CN106527449A

CN106527449A - 避障系统

Info

Publication number: CN106527449A
Application number: CN201611209076.0A
Authority: CN
Inventors: 蒋化冰; 马晨星; 张俊杰; 谭舟; 王振超; 梁兰; 徐志强; 严婷; 郦莉
Original assignee: Shanghai Muye Robot Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Muye Robot Technology Co Ltd
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2036-12-23

Abstract

本发明实施例提供一种避障系统，包括：设置有运动组件的移动体，用于检测地面凹凸起伏状况的检测器，以及根据检测器的检测结果控制运动组件的运动状态的控制器；检测器设置在移动体的外壁上，该外壁包括移动体的面向前进方向的外壁；控制器设置在移动体的内部，且与检测器电连接。通过在移动体面向前进方向的外壁上设置检测器以检测地面凹凸起伏状况，从而基于该凹凸起伏状况控制移动体的运动状态，比如控制移动体停止前行、绕行等，以避免因为该凹凸起伏状况导致移动体倾倒的危险。

Description

避障系统

技术领域

本发明涉及智能控制技术领域，尤其涉及一种避障系统。

背景技术

近年来，机器人技术的发展和人工智能研究不断深入，智能移动机器人在人类生活中扮演越来越重要的角色，在迎宾引导等领域得到广泛应用。

智能移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主导航运动，从而完成预定任务的机器人系统。因此，避障系统是智能移动机器人必备的要素。一般地，避障是基于智能移动机器人上配置的多个避障传感器来检测障碍物而实现的。

但是，对于不同的智能移动机器人来说，影响其正常行走的障碍物却是不尽相同的，也就是说，基于不同智能移动机器人的结构、应用的环境，对某个智能移动机器人来说是影响其正常行走的障碍物，对于另外一个智能移动机器人来说未必是会影响其正常行走的障碍物。

发明人通过对大量移动机器人在不同应用环境中进行行走状态的测试发现：对于某些智能移动机器人来说，可能受限于其行走运动结构的设置，地面的凹凸起伏状况会对其行走产生不同程度的影响，因此，为了防止或者应对智能移动机器人陷入具有凹槽的地面或者摔下台阶等情况，需要提供针对该特定情况的避障解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种避障系统，通过对地面凹凸起伏状况的检测，以避免该凹凸状况对移动体的运动产生不利影响。

本发明实施例提供一种避障系统，包括：

设置有运动组件的移动体，用于检测地面凹凸起伏状况的检测器，以及根据所述检测器的检测结果控制所述运动组件的运动状态的控制器；

所述检测器设置在所述移动体的外壁上，所述外壁包括所述移动体的面向前进方向的外壁；

所述控制器设置在所述移动体的内部，且与所述检测器电连接。

可选地，所述检测器为激光检测器或红外检测器。

可选地，所述检测器包括第一检测器，所述第一检测器相距水平地面的高度为H1，所述移动体对应的安全制动距离为S，则根据如下约束关系设置所述第一检测器的光线发射角度α1：

H1*tanα1≥S。

可选地，所述控制器用于：对比从所述第一检测器接收到的检测距离与参考检测距离，若所述检测距离小于所述参考检测距离，则确定地面处于凸起状态；若所述检测距离大于所述参考检测距离，则确定地面处于凹陷状态，其中，所述参考检测距离为根据所述第一检测器的光线发射角度α1和相距水平地面的高度H1而确定的。

可选地，所述地面处于凸起状态，所述控制器还用于：

若所述参考检测距离与所述检测距离的距离差大于预设距离，则通过控制所述运动组件使所述移动体转向或停止；若所述参考检测距离与所述检测距离的距离差小于所述预设距离，则通过控制所述运动组件使所述移动体继续前行。

可选地，设置所述约束关系具体为H1*tanα1≥S+W，W为预设安全凹槽宽度；

所述地面处于凹槽状态，所述控制器还用于：在通过控制所述运动组件使所述移动体继续前行的距离为W时：若从所述第一检测器接收到的检测距离仍大于所述参考检测距离，则通过控制所述运动组件使所述移动体转向或停止；若从所述第一检测器接收到的检测距离小于所述参考检测距离，则通过控制所述运动组件使所述移动体继续前行。

可选地，所述检测器包括第一检测器和第二检测器；

所述第一检测器和所述第二检测器延所述移动体的纵向轴线方向上下设置在所述外壁上，所述第一检测器相距水平地面的高度小于所述第二检测器相距水平地面的高度；

或者，所述第一检测器和所述第二检测器延所述移动体的横向轴线方向左右紧邻设置在所述外壁上，所述第一检测器和所述第二检测器相距水平地面的高度相同。

可选地，所述第一检测器相距水平地面的高度为H1，所述第二检测器相距水平地面的高度为H2，所述移动体对应的安全制动距离为S，预设安全凹槽宽度为W，则根据如下约束关系设置所述第一检测器的光线发射角度α1和所述第二检测器的光线发射角度α2：

H1*tanα1≥S；

W＝H2*tanα2-H1*tanα1。

可选地，所述控制器用于：若从所述第一检测器接收到的第一检测距离大于第一参考检测距离，且从所述第二检测器接收到的第二检测距离大于第二参考检测距离，则根据所述第一检测距离和所述第二检测距离确定凹槽宽度，若确定的凹槽宽度小于所述预设安全凹槽宽度W，则通过控制所述运动组件使所述移动体继续前行，若确定的凹槽宽度大于所述预设安全凹槽宽度W，则通过控制所述运动组件使所述移动体转向或停止。

可选地，所述移动体为移动机器人，所述运动组件包括滚轮。

本发明实施例提供的避障系统，包括设置有运动组件的移动体，用于检测地面凹凸起伏状况的检测器，以及根据检测器的检测结果控制运动组件的运动状态的控制器。通过在移动体面向前进方向的外壁上设置检测器以检测地面凹凸起伏状况，从而基于该凹凸起伏状况控制移动体的运动状态，比如控制移动体停止前行、绕行等，以避免因为该凹凸起伏状况导致移动体倾倒的危险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的避障系统实施例一的结构示意图；

图2为一种可选的避障控制原理示意图；

图3为本发明实施例提供的避障系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一XXX也可以被称为第二XXX，类似地，第二XXX也可以被称为第一XXX。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

图1为本发明实施例提供的避障系统实施例一的结构示意图，如图1所示，该系统包括：

设置有运动组件11的移动体1，用于检测地面凹凸起伏状况的检测器12，以及根据检测器12的检测结果控制运动组件11的运动状态的控制器13。

本实施例中，可选地，控制器12可以使用各种应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、微中控元件、微处理器或其他电子元件实现。

可选地，实际应用中，检测器12比如可以是激光检测器或红外检测器。

可选地，实际应用中，该移动体1可以为移动机器人，该运动组件11比如可以是滚轮。

具体地，控制器13设置在移动体1的内部，且与检测器12电连接。检测器12设置在移动体1的外壁14上，外壁14包括移动体1的面向前进方向的外壁，以用于检测移动体1前进方向上的地面凹凸起伏状况。

其中，由于检测器12是用于检测移动体1前进方向上的地面凹凸起伏状况的，当该检测器12实现为比如激光检测器、红外检测器时，需要设置检测器12的发射光线的角度指向地面，即检测器12的发射光线方向与移动体1的纵向轴线方向呈锐角。

另外，由于移动体1往往是在行走过程中需要启动避障检测过程，当其检测到影响其正常行走的障碍物时，假设需要控制移动体1停止前行，则如控制行驶中的汽车刹车停止一样，为了避免控制移动体1急速停止导致的倾倒危险，需要控制移动体1减速行走至停止，这样就要去检测器12需要能够检测到前方一定距离处的地面凹凸起伏状况，以保证提前发现影响移动体1其正常行走的凹凸状况，保证有足够的制动距离对移动体1进行制动控制。

