CN107561529A

CN107561529A - 一种非接触式提供动力的方法及装置

Info

Publication number: CN107561529A
Application number: CN201610504191.4A
Authority: CN
Inventors: 骆德渊; 孙锐; 樊晓港; 乔安成; 杨宏润; 陈祖耀; 石方炎; 张法典; 何秀文; 骆彦澔
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN107561529B

Abstract

本发明涉及一种非接触式提供动力的方法，包括：检测工作区域内的反射率，通过筛选获取反射率大于预设值的区域相对于检测单元的第二反射坐标组；根据所述检测单元相对于工作区域的第一检测坐标，将所述第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从所述第一反射坐标组中筛选出在所述第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；根据所述第一反射坐标和所述第一轨道坐标，非接触式地对三维对象做功。本发明还公开了一种非接触式提供动力的装置。

Description

一种非接触式提供动力的方法及装置

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，尤其涉及一种非接触式提供动力的方法及装置。

背景技术

从自然界提取或合成的能量当中，化石能源便宜且易于使用。但由于化石能源储量无法再生，且难以勘探，现有的化石能源无法维持太久。为了解决这个问题，必须有效地利用现有能源，并同时探索和利用其它清洁和可再生能源，以弥补来自化石的能量。为了尽可能减少能源消耗和利用清洁、可再生能源的意识，在一些特定的应用场景下，例如特定行业工业机器人、极端环境机器人等需要设计为节约能源型的机器人，其本身没有动力源或者仅有非常有限且不能作为动力使用的能源，但可以通过其他装置提供的动力来完成各种任务。然而，由于受制于特定的应用场景或者极端环境，只能通过非接触式地提供动力。

非接触式提供动力的方法主要有风力、磁力等。无论采用哪种方式，提供动力的装置都需要识别、定位、追踪接收动力一方，然后调整提供动力的方式。现有技术中，一般通过微波雷达或激光雷达来测量目标的位置、速度等特征量。传统的激光雷达通常采用形状特征识别、概率关联滤波、卡尔曼滤波等方法对物体进行识别追踪，但是，其算法复杂，对硬件性能要求高，无法应用于实时性要求高的场景，同时导致系统结构复杂体积庞大，降低了移动的灵活性；且其在遇到遮挡或形状近似物体等干扰时容易导致识别的准确率降低。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种准确率和精确度高、抗干扰能力强、实时性高的非接触式提供动力的方法，以及一种准确率和精确度高、抗干扰能力强、结构简单且灵活性高的非接触式提供动力的装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种非接触式提供动力的方法，包括：

检测工作区域内的反射率，通过筛选获取反射率大于预设值的区域相对于检测单元的第二反射坐标组；

根据所述检测单元相对于工作区域的第一检测坐标，将所述第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；

根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从所述第一反射坐标组中筛选出在所述第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；

根据所述第一反射坐标和所述第一轨道坐标，非接触式地对三维对象做功。

优选地，上述预设值为90％。

优选地，上述方法还包括：根据所述检测单元相对于工作区域的第一移动坐标，以及所述检测单元的相对位移距离，获取所述检测单元相对于工作区域的第一检测坐标。

优选地，上述非接触式地对三维对象做功包括：通过风力或者磁力对三维对象做功。

优选地，上述方法还包括：根据所述第一反射坐标和所述第一轨道坐标，改变风力或磁力的大小，或者方向。

一种非接触式提供动力的装置，包括：

检测单元，用于检测工作区域内的反射率；

动力传送单元，用于非接触式地对三维对象做功；

控制单元，与所述检测单元以及所述动力传送单元连接，用于通过筛选获取反射率大于预设值的区域相对于所述检测单元的第二反射坐标组；根据所述检测单元相对于工作区域的第一检测坐标，将所述第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从所述第一反射坐标组中筛选出在所述第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；以及根据所述第一反射坐标和所述第一轨道坐标，控制所述动力传送单元非接触式地对三维对象做功。

优选地，上述装置还包括：

移动单元，与所述控制单元连接，用于使所述提供动力的装置在工作区域内移动；

移动记录单元，与所述移动单元连接，用于记录所述检测单元相对于工作区域的第一移动坐标；和/或，

相对位移单元，与所述控制单元、检测单元以及动力传送单元连接，用于使所述检测单元以及所述动力传送单元产生相对位移，记录所述检测单元的相对位移距离。

优选地，上述检测单元包括：一维激光雷达或一维微波雷达。

优选地，上述动力传送单元包括：风力涵道或电磁驱动器。

优选地，上述移动记录单元包括陀螺仪码盘。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过在预设的反射率可控的工作区域内采集独一无二的高反射率特征，即反射率大于预设值的区域的反射坐标组，一方面减少了对环境特征连续性的依赖，提高了追踪识别的准确率和精确度，增强了抗干扰能力；另一方面，同时简化了识别特征的数量，因此，降低了算法复杂度，减少了计算量，从而缩短了计算时间，提高了追踪识别的实时性；而且，根据轨道坐标筛选出在轨道坐标区域内的反射坐标，进一步地提高了追踪识别的准确率；由于减少了计算量，进而降低了对计算资源的要求，简化了装置的结构，增强了装置移动的灵活性；通过将雷达和陀螺仪码盘结合运用，进一步提高了雷达追踪识别的抗干扰能力和精度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种非接触式提供动力的方法的流程框图；

图2是本发明实施例二提供的一种非接触式提供动力的装置结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的一种非接触式提供动力的装置结构示意图；

图4是本发明实施例四提供的一种非接触式提供动力的方法的流程图；

图5是本发明实施例五提供的一种非接触式提供动力的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的方法，应用于预设的工作区域，在工作区域中设置有轨道，提供动力的装置非接触式地对三维对象做功，使三维对象沿着该轨道移动，其中，该轨道是由诸如直道、弯道、坡道、螺旋坡道等组成的三维轨道。将工作区域内的一点设置为原点建立直角坐标系，则可以通过多组三维轨道坐标来表示该三维轨道在工作区域的具体位置；三维对象上设置有高反射率的平面反射板。

如图1所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤101：检测工作区域内的反射率，通过筛选获取反射率大于预设值的区域相对于检测单元的第二反射坐标组；

具体地，通过检测单元检测工作区域内的反射率，筛选出，例如，反射率大于90％的区域对应的坐标组。由于该坐标组是通过检测单元获取的，因此，这些坐标可以表示为以检测单元为原点建立的极坐标系中的坐标，例如，包括与检测单元的距离，以及角度的极坐标。

步骤102：根据检测单元相对于工作区域的第一检测坐标，将第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；

在优选的实施例中，可以根据检测单元相对于工作区域的第一移动坐标，以及检测单元的相对位移距离，获取检测单元相对于工作区域的第一检测坐标；

其中，检测单元可移动地设置在提供动力的装置上，一方面，提供动力的装置可以在工作区域内移动，另一方面，检测单元也可以相对于提供动力的装置中控制单元产生相对位移；因此，可以通过提供动力的装置上记录的相对于工作区域的第一移动坐标，加上或者减去检测单元的相对位移距离，获取检测单元相对于工作区域的第一检测坐标；

进一步地，在第一检测坐标的基础上，可以通过极坐标到直角坐标的转换将第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；

步骤103：根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从第一反射坐标组中筛选出在第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；

由于工作区域内可能有不止一个设置有高反射率的平面反射板的三维对象，但是预设的轨道内同时只能有一个目标三维对象，因此，通过筛选确定第一反射坐标组中在第一轨道坐标区域内的第一反射坐标，即可确定在轨道内唯一的目标三维对象的反射板相对于工作区域的坐标；

步骤104：根据第一反射坐标和第一轨道坐标，非接触式地对三维对象做功；

在优选的实施例中，可以通过风力涵道产生的风力对三维对象的反射板做功；也可以通过电磁驱动器产生的磁力对三维对象的反射板做功，相应地，反射板上设置有对应的电磁感应装置。

具体地，可以根据第一反射坐标，即三维对象中反射板相对于工作区域的坐标，使提供动力的装置移动到距离三维对象的预设距离的位置；

进一步地，结合第一轨道坐标，可以确定三维对象在轨道上的具体位置和姿态，例如上坡时，反射板会根据轨道的倾斜度产生对应倾斜的反射区域；相应地，还可以根据上坡、下坡、转弯等轨道位置改变风力或磁力的大小，或者方向。

上述实施例中，通过在预设的反射率可控的工作区域内采集独一无二的高反射率特征，即反射率大于预设值的区域的反射坐标组，一方面减少了对环境特征连续性的依赖，提高了追踪识别的准确率和精确度，增强了抗干扰能力；另一方面，同时简化了识别特征的数量，因此，降低了算法复杂度，减少了计算量，从而缩短了计算时间，提高了追踪识别的实时性；根据轨道坐标筛选出在轨道坐标区域内的反射坐标，进一步地提高了追踪识别的准确率。

实施例二

如图2所示，本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的装置，包括：

检测单元201，用于检测工作区域内的反射率；具体地，检测单元201可以包括：一维激光雷达、一维微波雷达等；

动力传送单元202，用于非接触式地对三维对象做功；具体地，可以包括风力涵道或电磁驱动器；

控制单元203，与检测单元201以及动力传送单元202连接，用于通过筛选获取反射率大于预设值的区域相对于检测单元201的第二反射坐标组；根据检测单元201相对于工作区域的第一检测坐标，将第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从第一反射坐标组中筛选出在第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；以及根据第一反射坐标和第一轨道坐标，控制所述动力传送单元202。

