CN110328664A - 碰撞检测方法及装置 - Google Patents

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李沁泠
侍启山
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

本申请公开了一种碰撞检测方法及装置，方法通过：获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；获取所述装置的正常运动速度曲线；根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。达到了能够在碰撞时快速得到碰撞结果，及时产生反应的目的；此外，电流的响应速度很快，并且相当灵敏，当发生碰撞时，能及时产生反应，因此可以及时触发碰撞检测并停止机器人等相应装置的技术效果。

Description

碰撞检测方法及装置
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种碰撞检测方法及装置。
背景技术
机器人在移动过程中，难免出现与物体碰撞的情况，当发生碰撞时，如果可以检测到并及时紧急停止下来，能最大程度的减少碰撞产生的损失。激光、超声、红外这类的传感器实现的是主动防止碰撞发生，而感知到碰撞并及时停止，是移动机器人安全的最后屏障。
传统的碰撞检测方式有如下几种：
1.基于电机电流突然增加；当碰撞发生时，由于电机的运动受到阻碍，电流会急剧上升；但此判断算法容易产生误判，因为机体在加减速的时候，电机也会产生突然的电流上升。
2.基于速度突变；当发生碰撞时，电机速度会突然降低，但此检测方式容易产生漏判和延时；当撞击物体不是很重时，物体会被撞开，电机速度不会有明显的下降；并且由于测速的实时性一般不是特别高，会造成电机速度下降与真实碰撞发生有一点延迟，从而使得机器停止不够及时。
针对相关技术中存在的诸多技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种碰撞检测方法及装置，以解决相关技术中存在的至少一个技术问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种碰撞检测方法。
根据本申请的碰撞检测方法包括：
获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
获取所述装置的正常运动速度曲线；
根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。
进一步的，如前述的碰撞检测方法，所述获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力，包括：
根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；
根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
进一步的，如前述的碰撞检测方法，所述根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系，包括：
根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；
根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
进一步的，如前述的碰撞检测方法，所述获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞，包括：
根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
通过电流传感器检测得到所述实时电流；
将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
为了实现上述目的，根据本申请的第二方面，提供了一种碰撞检测装置。
根据本申请的碰撞检测装置包括：
摩擦力获取单元，用于获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
正常运动速度曲线单元，用于获取所述装置的正常运动速度曲线；
第一对应单元，用于根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
碰撞判断单元，用于获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。
进一步的，如前述的碰撞检测装置，所述摩擦力获取单元包括：
转矩模块，用于根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；
摩擦力模块，用于根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
进一步的，如前述的碰撞检测装置，所述第一对应单元包括：
加速度曲线模块，用于根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
合外力模块，用于根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；
驱动力模块，用于根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
正常电流计算模块，用于根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
第一对应模块，用于遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
进一步的，如前述的碰撞检测装置，所述碰撞判断单元包括：
正常电流对应模块，用于根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
实时电流模块，用于通过电流传感器检测得到所述实时电流；
碰撞判断模块，用于将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
为了实现上述目的，根据本申请的第三方面，提供了一种电子设备。
根据本申请的电子设备包括：
至少一个处理器；
以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，
所述处理器、存储器通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如第一方面中任一项所述的碰撞检测方法。
为了实现上述目的，根据本申请的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质。