值得说明的是，在本发明实施例中，对于移动体1的运动状态的控制，既可以是只要检测到一定程度的地面凹凸起伏状况，就控制移动体1停止前进或者转向绕行，也可以是进一步基于该地面凹凸状况能否被移动体1越过的判定结果，再对移动体1进行停止前进或者转向绕行的控制，以避免过度的避障控制。比如：假设移动体1前进方向某处有一个凹槽，但是该凹槽的宽度是能够被移动体1安全穿过的，此时，则无需控制移动体1停止前行，但是，相反地，如果该凹槽宽度很宽，移动体1无法安全越过，则需要控制移动体1停止前行或转向绕行。

本发明实施例中，为了实现对地面凹凸起伏状况的检测，上述检测器12的数量可以是一个，也可以是多个。图1所示实施例中以一个检测器12为例示意了该检测器12在移动体上的设置情况，图1中，该检测器12表示为A1。

如图1所示，该检测器A1相距水平地面的高度为H1，光线发射角度为α1。其中，一种情况下，该高度H1可以是预先设定的一个高度值，从而为了保证前述说明的安全制动、能够检测到地面起伏状况，需要保证检测器A1的光线发射角度α1满足一定的要求。

具体地，可以根据如下约束关系设置检测器A1的光线发射角度α1：

H1*tanα1≥S，其中，S为移动体对应的安全制动距离，可以预先计算确定。也就是说，要保证检测器A1能够检测到至少S距离远处的地面凹凸起伏状况。实际中，可以根据等于S的情况确定α1的下限，在该下限的基础上，可以加上一个预设的增量角度值，得到实际采用的α1值。

当α1确定之后，基于三角形定理，可以知道当地面水平时，检测器A1发射出光线到地面的长度即参考检测距离为：H1/cosα1，即根据检测器A1的光线发射角度α1和相距水平地面的高度H1可以确定该参考检测距离。

可以理解的是，基于上述约束关系，当α1被预先设定时，由于S已知，也可以求解检测器A1的高度H1，从而在实际安装检测器A1到移动体上时，可以基于上述约束关系实时确定检测器A1安装在什么高度处。但是，由于可能会出现移动体1的实际高度不能满足检测器A1所需高度H1的情况，因此，该种情况适用于移动体1高度较高的情况。

下面结合图2，对如何基于该一个检测器A1的检测结果对移动体1的运动状态进行控制进行说明。

首先，移动体1在前行过程中，检测器A1会向地面发射光线，基于对反射光线长度的计算可以获得检测器A1实时的检测距离，检测器A1将该检测距离发送至控制器13。其次，控制器13对比从检测器A1接收到的检测距离与其对应的参考检测距离，以确定地面的凹凸起伏状况。具体地，若检测距离小于参考检测距离，则确定地面处于凸起状态；若检测距离大于参考检测距离，则确定地面处于凹陷状态。

可选地，若确定地面处于凸起状态，则控制器13可以基于如下的控制策略对移动体1进行运动状态的控制：

若参考检测距离与检测距离的距离差大于预设距离，说明地面凸起状况比较明显，则通过控制移动体1的运动组件11比如图1示意的滚轮使移动体1转向或停止；若参考检测距离与检测距离的距离差小于预设距离，说明凸起程度比较低，移动体1可以越过，则通过控制运动组件11使移动体1继续前行。

相应地，针对地面处于凹陷状态的情况，也可以基于检测距离与参考检测距离的距离差与一定预设距离的比较结果，确定凹陷程度，从而进行与上述控制过程相似的控制处理。

本实施例中，针对凹陷状态，还提供了另一种控制策略，以防止对移动体1的过度避障控制。该控制策略的核心思想是：如果地面凹陷出的凹槽宽度可以被移动体1越过，则无需令移动体1停止前行，否则，如果移动体1无法越过该凹槽，则需令移动体1停止或转向。

