c）是两边两个相对的发射平台，中间凹陷处另置一个带两个朝向相反方向（夹角为180度）的线状激光发射头4的发射平台1。

电子围栏还可包括至少一个反射平台2，让一个发射平台发出的线状激光经过一个或多个发射面的反射形成一个封闭或局部由障碍物封闭、局部敞开的围栏。如图4，这个围栏包含一个发射平台1和三个反射平台2，构成一个方形围栏；如图5，这个围栏并不一定是方的，也可以是由多条边构成的。反射平台2存在竖向设置的表面光滑的反射板3，如图6、图8（c），反射板3表面可为镜子玻璃或是为涂反射材料的镜面，甚至就是光滑的面板，反射板3可呈平面或凹形，设置凹形的好处是反射板3可对线状激光适当聚焦收束，反射板3的高度可升降调节（反射全部或局部激光线），也可调整倾斜度（通过调节底座支撑脚），以满足放置地点不平的要求；反射板3的位置安装的不一定是反射面，也可以是一条竖向设置的反射棱镜，一般是全反射棱镜，朝向发射平台1的一面是棱镜的一条直角边，朝向另一个反射平台2的是棱镜的另一条直角边，棱镜可用塑料（有机玻璃）或树脂材料或玻璃或水晶等透明材料制作。

这套电子围栏包括两个发射平台1，如图1，也可包括四个发射平台1，如图2，也可包括更多的发射平台1或者多个发射平台1和多个反射平台2。

发射平台1可为柱状、台状、塔状等能平稳放置的形状，包含电源（交流适配器或充电模块或电池）、开关、线状激光发射装置4，电源、开关可设置在发射平台1的底座上，底座可上还设置连接至激光发射头的一个或两个（信号或电源线）插头或插座；电源、开关（全部或部分）也可集成在线状激光发射头4所在的集成模块11上（也就是包含线状激光发射头4的一个盒子），发射平台1上可设置这样的集成模块11一到两个。

整套装置中还可包括激光显示标杆8，标杆表面也光滑（尽量避免漫反射），用于显示围栏的端点，标杆8带一个能平稳放置的底座，标杆8本身呈方形或直角三角形，标杆8可以一直放置或者在围栏设置好后就移走。标杆8并不是必须的，平台本身可做标杆，也可人走过去让激光线照一下找到这个端点即可。这个电子围栏设置的方式可以是在一个端点先放置标杆8，在另一（或两个）个端点放置激光线能打到标杆8的发射平台1，如果这个区域是长方形结构，且发射平台1上有两个夹角为90度的线状激光发射头4，那么在两个能打到标杆8的发射平台1放置好后，第四个长方形的端点就在两路激光线相交处。

发射平台1、反射平台2上可设置指南（北）针、水平矫正仪（尺）、可升降调节底座，所谓升降调节底座可以是平台底部带调节螺丝，能够在放置好平台后把平台调节成水平放置，因为一字线激光并不需要绝对垂直，所以可作为可选项，线状激光发射头4或线状激光发射集成模块11可升降、水平方向可倾斜、水平的角度（相对于南北）可调节、调节高度，升降（调节高度）、倾斜（针对水平方向）、水平角度的调节都是简单技术（线状激光发射头4或线状激光发射集成模块11当做一个相对固定的部件），比如用螺杆（或螺母）旋转即可，升降可类似显微镜的高度调节或者类似化学实验铁架台上试管夹高度、角度的夹持调节方式（如图8（a、b））、需要设置一个线状激光发射头4时，在杆子上夹持一个线状激光发射集成模块11，需要设置两个设置线状激光发射头4时，在杆子上夹持两个线状激光发射集成模块11，两个模块之间呈90度或180度，这种杆子可以是方形管，方便设置角度。

旋转直接用螺杆或转盘，再简单一些：激光头高度升降可用拉杆的方式、旋转拉杆或直接调整底座放置方向调节水平角度、抬升或压下激光头改变其仰角，当然，在调整线状激光发射头4水平方向的角度时，最好连底座放置的方向一起调整，以保证线状激光垂直方向的光幕以几乎垂直方向照到底座（以及反射板顶端的外框）面板上，这部分光幕的反射波能够几乎原路返回至发射平台（可以斜向朝外反射），至少不斜向返回进电子围栏内，也就是说这部分的反射光让机器人对边界的设别不会造成干扰，简单一点，可将底座（以及反射板顶端的外框）面板斜向上设置，也就是呈锥形体，可让反射光斜向上反射。对于以拉杆或旋转拉杆调节激光发射头或反射面高度的平台可以将杆偏向一隅设置，类似图8（c），让反射光不会打到拉杆上，或者拉杆迎光的一面与反射面平行设置。图6、图8（c、d）中的底座仰角是用一根从顶到底贯穿的螺杆9（部分有螺纹）调节的，调节的柄10设置在底座上相对于设置在底座底部（比如冰箱、洗衣机的调节底脚）更方便旋转调节，通过螺杆9的旋转调节底座连带激光发射头的与水平面仰角调节激光光幕的角度，摆放底座的方向调整光幕垂直面上的朝向，此类方法不一一列举。

激光可间隙式发射，如果间隙发射，间隔的时间与机器人移动速度的乘积这个距离也就是机器人搭载的反射体或光导入口12的宽度必须要达到的值，如图10。所述的机器人5并不是要求必须是方的（如图9（a））或者圆（图9（b、c））的，其他形状也可。

线状激光发射头4需要功率较小，在人眼安全范围内，如果高档些发射平台1上的线状激光发射头4（或其集成模块11）还可带遥控转动（上下、左右转动、或整体升降）装置，用于在远端控制围栏的生成，同样反射平台2的反射板3也可遥控逐一设置可左右转动或升降。

Claims

1.一种电子围栏，其特征包括至少有一个发射线状激光的激光发射平台（1），所述的发射平台（1）上至少有一个线状激光发射头（4），这个线状激光发射头（4）发出的线状激光的光幕大致垂直于地面，这个发射平台（1）还包含电源、开关，被这个电子围栏约束的机器人（5）搭载着至少一个激光信号检测装置（7），以及朝向激光信号检测装置（7）的锥形的反射体或者多路光导（6），激光信号检测装置（7）通过锥形的反射体或者多路光导（6）能将机器人（5）外表被照射到的激光信号弯转集中至激光信号检测装置（7）。

2.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征在于线状激光的发射平台（1）有两个线状激光发射头（4），两个线状激光发射头（4）之间有一个夹角，夹角为90度。

3.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征在于线状激光的发射平台（1）有两个线状激光发射头（4），两个线状激光发射头（4）之间有一个夹角，夹角为180度。

4.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征在于这套围栏中存在至少一个反射平台（2），反射平台（2）存在竖向设置的反射面或反射棱镜。

5.根据权利要求4所述的一种电子围栏，其特征在于这套围栏中存在三个反射平台（2）。

6.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征是这套电子围栏包括两个发射平台（1）。

7.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征是这套电子围栏包括四个发射平台（1）。

8.根据权利要求1所述的一种电子围栏，其特征是这套电子围栏还包括至少一个标杆（8），用于显示围栏的端点。