根据本申请的非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如第一方面中任一项所述的碰撞检测方法。
在本申请实施例中，采用一种通过电流大小进行碰撞检测方法及装置的方式，方法通过：获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；获取所述装置的正常运动速度曲线；根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。达到了能够在碰撞时快速得到碰撞结果，及时产生反应的目的，从而实现了不是简单孤立的只判断电机电流的突变，而是结合规划好的加速度来反推得到此时刻正常状态下电机应该提供的电流为多少，再做判断是否超限；因而当规划机体确实需要急加减速时，此时刻知道加速度很大，因此电流的突然增大并不会误触发碰撞检测；此外，电流的响应速度很快，并且相当灵敏，当发生碰撞时，能及时产生反应，因此可以及时触发碰撞检测并停止机器人等相应运动装置的技术效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请一种实施例的碰撞检测方法的方法流程示意图；以及
图2是根据本申请一种实施例的碰撞检测装置的功能模块结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种碰撞检测方法。如图1所示，该方法包括如下的步骤S1至步骤S4：
S1.获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
具体的，机体运动过程中，受到的前进方向的力量为轮子产生的驱动力和地面的摩擦力；且只有在所述轮子产生的驱动力大于所述地面的摩擦力时，装置(例如机器人等)才能行动；
S2.获取所述装置的正常运动速度曲线；
具体的，可以在无障碍直线运行情况下，通过采集电机的转速并结合轮子的直径等参数或者通过测速仪计算得到所述正常运动速度曲线；
S3.根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
具体的，在得到所述正常运动速度曲线v(t)的基础上，只需对该曲线进行一阶导数求出对应的加速度曲线a(t)；并且由于F＝ma，因此只需要再得到装置的质量m，即可得到所述装置中驱动机构(例如电机)的驱动力，以电机为例，由于一般的电机的驱动力是通过电流大小进行控制的，且与电流大小成正比，因此最后再根据电机的参数，即可得到所述驱动力对应的正常电流；并依次方法得到各个驱动力所对应的正常电流；由于该步骤计算得到的是在相对单一，且理想的环境中得到的理论电流值，因此在运行环境发生变化，或者电机性能出现一定偏差的情况下，实际检测的电流值基本上很难与该理论电流值完全保持一致，因此在进行后期电流比对时，优选的，只需实时电流与理论电流值之间的差值在一偏差阈值内即可认定电流相同，反之则不相同；
S4.获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞；
具体的，以机器人为例，其每个运行状态都是在事先规划好之后才进行的，因此可以得到规划运行(速度)信息，并根据所述规划运行(速度)信息得到所述规划加速度信息，且所述规划加速度信息是随时间线性变化的，因此可以得到每一时刻的规划加速度，进而可以根据所述第一对应关系得到每一时刻的正常电流，然后将检测得到的实时电流与正常电流做对比即可得到是否发生碰撞的判断信息。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测方法，所述获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力，包括：
根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；具体的，转矩常数k会根据电机的型号种类等因素进行调节；
根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
在本实施例中，忽略轮子的转动惯量，对于半径为R的轮子，在轮子与地面的接触点轮子输出的驱动力可以近似为F轮＝M/R；
对于摩擦力，在平地行走时，可近似于一个常数，可以通过逐渐加载电机电流到机体启动时，装置从静止状态到开始运动的临界状态，且该时刻为驱动力刚刚超过摩擦力的时刻，由于差值很小，因此可近似判定为驱动力与摩擦力一致；计算轮子此时的驱动力求得。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测方法，所述根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系，包括：
根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；具体的，F＝ma，m为所述装置的质量；
根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
也就是说，产生加速度的所述合外力是驱动力F轮减去摩擦力F摩擦后得到的；
根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测方法，所述获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞，包括：
根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
也就是说，根据各个时刻的加速度，与第一对应关系，得到各个时刻所对应的正常电流；
通过电流传感器检测得到所述实时电流；
将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
一般的，在所述装置的驱动设备为电机时，电机驱动电路里增加设有所述电流传感器，进而可以检测到每时刻电机的电流，与规划好的加速度曲线所对应的正常电流做对比，如果超出太多，可认为发生碰撞。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
根据本发明实施例，还提供了一种用于实施上述碰撞检测方法的碰撞检测装置，如图2所示，该装置包括：
摩擦力获取单元1，用于获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
正常运动速度曲线单元2，用于获取所述装置的正常运动速度曲线；
第一对应单元3，用于根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
碰撞判断单元4，用于获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。
具体的，本发明实施例的装置中各模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测装置，所述摩擦力获取单元包括：
转矩模块，用于根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；
摩擦力模块，用于根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
具体的，本发明实施例的装置中各模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测装置，所述第一对应单元包括：
加速度曲线模块，用于根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
合外力模块，用于根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；
驱动力模块，用于根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
正常电流计算模块，用于根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
第一对应模块，用于遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
具体的，本发明实施例的装置中各模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，如前述的碰撞检测装置，所述碰撞判断单元包括：
正常电流对应模块，用于根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
实时电流模块，用于通过电流传感器检测得到所述实时电流；
碰撞判断模块，用于将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
具体的，本发明实施例的装置中各模块实现其功能的具体过程可参见方法实施例中的相关描述，此处不再赘述。
根据本申请的又一个实施例，还提供了一种电子设备。
根据本申请的电子设备包括：
至少一个处理器；
以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，
所述处理器、存储器通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行如第一方面中任一项所述的碰撞检测方法。
根据本申请的再一个实施例，提供了一种非暂态计算机可读存储介质。
根据本申请的非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如第一方面中任一项所述的碰撞检测方法。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碰撞检测方法，其特征在于，包括：
获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
获取所述装置的正常运动速度曲线；
根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。
2.根据权利要求1所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力，包括：
根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；
根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
3.根据权利要求1所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系，包括：
根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；
根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
4.根据权利要求1所述的碰撞检测方法，其特征在于，所述获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞，包括：
根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
通过电流传感器检测得到所述实时电流；
将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
5.一种碰撞检测装置，其特征在于，包括：
摩擦力获取单元，用于获取待检测装置上的轮子与地面之间的摩擦力；
正常运动速度曲线单元，用于获取所述装置的正常运动速度曲线；
第一对应单元，用于根据所述正常运动速度曲线以及摩擦力确定所述装置正常运行时的各个加速度所对应的正常电流，并得到第一对应关系；
碰撞判断单元，用于获取规划加速度信息与实时电流，并根据所述第一对应关系、规划加速度信息与实时电流判断所述装置是否发生碰撞。
6.根据权利要求5所述的碰撞检测装置，其特征在于，所述摩擦力获取单元包括：
转矩模块，用于根据下式得到所述装置开始运行时驱动电机的电机输出转矩M0；
M0＝k*I0；
其中，k为电机的转矩常数，I0为所述装置开始运行时驱动电机的工作电流；
摩擦力模块，用于根据下式得到所述轮子与地面之间的摩擦力F摩擦；
F摩擦＝M0/R；
其中，R为所述轮子的半径。
7.根据权利要求5所述的碰撞检测装置，其特征在于，所述第一对应单元包括：
加速度曲线模块，用于根据所述正常运动速度曲线得到加速度曲线；
合外力模块，用于根据所述加速度曲线得到所述装置正常运行时且加速度为a时所受合外力F；
驱动力模块，用于根据所述合外力F以及摩擦力F摩擦得到驱动力F轮，其中，F轮＝F+F摩擦；
正常电流计算模块，用于根据所述驱动力F轮，以及下式得到加速度为a时所对应的正常电流Ia；
Ia＝F轮*R/k；
第一对应模块，用于遍历所述加速度曲线，得到各个加速度所对应的正常电流，并得到所述第一对应关系。
8.根据权利要求5所述的碰撞检测装置，其特征在于，所述碰撞判断单元包括：
正常电流对应模块，用于根据所述规划加速度信息以及第一对应关系得到当下的正常电流；
实时电流模块，用于通过电流传感器检测得到所述实时电流；
碰撞判断模块，用于将所述实时电流以及当下的正常电流之间的差值与预设的偏差阈值进行对比，若超出所述偏差阈值，则判定为发生碰撞。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，
所述处理器、存储器通过所述总线完成相互间的通信；
所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行权利要求1至权利要求4中任一项所述的碰撞检测方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至权利要求4中任一项所述的碰撞检测方法。
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