基于此，为了实现对凹槽宽度的检测，对检测器A1的光线发射角度α1的要求提出了更高的要求，即此时需要根据如下约束关系设置检测器A1的光线发射角度α1：

H1*tanα1≥S+W，W为预设安全凹槽宽度，即能够被运动体1安全越过的凹槽宽度，该W值可以预先设定。在如图1所示的滚轮行走结构中，W值可以设置为小于或等于滚轮直径的数值。该约束关系表明要保证在检测器A1检测到凹槽宽度时，如果该检测到的凹槽宽度大于W，能够控制移动体1至少相距该凹槽在安全制动距离外。

此时，当移动体1不断前行，当某时刻根据从检测器A1接收到的检测距离确定地面处于凹陷状态时，控制器13通过控制运动组件11使移动体1继续前行，前行期间内不断接收到检测器A1发送的检测距离，如果在控制移动体1继续前行距离W的该期间内检测器A1发送的检测距离都表明地面处于凹陷状态，也就是说，一直到移动体1继续前行W时，若此时从检测器A1接收到的检测距离仍大于参考检测距离，说明该凹槽的宽度大于W，则控制移动体转向或停止；若此时从检测器A1接收到的检测距离小于参考检测距离，则控制移动体继续前行，也就是说，如果在控制移动体1继续前行距离W的期间内，某时刻检测器A1发送的检测距离表明地面不再处于凹陷状态，说明该凹槽宽度较窄，移动体1可以越过。

本实施例提供的避障系统，通过在移动体面向前进方向的外壁上设置检测器以检测地面凹凸起伏状况，从而基于该凹凸起伏状况控制移动体的运动状态，比如控制移动体停止前行、转向绕行等，以避免因为该凹凸起伏状况导致移动体倾倒的危险。而且，为了在保证移动体行进安全的前提下，为了避免过度避障控制导致的移动体使用受限的问题，在地面处于凹陷状态时，进一步结合对凹陷宽度的判定，对移动体的运动状态进行进一步的智能控制，以避免不必要的行走停止或绕行控制。

图3为本发明实施例提供的避障系统实施例二的结构示意图，如图2所示，本实施例与图1所示实施例的不同在于检测器12的设置情况。本实施例中，在移动体1上设置有第一检测器A1和第二检测器A2。

可选地，第一检测器A1和第二检测器A2可以延移动体1的纵向轴线方向上下设置在面向前行方向的外壁14上，此时，第一检测器A1和第二检测器A2相距水平地面的高度不同，假设第一检测器A1相距水平地面的高度小于第二检测器A2相距水平地面的高度。

或者可选地，第一检测器A1和第二检测器A2延移动体1的横向轴线方向左右紧邻设置在该外壁14上，此时，第一检测器A1和第二检测器A2相距水平地面的高度相同。

如图2所示，第一检测器A1被安装在相距水平地面的高度为H1的位置，第二检测器A2被安装在相距水平地面的高度为H2的位置，假设移动体1对应的安全制动距离为S，预设安全凹槽宽度为W，则可以根据如下约束关系设置第一检测器A1的光线发射角度α1和第二检测器A2的光线发射角度α2：

H1*tanα1≥S；

W＝H2*tanα2-H1*tanα1。

从而，基于确定的α1和α2调整第一检测器A1和第二检测器A2，以满足该角度要求。

当α1和α2确定之后，基于三角形定理，可以知道当地面水平时，第一检测器A1发射出光线到地面的长度即第一参考检测距离为：H1/cosα1，第二检测器A2发射出光线到地面的长度即第二参考检测距离为：H2/cosα2。

下面对如何基于该第一检测器A1和第二检测器A2的检测结果对移动体1的运动状态进行控制进行说明。

首先，移动体1在前行过程中，第一检测器A1和第二检测器A2会向地面发射光线，基于对反射光线长度的计算可以分别获得第一检测器A1和第二检测器A2实时的检测距离，第一检测器A1和第二检测器A2将各自得到的第一检测距离和第二检测距离发送至控制器13。

其次，控制器13对比从第一检测器A1接收到的第一检测距离与其对应的第一参考检测距离，以及从第二检测器A2接收到的第二检测距离与其对应的第二参考检测距离，以确定地面的凹凸起伏状况。

具体地，若从第一检测器A1接收到的第一检测距离大于第一参考检测距离，且从第二检测器A2接收到的第二检测距离大于第二参考检测距离，则确定地面处于凹陷状态，且根据第一检测距离和第二检测距离确定凹槽宽度，若确定的凹槽宽度小于预设安全凹槽宽度W，则通过控制运动组件11使移动体1继续前行，若确定的凹槽宽度大于预设安全凹槽宽度W，则通过控制运动组件11使移动体1转向或停止。

实际过程中，同一时刻，可能第一检测器A1的第一检测距离和第二检测器A2的第二检测距离并不一定同时满足大于各自对应的参考检测距离，比如可能会出现第一检测器A1的第一检测距离小于第一参考检测距离，但第二检测器A2的第二检测距离大于第二参考检测距离的情况，此时，控制器13可以控制移动体1减速前行或者不控制，使得移动体1继续保持原来的速度前行，直到第一检测器A1的第一检测距离也大于第一参考检测距离时，基于此时的第一检测器A1的第一检测距离和第二检测器A2的第二检测距离，确定凹槽宽度，以基于凹槽宽度与预设安全凹槽宽度W的比较结果进行上述的控制。

本实施例中，通过在移动体面向前进方向的外壁上设置两个检测器以精确检测地面凹槽的宽度，以基于该凹槽宽度控制移动体的运动状态，比如控制移动体停止前行、转向绕行等，以避免在移动体能够越过地面的凹槽时对移动体不必要的行走停止或绕行控制。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元(诸如各种组件、装置等)可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以产品的形式体现出来，该计算机产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种避障系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测器为激光检测器或红外检测器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测器包括第一检测器，所述第一检测器相距水平地面的高度为H1，所述移动体对应的安全制动距离为S，则根据如下约束关系设置所述第一检测器的光线发射角度α1：

H1*tanα1≥S。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制器用于：对比从所述第一检测器接收到的检测距离与参考检测距离，若所述检测距离小于所述参考检测距离，则确定地面处于凸起状态；若所述检测距离大于所述参考检测距离，则确定地面处于凹陷状态，其中，所述参考检测距离为根据所述第一检测器的光线发射角度α1和相距水平地面的高度H1而确定的。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述地面处于凸起状态，所述控制器还用于：

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，设置所述约束关系具体为H1*tanα1≥S+W，W为预设安全凹槽宽度；

7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述检测器包括第一检测器和第二检测器；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一检测器相距水平地面的高度为H1，所述第二检测器相距水平地面的高度为H2，所述移动体对应的安全制动距离为S，预设安全凹槽宽度为W，则根据如下约束关系设置所述第一检测器的光线发射角度α1和所述第二检测器的光线发射角度α2：

H1*tanα1≥S；

W＝H2*tanα2-H1*tanα1。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制器用于：若从所述第一检测器接收到的第一检测距离大于第一参考检测距离，且从所述第二检测器接收到的第二检测距离大于第二参考检测距离，则根据所述第一检测距离和所述第二检测距离确定凹槽宽度，若确定的凹槽宽度小于所述预设安全凹槽宽度W，则通过控制所述运动组件使所述移动体继续前行，若确定的凹槽宽度大于所述预设安全凹槽宽度W，则通过控制所述运动组件使所述移动体转向或停止。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其特征在于，所述移动体为移动机器人，所述运动组件包括滚轮。