在优选的实施例中，该提供动力的装置还可以包括：

移动单元204，与控制单元203连接，用于使提供动力的装置在工作区域内移动；具体地，例如移动单元204可以采用履带驱动单元、万向轮组等；以及，与移动单元204连接的移动记录单元205，用于记录检测单元201相对于工作区域的第一移动坐标；优选地，移动记录单元205可以采用陀螺仪码盘来记录相对于工作区域的第一移动坐标。

在特定的应用场景下，提供动力的装置的位置可以相对于工作区域固定，仅使动力传送单元202以及检测单元201在相对于控制单元203产生相对位移。此时，就可以仅设置相对位移单元206，而无需设置移动单元204和移动记录单元205；相对位移单元206与控制单元203、检测单元201以及动力传送单元202连接，用于使检测单元201以及动力传送单元202产生相对位移，并记录检测单元201的相对位移距离，例如，使检测单元201以及动力传送单元202在水平方向，垂直方向上位移，并记录相应地位移距离。

实施例三

图3示出了本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的装置，以及一种接受动力的目标三维对象的示例。

如图3所示，该非接触式提供动力的装置中，激光雷达301和风力涵道302设置在相对位移单元306的横轴3061两侧，激光雷达301和风力涵道302可以沿着相对位移单元306的横轴3061水平移动，横轴3061也可以沿着相对位移单元306的纵轴3062垂直移动；相对位移单元306能够将记录的水平位移距离和垂直位移距离发送给控制单元303。

相对位移单元306垂直设置在控制单元303的外壳上；万向轮组304和陀螺仪码盘305设置在控制单元303的外壳底部。陀螺仪码盘305能够将记录的移动坐标发送给控制单元303。

实施例四

下文结合图3和图4，对本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的方法和装置进行详细说明，其中各个步骤可以分别单独执行，并行执行，或者按照特定的顺序执行：

步骤401：激光雷达301检测工作区域内的反射率；

步骤402：控制单元303判断工作区域内是否存在高反射干扰；

具体地，在有的应用场景中，需要提前判断工作区域中是否只有一个高反射三维对象；在另一些应用场景中，需要检测工作区域中是否存在诸如裸露的高反射金属等干扰物；

当判断结果为否时，即确定工作区域内仅有的一个高反射的三维对象为目标三维对象，执行步骤403；当判断结果为是时，即工作区域内可能存在不止一个高反射三维对象，执行步骤404；

步骤403：控制单元303通过筛选获取反射率大于90％的区域相对于检测单元的第二反射坐标；因为工作区域内的高反射对象唯一，即目标三维对象，因此，可以直接获取目标三维对象相对于激光雷达301的距离和角度；

进一步地，在获取目标三维对象的第二反射坐标之后，可以执行与步骤408类似的转换，将第二反射坐标转换为相对于工作区域的第一反射坐标，然后执行步骤409；

步骤404：控制单元303通过筛选，获取反射率大于90％的区域相对于检测单元的第二反射坐标组；由于可能存在多个高反射的三维对象，其中，每组第二反射坐标分别表示一个三维对象相对于激光雷达301的距离和角度；

步骤405：相对位移单元306记录包括水平位移距离和垂直位移距离的相对位移距离，并发送给控制单元303；

步骤406：陀螺仪码盘305记录移动坐标，并发送给控制单元303；例如，记录控制单元303在各个方向上移动的距离，即可获得相对于工作区域的移动坐标；

步骤407：控制单元303根据收到的包括水平位移距离和垂直位移距离的相对位移距离，以及移动坐标，获取激光雷达301相对于工作区域的第一检测坐标；即，激光雷达301在检测时相对于工作区域直角坐标；

步骤408：将第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；

具体地，由于每组第二反射坐标分别表示一个高反射三维对象相对于激光雷达301的距离和角度，在已经获取激光雷达301相对于工作区域直角坐标的情况下，控制单元303过极坐标到直角坐标的转换将第二反射坐标组转换为相对于工作区域的第一反射坐标组；即可以确定多个高反射三维对象各自相对于工作区域的直角坐标；

步骤409：控制单元303根据预设的相对于工作区域的第一轨道坐标，从第一反射坐标组中筛选出在第一轨道坐标区域内的第一反射坐标；即，从多个高反射的三维对象中筛选出在预设轨道内的目标三维对象，获取目标三维对象相对于工作区域的直角坐标；

步骤410：可以通过比较连续执行上述步骤所获取的多组第一反射坐标差值，及预设的偏置参数，修正所获取的第一反射坐标，以减小累积的测量误差；

步骤411：根据目标三维对象相对于工作区域的直角坐标，即第一反射坐标，通过万向轮组304使提供动力的装置移动到距离目标三维对象预设距离的位置；

步骤412：结合第一轨道坐标，控制单元303可以确定目标三维对象在轨道上的具体位置和姿态；

例如，根据第一反射坐标和第一轨道坐标可以判断，目标三维对象正处于上坡位置，且坡度为30度，坡长1米；

步骤413：控制单元303控制风力涵道302向上倾斜30度，持续提高转速0.2秒，非接触式地向目标三维对象提供动力，使目标三维对象以预定的速度沿着预设的相对于工作区域的第一轨道坐标行驶。

实施例五

本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的装置中，检测单元采用SICKTIM561/TIM551一维激光雷达，可以检测室内外工作区域270度10米的范围的反射率数据、距离以及角度，其中，距离测量精度可以达到正负60毫米；控制单元采用STM32F407单片机，并通过轻型网络通讯协议(Light Weight IP，LWIP)与SICK TIM561/TIM551一维激光雷达进行通信，获取激光雷达检测的数据；移动记录单元采用陀螺仪码盘，通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线与STM32F407单片机连接。如图5所示的本发明一实施例提供的一种非接触式提供动力的方法的主要包括以下步骤：

步骤501：SICK TIM561/TIM551一维激光雷达检测工作区域内的反射率，获取检测数据，例如，一帧包含工作区域内各个位置的反射率及其极坐标的数据；其中，SICKTIM561/TIM551一维激光雷可以在5毫秒内完成数据的检测获取；

步骤502：SICK TIM561/TIM551一维激光雷通过LIWP将获取的数据发送给STM32F407单片机；其中，发送数据的时间间隔可以达到67毫秒；

步骤503：陀螺仪码盘获取移动数据；

具体地，在初始位置，例如工作区域的原点，将陀螺仪码盘级数清零，然后当提供动力的装置移动时，记录其在各个方向上移动的距离，即可获得相对于工作区域的坐标；

步骤504：陀螺仪码盘通过CAN总线发送获取的移动数据给STM32F407单片机；

步骤505：STM32F407单片机对接收到的数据进行处理；例如，如上述实施例中提到的坐标筛选及转换等；其中，由于雷达能够在5毫秒内完成数据的检测获取，67毫秒内完成数据发送，考虑仅采集了特定反射率的数据，STM32F407单片机可以在8毫秒内完成数据处理，因此，可以在80毫秒内完成一帧数据的处理；

步骤506：STM32F407单片机根据数据处理结果控制动力传送单元；例如控制风力涵道的风速和角度等。

上述实施例中，通过在预设的反射率可控的工作区域内采集独一无二的高反射率特征，一方面减少了对环境特征连续性的依赖，提高了追踪识别的准确率和精确度，增强了抗干扰能力；另一方面，同时简化了识别特征的数量，因此，降低了算法复杂度，减少了计算量，从而缩短了计算时间(例如，上述实施例中一帧数据的处理时间可以降低到80毫秒以下)，提高了追踪识别的实时性；而且，由于减少了计算量，进而降低了对计算资源的要求(例如，上述实施例中STM32F407单片机即可满足全部计算需求)，简化了装置的结构，增强了装置移动的灵活性；通过将激光雷达和陀螺仪码盘结合运用，进一步提高了激光雷达追踪识别的抗干扰能力和精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种非接触式提供动力的方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的非接触式提供动力的方法，其特征在于，所述预设值为90％。

3.根据权利要求1所述的非接触式提供动力的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述检测单元相对于工作区域的第一移动坐标，以及所述检测单元的相对位移距离，获取所述检测单元相对于工作区域的第一检测坐标。

4.根据权利要求1至3任一项所述的非接触式提供动力的方法，其特征在于，所述非接触式地对三维对象做功包括：通过风力或者磁力对三维对象做功。

5.根据权利要求4所述的非接触式提供动力的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述第一反射坐标和所述第一轨道坐标，改变风力或磁力的大小，或者方向。

6.一种非接触式提供动力的装置，其特征在于，所述装置包括：

检测单元，用于检测工作区域内的反射率；

动力传送单元，用于非接触式地对三维对象做功；

7.根据权利要求6所述的非接触式提供动力的装置，其特征在于，所述装置还包括：

8.根据权利要求6或7所述的非接触式提供动力的装置，其特征在于，所述检测单元包括：一维激光雷达或一维微波雷达。

9.根据权利要求6或7所述的非接触式提供动力的装置，其特征在于，所述动力传送单元包括：风力涵道或电磁驱动器。

10.根据权利要求7所述的非接触式提供动力的装置，其特征在于，所述移动记录单元包括陀螺仪码盘。