CN108508904A - 一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器及自动化控制技术领域，具体涉及一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置及控制方法。该装置包括舵机、MCU主控模块以及与MCU主控模块连接的超声波传感器和激光传感器，所述超声波传感器和激光传感器均设置在舵机上，通过舵机实现超声波传感器和激光传感器的转动。利用舵机的周期性摆动控制各种测距传感器探测洗地机周围一定角度内的障碍物。舵机与传感器连接处加装减震装置以达到减震效果，从而消除了舵机振动对传感器的影响。经过实际验证证明，可以用三组超声波和激光传感器代替十六组超声波和激光传感器，并且检测范围更广。
Description
技术领域
本发明属于传感器及自动化控制技术领域，具体涉及一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置及控制方法。
背景技术
随着信息时代的高速发展，扫地机器人是被广泛应用于智能家居领域的智能设备，自动清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向，从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和大众家庭，因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。
目前，扫地机器人在进行清扫时，为了扩大检测范围一般都会采用激光雷达传感器对障碍物进行探测，但若障碍物是玻璃等透光的介质，激光雷达就无法准确进行检测。一般的解决方案是通过加装超声波传感器对激光雷达进行补充，用于检测激光雷达无法检测的物质。但超声波传感器因为体积大、接线较多，所以不便大量安装。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置及控制方法，可以用少量的传感器代替其他大部分传感器，以达到节约成本，减小系统复杂度的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，包括舵机、MCU主控模块以及与MCU主控模块连接的超声波传感器和激光传感器，所述超声波传感器和激光传感器均设置在舵机上，通过舵机实现超声波传感器和激光传感器的转动。
所述舵机上设有减震装置，消除舵机振动对传感器的影响。
所述减震装置采用减震泡沫。
所述减震装置包括转板、气囊和壳体，所述超声波传感器和激光传感器设置在壳体上，所述气囊设置在壳体内，所述转板与壳体转动联接，并与气囊接触连接，所述转板与舵机联接，转板通过气囊带动壳体转动。
所述气囊设有两个，两个气囊上均设有排气孔。
一种控制方法，将超声波传感器和激光传感器组合，并通过舵机控制其周期性摆动，探测周围一定角度内的障碍物，超声波传感器通过脉冲触发的方式向MCU传输数据，激光传感器通过IIC总线的方式向MCU传输数据。
基于人工势场法，以算法形式模拟出引力和斥力，目标对洗地机产生引力，传感器探测出的障碍物对洗涤装置产生斥力，通过计算得出洗地机应前进的方向并控制其转向。
通过加装减震泡沫的方式达到减震效果，从而消除舵机振动对传感器的影响。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
利用舵机的周期性摆动控制各种测距传感器探测洗地机周围一定角度内的障碍物。激光测距与超声波模块并列检测按权重获取数据，即保持激光测距的精确和距离，又避免在面对玻璃等透明物体时激光测距失效。因为传感器的周期性摆动，致使每个传感器可以检测比原先大几倍的角度范围，从而精简了设备数量和接线，简化了系统。
舵机与传感器连接处加装减震装置以达到减震效果，从而消除了舵机振动对传感器的影响。经过实际验证证明，可以用三组超声波和激光传感器代替十六组超声波和激光传感器，并且检测范围更广。
附图说明
图1是本发明的电路连接框图；
图2是本发明的操作过程图；
图3是本发明一种减震装置的爆炸图；
图4是本发明一种减震装置的结构示意图；
图5是本发明壳体的结构示意图；
图6是本发明气囊的结构示意图；
图7是本发明转板的结构示意图；
其中：1为舵机，2为转板，3为气囊，4为壳体。
具体实施方式
如图1所示，一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，包括舵机1、MCU主控模块以及与MCU主控模块连接的超声波传感器和激光传感器，超声波传感器与激光传感器之间可以通过支架或设置在同一块电路板上的方式组成超声波激光组合传感器模块（可用于探测障碍物距离，超声波传感器作为补充用以检测激光传感器无法探测的玻璃等透光介质）。超声波传感器和激光传感器均设置在舵机1上，即可以加大监测范围。
超声波传感器和激光传感器与舵机1的具体联接关系可以根据实际情况调整，只要可以通过舵机1实现超声波传感器和激光传感器的转动即可。如：舵机1的转轴可以与支架或电路板联接。
电源模块用于给整个系统供电，包括传感器电源系统、运动舵机电源系统、MCU主控电源系统；MCU主控模块用于控制整个系统的运行，包括对舵机1的控制和利用传感器数据对整个洗地机器人的控制。还包括PC端上位机显示系统，用于实时显示传感器数据，并绘制传感器检测范围内的地图模型。该系统通过传感器自身转动以增大探测的范围，用少量的传感器代替其他大部分传感器，以达到节约成本，减小系统复杂度的目的。上述模块之间的具体连接可以根据实际情况进行相适应的调整和设计。
舵机1上设有减震装置，消除舵机1振动对传感器的影响。减震装置可以采用多种结构实现，如采用减震泡沫，减震泡沫设置在舵机1转轴与电路板（支架）之间。舵机1转轴转动时，可带动减震泡沫和电路板（支架）一同转动。
