CN106338290A - 一种机器人自主充电的导航系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自主充电的导航系统及方法，包括发射端和接收端，发射端包括一个信号发射控制单元和信号发射器单元，接收端包括信号处理单元和信号接收单元；信号发射控制单元用于控制超声波信号的产生和发射速率；信号发射单元用于将电流信号转换成超声波信号；信号接收单元用于将接收的超声波信号转换成电信号并传输至信号处理单元；信号处理单元用于将信号接收单元产生的电信号进行采集和处理，得到机器人相对于源位置距离与角度。本发明将发射用的换能器作为源的位置，机器人通过计算接受到源发射的超声波到达时间差确定自身位置，省去了无线模块反应和传播及接受的时间，使得计算出来的数据更加准确，且可以定位的范围更大。

Description

一种机器人自主充电的导航系统及方法

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种机器人自主充电的导航系统及方法。

背景技术

超声波在实际中的应用多利用其反射测距的原理。在导航方面的应用以反射方式测量到目标点距离为主，由于声波反射受到目标物体大小、形状和表面光洁度的影响，其测量具有一定的误差。直接利用超声波在空气中传播时间与到达时间差的关系来测量距离目标的距离与方位角可以一定程度上消除由于反射造成的误差。

现有技术中的超声导航模块利用单发送单接收的方式，通过机器人搭载的发射端向外发射超声波，四个接收端固定在空间上方接收超声波信号，并将接收到的信号利用无线模块发送回小车计算到达时间差，从而确定小车当前方位。由于用到无线模块，增加了反应和传播及接受的时间，整体上数据还是存在一定的误差，且定位范围不够大。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种机器人自主充电的导航系统及方法，本发明的目的是利用到达时间差为基础的定位算法，高效的确定机器人当前位置到目标位置的距离和方位，满足机器人在室内复杂环境中的定位需求。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种机器人自主充电的导航系统，包括发射端和接收端，发射端包括一个信号发射控制单元和信号发射器单元，接收端包括信号处理单元和信号接收单元；

信号发射控制单元包括至少一个触发信号控制与产生模块，用于控制超声波信号的产生和发射速率；

信号发射控制单元还与电机驱动模块相连，电机驱动模块在信号发射控制单元的控制下用于驱动电机以一定速度匀速旋转；

信号发射单元包括超声波换能器，用于将电流信号转换成超声波信号；

信号接收单元包含五个超声波换能器，用于将接收的超声波信号转换成电信号并传输至信号处理单元；

信号处理单元包括：信号采集和处理芯片，用于将信号接收单元产生的电信号进行采集和处理，得到机器人相对于源位置距离与角度并将最终数据以串口通讯的方式输出。

进一步的，所述信号发射单元的超声波换能器采用圆柱状换能器，能够产生环状辐射的超声波，发射端将以一定的时间间隔T发出超声波脉冲；

或采用多个平面换能器，在电机的带动下以一定速度高速旋转，在旋转一周的过程中同时连续向外发射超声波脉冲，称为脉冲周，发射端以一定的时间间隔T产生脉冲周。

进一步的，所述超声波换能器与直流/交流电机相连，用于带动超声波换能器旋转。

进一步的，所述信号接收单元旁还设置有温度测量模块，用于测量当前环境温度并传输至信号处理单元，信号处理单元实现当前环境下声速的误差进行补偿。

进一步的，所述五个超声波换能器构成的阵列接收超声波，超声波接收器标记为D1、D2、D3、D4和D5，D1-D3用于数据采集，D4、D5用于方向判定，D1-D3三个超声波按照一定的距离等间隔排成一列，设其间隔为2c，D4、D5位于D1D3垂直平分线上，与D2之间距离为2c。

一种机器人自主充电的导航方法，包括以下步骤：

信号发射控制单元将以一定周期产生脉冲信号，经由信号发射单元发射以一定频率发射超声波信号；

信号接收单元将接受超声波信号并转换成电流信号，信号处理单元将对电流信号进行计数，并计算出当前相对于超声波源的位置；

信号处理单元将机器人相对于源位置距离与角度信息利用串口输出。

进一步的，信号处理单元在接收信号接收单元传输的电流信号的同时还接收温度测量模块测量的当前环境温度，实现对不同温度下超声波速度进行速度校正。

进一步的，在速度校正时，温度与超声速度之间的经验模型：V＝332.5+0.607T_tmp，T_tmp为现场温度，V为实际波速。

进一步的，信号处理单元将记录D1D2和D2D3两组超声波接收端之间的时间差△t1和△t2，以及D4、D5接收到信号的先后顺序，若时间差超过T则将该组数据将丢弃，通过对环境温度的测量，对当前环境下声速的误差进行补偿，求得比较准确的距离差值，最终得到两组补偿后的距离差，D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂。

进一步的，到两定点距离差为定值的点构成双曲线，通过求解D1D2和D2D3构成的双曲线的几何交点可求出机器人相对于源位置距离与角度。

进一步的，求出机器人相对于源位置距离与角度时，以D2为原点，方向为x轴方向建立XOY坐标系，设D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂，D1-D3三个超声波按照一定的距离等间隔排成一列，设其间隔为2c，得到联立式如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-c)}^2}{a_1^2}-\frac{y^2}{c^2-a_1^2}=1\\ \frac{{(x+c)}^2}{a_2^2}-\frac{y^2}{c^2-a_2^2}=1\end{array}\right.$

求解上述公式的解，得到x₀及对应的y₀；

D2超声波传感器距离源的距离以及方向角如下式所示：

$l=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_0}{x_0}$

通过这种方式可以计算源的方向角和距离，从而使机器人可以快速定位和移动。

本发明的有益效果：

本发明将发射用的换能器作为超声波源的位置，机器人通过计算接受到超声波源发射的超声波到达时间差确定自身位置，省去了无线模块反应和传播及接收的时间，使得计算出来的数据更加准确，且可以定位的范围更大。

本发明消除了由于超声波在不确定平面上反射造成的误差，使得测量结果更加准确。

本发明在信号通路上减少了无线信号模块响应与无线传播的时间，使得在结果的获取上更加准确。通过点源向外扩散发射的方式减少了由于反射造成的能量衰减，可以扩大定位的范围。

本发明利用达到时间差为基础的定位算法可以高效的确定机器人当前距离目标的距离和方位角，满足机器人在室内复杂环境中的定位需求。

附图说明

图1圆柱状超声换能器结构图；

图2发射端超声波波面示意图；

图3旋转式超声波发射装置；

图4接收端传感器布局示意图；

图5通过两组距离差数据确定源点；

图6-图7为本发明的发射部分及接收部分的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，包括发射端和接收端，发射端包括一个信号发射控制单元和信号发射器单元，接收端包括信号处理单元和信号接收单元；

信号发射控制单元包括至少一个触发信号控制与产生模块，用于控制超声波信号的产生和发射速率；

信号发射控制单元还与电机驱动模块相连，电机驱动模块在信号发射控制单元的控制下用于驱动电机以一定速度匀速旋转；

信号发射单元包括超声波换能器，用于将电流信号转换成超声波信号；

信号接收单元包含五个超声波换能器，用于将接收的超声波信号转换成电信号并传输至信号处理单元；

信号处理单元包括：信号采集和处理芯片，用于将信号接收单元产生的电信号进行采集和处理，得到机器人相对于超声波位置距离与角度并将最终数据以串口通讯的方式输出。

一种机器人自主充电的导航方法，包括以下步骤：

如图6所示，信号发射控制单元将以一定周期产生脉冲信号，经由信号发射单元发射以一定频率发射超声波信号；

如图7所示，信号接收单元将接受超声波信号并转换成电流信号，信号处理单元将对电流信号进行计数，并计算出当前相对于超声波源的位置；

信号处理单元将机器人相对于源位置距离与角度信息利用串口输出。

其中，本发明中充电坞超声波换能器结构有两种，为了能够产生环状超声波波面，设计采用两种方式实现环状辐射的超声波的发射。

其中一种结构为发射端超声波换能器结构为一种圆柱状换能器，如图1所示。该结构的超声波换能器能够产生环状辐射的超声波，发射端将以一定的时间间隔T发出超声波脉冲，如图2所示。

另一种结构，超声波换能器采用多个平面换能器，在电机的带动下以一定速度高速旋转，如图3所示，在旋转一周的过程中同时连续向外发射超声波脉冲，称为脉冲周。发射端以一定的时间间隔T产生脉冲周。

机器人超声波接收端结构：接收端将采用五个超声波换能器构成的阵列接收超声波，超声波接收器标记为D1、D2、D3、D4和D5，D1-D3用于数据采集，D4、D5用于方向判定。D1-D3三个超声波按照一定的距离等间隔排成一列，设其间隔为2c。D4、D5位于D1D3垂直平分线上，与D2之间距离为2c，如图4所示。同时超声波接收器旁边还有DHT11或者18B20温度测量模块，可以测量当前环境温度，能够对不同温度下超声波速度进行速度校正，即对当前环境下声速的误差进行补偿，可以求得比较准确的距离差值，温度与超声速度之间的经验模型：V＝332.5+0.607T_tmp，T_tmp为现场温度，V为实际波速。从而使测量更加准确。

超声波导航方位角求算方法：接收部分的处理单元将记录D1D2和D2D3两组超声波接收端之间的时间差△t1和△t2，以及D4、D5接收到信号的先后顺序，若时间差超过T则将该组数据将丢弃。最终得到两组补偿后的距离差，D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂。

由数学关系可知，到两定点距离差为定值的点构成双曲线。通过求解D1D2和D2D3构成的双曲线的几何交点可求出机器人相对于超声波源位置的距离与角度，达到快速定位的目的。

计算过程如下：

以D2为原点，方向为x轴方向建立XOY坐标系，如图5所示。设D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂。我们可以得到联立式如式(2.1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-c)}^2}{a_1^2}-\frac{y^2}{c^2-a_1^2}=1\\ \frac{{(x+c)}^2}{a_2^2}-\frac{y^2}{c^2-a_2^2}=1\end{array}\right.---\left(2.1\right)$

为简化书写，令

$m_1=\frac{1}{a_1^2}---\left(2.2\right)$

$m_2=\frac{c^2-a_2^2}{a_2^2(c^2-a_1^2)}---\left(2.3\right)$

$m_3=\frac{a_1^2-a_2^2}{c^2-a_1^2}---\left(2.4\right)$

n₁＝m₁-m₂ (2.5)

n₂＝-(m₁+m₂)·2c (2.6)

n₃＝(m₁-m₂)·c²+m₃ (2.7)

通过带入计算可以得到关于x的二元一次方程，如式2.8所示

n₁x²+n₂x+n₃＝0 (2.8)

该方程组△表示如下

$\mathrm{\Δ}=n_2^2-4n_1{n}_3---\left(2.9\right)$

由式2.9展开形式可知，当测量得到的距离差满足双曲线定义时该方程组有实根。并且由实际物理情形可对信号接收的顺序进行判断，确定源点所在平面象限和相对位置，并对根进行筛选。解得的实根方程组x的解如式2.10和2.11所示。

$x_1=\frac{-n_2+\sqrt{n_2^2-4n_1{n}_3}}{2n_1}---\left(2.10\right)$

$x_2=\frac{-n_2-\sqrt{n_2^2-4n_1{n}_3}}{2n_1}---\left(2.11\right)$

根据实际接收到的数据顺序可以对横坐标进行筛选，得到唯一的x轴坐标x₀。判断依据如下，若D1或D3最先收到信号，则x₀为距离原点较远的那个；若D2先于D1和D3，则x₀为距离原点较近的那个；D1先于D3位于左半平面，反之位于右半平面。

若源点是x₁可以求得对应的y轴坐标为

$y_{11}=\sqrt{\[\frac{{(x_1-c)}^2}{a_1^2}-1\]\·(c^2-a_1^2)}$

$y_{12}=-\sqrt{\[\frac{{\left(x_1-c\right)}^2}{a_1^2}-1\]\·\left(c^2-a_1^2\right)}$

同样可以得到x₂下的y轴坐标

$y_{21}=\sqrt{\[\frac{{(x_2-c)}^2}{a_1^2}-1\]\·(c^2-a_1^2)}$

$y_{22}=-\sqrt{\[\frac{{\left(x_2-c\right)}^2}{a_1^2}-1\]\·\left(c^2-a_1^2\right)}$

利用D4和D2接收到信号的先后关系可以判断超声波源发出的超声波信号到来的方向，得到唯一的y轴坐标y₀。若D4先于D5接收到信号，则y₀为正值，反之y₀为负值。

利用几何关系可以得到D2超声波传感器距离源的距离如式2.12所示以及方向角如式2.13所示

$l=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}---\left(2.12\right)$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_0}{x_0}---\left(2.13\right)$

通过这种方式可以计算超声波源的方向角和距离，从而使机器人可以快速定位和移动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，包括发射端和接收端，发射端包括一个信号发射控制单元和信号发射器单元，接收端包括信号处理单元和信号接收单元；

信号发射控制单元包括至少一个触发信号控制与产生模块，用于控制超声波信号的产生和发射速率；

信号发射控制单元还与电机驱动模块相连，电机驱动模块在信号发射控制单元的控制下用于驱动电机以一定速度匀速旋转；

信号发射单元包括超声波换能器，用于将电流信号转换成超声波信号；

信号接收单元包含五个超声波换能器，用于将接收的超声波信号转换成电信号并传输至信号处理单元；

信号处理单元包括：信号采集和处理芯片，用于将信号接收单元产生的电信号进行采集和处理，得到机器人相对于超声波源位置的距离与角度并将最终数据以串口通讯的方式输出。

2.如权利要求1所述的一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，所述信号发射单元的超声波换能器采用圆柱状换能器，能够产生环状辐射的超声波，发射端将以一定的时间间隔T发出超声波脉冲；

或采用多个平面换能器，在电机的带动下以一定速度高速旋转，在旋转一周的过程中同时连续向外发射超声波脉冲，称为脉冲周，发射端以一定的时间间隔T产生脉冲周。

3.如权利要求1所述的一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，所述超声波换能器与直流/交流电机相连，用于带动超声波换能器旋转。

4.如权利要求1所述的一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，所述信号接收单元旁还设置有温度测量模块，用于测量当前环境温度并传输至信号处理单元，信号处理单元实现当前环境下声速的误差进行补偿。

5.如权利要求1所述的一种机器人自主充电的导航系统，其特征是，所述五个超声波换能器构成的阵列接收超声波，超声波接收器标记为D1、D2、D3、D4和D5，D1-D3用于数据采集，D4、D5用于方向判定，D1-D3三个超声波按照一定的距离等间隔排成一列，设其间隔为2c，D4、D5位于D1D3垂直平分线上，与D2之间距离为2c。

6.采用权利要求1-5任一所述的一种机器人自主充电的导航系统的导航方法，其特征是，包括以下步骤：

信号发射控制单元将以一定周期产生脉冲信号，经由信号发射单元发射以一定频率发射超声波信号；

信号接收单元将接受超声波信号并转换成电流信号，信号处理单元将对电流信号进行计数，并计算出当前相对于超声波源的位置；

信号处理单元将机器人相对于超声波源位置的距离与角度信息利用串口输出。

7.如权利要求6所述的一种机器人自主充电的导航系统的导航方法，其特征是，信号处理单元在接收信号接收单元传输的电流信号的同时还接收温度测量模块测量的当前环境温度，实现对不同温度下超声波速度进行速度校正。

8.如权利要求7所述的一种机器人自主充电的导航系统的导航方法，其特征是，，在速度校正时，温度与超声速度之间的经验模型：V＝332.5+0.607T_tmp，T_tmp为现场温度，V为实际波速。

9.如权利要求8所述的一种机器人自主充电的导航系统的导航方法，其特征是，信号处理单元将记录D1D2和D2D3两组超声波接收端之间的时间差△t1和△t2，以及D4、D5接收到信号的先后顺序，若时间差超过T则将该组数据将丢弃，通过对环境温度的测量，对当前环境下声速的误差进行补偿，求得比较准确的距离差值，最终得到两组补偿后的距离差，D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂；

到两定点距离差为定值的点构成双曲线，通过求解D1D2和D2D3构成的双曲线的几何交点可求出机器人相对于源位置距离与角度。

10.如权利要求9所述的一种机器人自主充电的导航系统的导航方法，其特征是，求出机器人相对于源位置距离与角度时，以D2为原点，方向为x轴方向建立XOY坐标系，设D1D2测得的距离差为a₁，D2D3测得的距离差为a₂，D1-D3三个超声波按照一定的距离等间隔排成一列，设其间隔为2c，得到联立式如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{(x-c)}^2}{a_1^2}-\frac{y^2}{c^2-a_1^2}=1\\ \frac{{(x+c)}^2}{a_2^2}-\frac{y^2}{c^2-a_2^2}=1\end{array}\right.$

求解上述公式的解，得到x₀及对应的y₀；

D2超声波传感器距离源的距离以及方向角如下式所示：

$l=\sqrt{{x_0}^2+{y_0}^2}$

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{y_0}{x_0}$

通过这种方式可以计算源的方向角和距离，从而使机器人可以快速定位和移动。