如图3～7所示，减震装置还可采用：其包括转板2、气囊3和壳体4，超声波传感器和激光传感器设置在壳体4上，气囊3设置在壳体4内，气囊3与壳体4固定联接。转板2与壳体4转动联接，并与壳体4内的气囊3接触连接。转板2与舵机1的转轴联接（可采用插接，转板2设有相应的插孔），通过舵机1可以带动转板2转动，转板2转动时，其先推动与之接触的气囊3，通过气囊3带动壳体4转动，壳体4上的超声波传感器和激光传感器也相应转动。通过气囊3可以起到缓冲减震作用，从而避免舵机1对传感器（超声波传感器和激光传感器）的影响。
壳体4包括下壳体和盖体，盖体与下壳体可拆卸联接，超声波传感器和激光传感器设置在盖体上；气囊3设置在下壳体上，转板2与下壳体转动联接。进一步，在舵机1的外壳上设有一圈凸起，该凸起位于壳体4的外，通过该凸起可以起到防护作用，当然，该凸起也可省去。
气囊3优选设有两个，两个气囊3上均设有排气孔，通过排气孔可以将气囊3内的气体排出，减小阻力。气囊3的材质可以采用硅胶。
该方法的软件算法基于“人工势场法”，以算法形式模拟出引力和斥力，目标对洗地机产生引力，传感器探测出的障碍物对洗涤装置产生斥力，通过计算得出洗地机应前进的方向并控制其转向。
如图2所示，该装置的控制方法如下：
（1）在智能洗地机器人上安装超声波激光组合传感器模块，并安装运动舵机1以控制其转向。
（2）MCU使用脉冲宽度调制（PWM）的方式控制舵机1运动，使其带动超声波激光组合传感器模块周期性摆动，持续探测一定范围内的障碍物。
（3）用脉冲捕捉的方式获取超声波传感器的数据，用IIC总线传输的方式获取激光传感器的数据，并交由主控MCU进行处理运算。
（4）MCU获得传感器数据后通过串口传输的方式将数据传送到PC端的上位机，实时显示传感器数据，并绘制传感器检测范围内的地图模型。
（5）该方法的软件算法基于“人工势场法”，以算法形式模拟出引力和斥力，目标对洗地机产生引力，传感器探测出的障碍物对洗涤装置产生斥力，通过计算得出洗地机应前进的方向并控制其转向。
进一步地，具体实施例如下：
首先，在洗地机器人上合适位置安装运动舵机1及超声波激光组合模块传感器模块，使舵机1能够自由转动，并保证其带动的传感器模块在转动过程中不会被阻挡或脱落。
用引线将超声波激光组合模块传感器模块、运动舵机1模块、MCU主控模块、PC端上位机模块和系统电源模块相连，确保系统可以正常工作。
由MCU主控模块通过脉冲宽度调制（PWM）的方式控制运动舵机模块，使其能够带动安装在其上的传感器模块周期性转动，具体旋转角度由所需的检测角度确定。
MCU通过脉冲捕捉的方式获取超声波传感器HR-04的数据（通过测算其脉冲宽度来确定障碍物距传感器的距离），通过IIC总线传输的方式获取激光测距传感器的数据。
获得传感器数据后通过单片机的UART端口利用串口通信的方式将数据传送到PC端上位机（上位机用C#编写，主要用于洗地机器人日常调试），实时显示传感器数据，并绘制传感器检测范围内的地图模型。
从传感器获得距离信息后，MCU利用“人工势场法”，以算法形式模拟出引力和斥力，目标对洗地机产生引力，传感器探测出的障碍物对洗涤装置产生斥力，通过计算得出洗地机应前进的方向并控制其转向。
Claims (8)
1.一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，其特征在于：包括舵机（1）、MCU主控模块以及与MCU主控模块连接的超声波传感器和激光传感器，所述超声波传感器和激光传感器均设置在舵机（1）上，通过舵机（1）实现超声波传感器和激光传感器的转动。
2.根据权利要求1所述的一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，其特征在于：所述舵机（1）上设有减震装置，消除舵机（1）振动对传感器的影响。
3.根据权利要求2所述的一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，其特征在于：所述减震装置采用减震泡沫。
4.根据权利要求2所述的一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，其特征在于：所述减震装置包括转板（2）、气囊（3）和壳体（4），所述超声波传感器和激光传感器设置在壳体（4）上，所述气囊（3）设置在壳体（4）内，所述转板（2）与壳体（4）转动联接，并与气囊（3）接触连接，所述转板（2）与舵机（1）联接，转板（2）通过气囊（3）带动壳体（4）转动。
5.根据权利要求4所述的一种运用于智能扫地机器人上的传感器装置，其特征在于：所述气囊（3）设有两个，两个气囊（3）上均设有排气孔。
6.根据权利要求1所述传感器装置的控制方法，其特征在于：将超声波传感器和激光传感器组合，并通过舵机控制其周期性摆动，探测周围一定角度内的障碍物，超声波传感器通过脉冲触发的方式向MCU传输数据，激光传感器通过IIC总线的方式向MCU传输数据。
7.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：基于人工势场法，以算法形式模拟出引力和斥力，目标对洗地机产生引力，传感器探测出的障碍物对洗涤装置产生斥力，通过计算得出洗地机应前进的方向并控制其转向。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：通过加装减震泡沫的方式达到减震效果，从而消除舵机振动对传感器的影响。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180907 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |