CN110865640A - 一种智能机器人的避障结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种智能机器人的避障结构,其包括设于智能机器人上的可旋转的环形支架,环形支架上至少设有3个检测装置,分别用于检测机器人左侧前方、正前方和右侧前方是否存在障碍物以及障碍物与机器人距离和障碍物运动方向;其中,环形支架的弧长至少大于智能机器人的最大宽度,3个检测装置均匀设置,且分别设于环形支架的两侧和中间位置;检测装置将其检测结果发送至控制装置,控制装置根据预设转向规则判断障碍物是否在机器人的行进路线上,进而控制驱动装置转向或者直行;其中,智能机器人转向时,环形支架保持原角度不变。本申请通过增加了对障碍物运动方向的判断,实现了对动态障碍物的规避。

Description

一种智能机器人的避障结构
技术领域
本发明涉及机器人的避障技术领域,具体是应用于智能机器人的避障结 构。
背景技术
随着科技的发展,人工智能机器人被越来越多的应用于各行各业当中,以 替代传统的劳动力。机器人在行进过程中,需要避开障碍物,目前常用的机器 人避障方法一般是采用路径规划算法,也即根据先验地图已有的障碍物和Free 区域信息规划一条起始点到目标点的路径。该算法是一次性的规划路径行为而 不能动态避障,仅仅可以避开地图中原来就有的静态障碍物——已知的障碍 物。然而,面对地图里没有,却实际出现的动态障碍物,如地图里原本没有的 另一机器人经过,或者活动的人群则无法避开,因为路径规划算法已经生成的 路径是不会变的,如果要更改已有的规划路径,则需要将进入的障碍物作为一 静态障碍物重新计算路径,然而这一方案对于活动的障碍物非常难以实现。
发明内容
在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述,以便提供关于本发明的某 些方面的基本理解。应当理解,以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它 并不是意图确定本发明的关键或重要部分,也不是意图限定本发明的范围。其 目的仅仅是以简化的形式给出某些概念,以此作为稍后论述的更详细描述的前 序。
根据本申请的一个方面,提供一种智能机器人的避障结构,将现有的路径 规划算法与多传感器融合技术,实现一种成本低廉精准防撞的方案。具体的, 本发明的一种智能机器人的避障结构,该智能机器人上设有与避障结构电性连 接的控制装置和驱动装置;所述避障结构包括设于智能机器人上的可旋转的环 形支架,环形支架上至少设有3个检测装置,分别用于检测机器人左侧前方、 正前方和右侧前方是否存在障碍物以及障碍物与机器人距离和障碍物运动方 向;其中,环形支架的弧长至少大于智能机器人的最大宽度,3个检测装置均 匀设置,且分别设于环形支架的两侧和中间位置;检测装置将其检测结果发送至控制装置,控制装置根据预设转向规则判断障碍物是否在机器人的行进路线 上,进而控制驱动装置转向或者直行;其中,智能机器人转向时,环形支架保 持原角度不变。机器人的行进路线是指机器人直线行进时,机器人最大宽度所 需要的路线。
预设转向规则如下:当检测装置检测到机器人的左侧前方存在障碍物时, 将检测到的距离L1、方位角A1和障碍物的运动方向发送至控制装置,控制装 置判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的行 进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向左90度转向, 行进距离S1后向右转90度,返回原来行进方向继续行进。其中,距离S1是 根据距离L1和方位角A1计算得到:
当检测装置检测到机器人的右侧前方存在障碍物,正前方和左侧前方不存 在障碍物,将检测到的距离L2、方位角A2和障碍物的运动方向发送至控制装 置,控制装置判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在 机器人的行进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向右 90度转向,行进距离S2后向左转90度,返回原来行进方向继续行进;
当检测装置检测到机器人的左侧前方和右侧前方均存在障碍物,正前方不 存在障碍物时,将检测到的两个障碍物的距离L3和L4、两个障碍物的方位角 A3和A4、以及两个障碍物的运动方向发送至控制装置,控制装置判断两个障 碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的行进路线, 则机器人继续直行;如果在机器人的行进路线,则同时结合两个障碍物之间的 距离以及两个障碍物的运动方向以及运动速度进行规划路线。如果不满足两个 障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,则根据障碍物的运行速度以及两个 障碍物之间的距离判断机器人是否可通过,如果不行,则处理方案同右侧前方 存在障碍物或者左侧前方存在障碍物的处理方法;
当检测装置检测到机器人的正前方存在障碍物时,根据障碍物的行进方向 判断则向左或向右90度转向,障碍物向左运动,则机器人向右90度转向,反 之则机器人向左90度转向,行进距离S3后反转90度,返回原来行进方向继 续行进。距离S3根据障碍物的距离和方位角来设置。
其中,位于环形支架的两侧的检测装置同时位于机器人的两侧,且位于环 形支架的两侧的检测装置之间的距离等于机器人的最大宽度,该设置可降低后 续计算的偏移补偿计算,降低计算难度。
本申请通过增加了对障碍物运动方向的判断,实现了对动态障碍物的规 避。同时,本申请的规划路径遇到障碍物时,通过计算获得一转向角度转向行 进一定距离后再由转向角度反转回到原来行进路线,由于智能机器人转向时, 环形支架保持原角度不变,无需重新规划坐标系以及坐标系转换等计算步骤, 因此大大降低了计算难度,该方案针对动态障碍物具有独特的优势。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解,其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附 图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分,而 且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附 图中:
图1为本发明的避障结构的示意图;
图2为本发明的具体实施例的避障结构;
图3是检测装置检测到机器人的右侧前方存在障碍物、正前方和左侧前方不存 在障碍物情形下的示意图;
图4是检测装置检测到机器人的左侧前方和右侧前方均存在障碍物、正前方不 存在障碍物情形下的示意图,且右侧障碍物远离机器人的运动方向前进的情形; 图5是图4情形下右侧障碍物朝向机器人的运动方向前进的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来说明本发明的实施例。为了清楚的目的,附图和说明中 省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描 述。在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、 “顶”、“底”、“内”、“外”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,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理 解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述 目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请提供一种成本低廉精准防撞的方案。该智能机器人的避障结构,设 置于智能机器人上。智能机器人至少设有与避障结构电性连接的控制装置和驱 动装置;参见图1,避障结构包括设于智能机器人100上的可旋转的环形支架 1,环形支架1上至少设有3个检测装置(也可设置更多个),记为第一检测装 置2、第二检测装置3和第三检测装置4,分别用于检测机器人左侧前方、正 前方和右侧前方是否存在障碍物以及障碍物与机器人距离和障碍物运动方向; 其中,环形支架1的旋转中心位于智能机器人的几何中心上。环形支架1的弧 长至少大于智能机器人的最大宽度,3个检测装置均匀且对称设置,且分别设 于环形支架1的两侧和中间位置;位于环形支架1的两侧的第一检测装置2 和第三检测装置4同时也是位于机器人的两侧位置,第一检测装置2和第三检 测装置4的距离等于(或者略大于)机器人的最大宽度,该设置可减少后续计 算的偏移补偿计算,降低计算难度。
第一检测装置2、第二检测装置3和第三检测装置4将其检测结果发送至 控制装置,控制装置根据预设转向规则判断障碍物是否在机器人的行进路线 上,进而控制驱动装置转向或者直行;其中,智能机器人转向时,环形支架1 保持原角度不变。机器人的行进路线是指机器人直线行进时,机器人最大宽度 所需要的路线。
具体的,其预设转向规则包括如下情形:
1、参见图2,当检测装置检测到机器人的左侧前方存在障碍物,正前方 和右侧前方不存在障碍物,将检测到的距离L1、方位角A1和障碍物的运动方 向发送至控制装置,控制装置根据检测到的距离L1、方位角A1以及障碍物的 运动方向来判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机 器人的行进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向左90 度转向,行进距离S1后向右转90度,返回原来行进方向继续行进。其中, 距离S1是根据距离L1和方位角A1计算得到的,例如可根据下式计算:距离 S1=距离L1*sinA1。其中,判断障碍物的运动方向的方式是,通过连续两次获 取障碍物的距离和方位角,如果第二次获得的方位角比第一次的方位角大,则 障碍物是远离机器人的行进路线运动(此时,偏离右侧,也即障碍物向左侧运 动)。本申请通过增加了对障碍物运动方向的判断,实现了对动态障碍物的规 避。同时,本申请的规划路径遇到障碍物时,通过90度(或者其他角度)转 向行进一定距离后再反转90度(或者其他角度)回到原来行进路线,由于智 能机器人转向时,环形支架1保持原角度不变,无需重新规划坐标系以及坐标 系转换等计算步骤,因此大大降低了计算难度,该方案针对动态障碍物具有独 特的优势。
2、参见图3,当检测装置检测到机器人的右侧前方存在障碍物,正前方 和左侧前方不存在障碍物,将检测到的距离L2、方位角A2和障碍物的运动方 向发送至控制装置,控制装置根据检测到的距离L2、方位角A2以及障碍物的 运动方向来判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机 器人的行进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向右90 度转向,行进距离S2后向左转90度,返回原来行进方向继续行进。其中, 距离S2是根据距离L2和方位角A2计算得到的,例如可根据下式计算:距离 S2=距离L2*sinA2,也可根据下式计算:距离S2=距离L2*sinA2+s,s为预设 的初值。
3、参见图4,当检测装置检测到机器人的左侧前方和右侧前方均存在障 碍物,正前方不存在障碍物时,将检测到的两个障碍物的距离L3和L4、两个 障碍物的方位角A3和A4、以及两个障碍物的运动方向发送至控制装置,控制 装置根据检测到的距离L3和L4、方位角A3和A4以及障碍物的运动方向来 判断两个障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的 行进路线,则机器人继续直行;如果在机器人的行进路线,首先判断两个障碍 物之间的距离是否大于机器人的最大宽度,再判断两个障碍物的运动方向是否 远离行进路线的,如果同时满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽 度、两个障碍物的运动方向远离行进路线,则根两个障碍物的距离L3和L4、 两个障碍物的方位角A3和A4计算到两个障碍物的中心坐标,以使机器人转 向朝两个障碍物的中心方向行进,当穿过两个障碍物之后反转回原行进路线继 续前进;如果满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,其一个或两 个障碍物的运动方向是朝向行进路线行进,则计算障碍物的运行速度,并根据 两个障碍物之间的距离判断机器人是否可通过,如果可通过,则计算两个障碍 物的距离L3和L4、两个障碍物的方位角A3和A4计算到两个障碍物的中心 坐标,并将该中心坐标向朝向行进路线行进速度较慢的一个障碍物的方向(如 果仅有一个障碍物朝向行进路线行进,则朝向另外一个远离行进路线行进的障 碍物的方向偏离;如果两个障碍物均朝向行进路线行进,则向速度较慢的障碍 物方向偏离)偏移一定距离(由障碍物的行进速度计算)行进,当穿过两个障 碍物之后反转回原行进路线继续前进。图4中,右侧障碍物远离机器人的运动 方向前进,且左侧障碍物和右侧障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,因 此机器人可继续直行,无需更改路线。图5中,右侧障碍物朝向机器人的运动 方向前进,且左侧障碍物和右侧障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,则 计算左侧障碍物和右侧障碍物的中心,并使机器人转向朝该中心方向行进,穿 过左侧障碍物和右侧障碍物后再反转回原角度。当机器人转向时,环形支架保 持原角度不变。
如果不满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,则根据障碍物 的运行速度以及两个障碍物之间的距离判断机器人是否可通过,如果不行,则 处理方案同右侧前方存在障碍物或者左侧前方存在障碍物的处理方法。
4、当检测装置检测到机器人的正前方存在障碍物时,根据障碍物的行进 方向判断则向左或向右90度转向,障碍物向左运动,则机器人向右90度转向, 反之则机器人向左90度转向,行进距离S3后反转90度,返回原来行进方向 继续行进。距离S3根据障碍物的距离和方位角来设置。
其中,检测装置由传感器和/或摄像头实现,传感器可以是超声传感器、 红外线传感器、激光传感器或雷达传感器,摄像头可以是无线摄像头。例如, 三个检测装置可以是两个传感器和一个摄像头构成,摄像头位于环形支架中间 位置,两个传感器分别设于环形支架的两侧,控制装置通过传感器获取的数据 以及摄像头获取的图像数据共同所提供的数据资源加以综合,采用预设的计算 算法进行分析,加以互补,可降低其不确实性,获得被测对象的一致性解释与 描述,从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性,使系统获得更准确 的决策。
应该强调,术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件 的存在,但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在上述实施例和示例中,采用了数字组成的附图标记来表示各个步骤和/ 或单元。本领域的普通技术人员应理解,这些附图标记只是为了便于叙述和绘 图,而并非表示其顺序或任何其他限定。
尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露,但 是,应该理解,上述的所有实施例和示例均是示例性的,而非限制性的。本领 域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改 进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护 范围内。

Claims (10)

1.一种智能机器人的避障结构,其特征在于:该智能机器人上设有与避障结构电性连接的控制装置和驱动装置;
所述避障结构包括设于智能机器人上的可旋转的环形支架,环形支架上至少设有3个检测装置,分别用于检测机器人左侧前方、正前方和右侧前方是否存在障碍物以及障碍物与机器人距离和障碍物运动方向;其中,环形支架的弧长至少大于智能机器人的最大宽度,3个检测装置均匀设置,且分别设于环形支架的两侧和中间位置;检测装置将其检测结果发送至控制装置,控制装置根据预设转向规则判断障碍物是否在机器人的行进路线上,进而控制驱动装置转向或者直行;
智能机器人转向时,环形支架保持原角度不变。
2.根据权利要求1所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:预设转向规则包括:当检测装置检测到机器人的左侧前方存在障碍物,正前方和右侧前方不存在障碍物,将检测到的距离L1、方位角A1和障碍物的运动方向发送至控制装置,控制装置根据检测到的距离L1、方位角A1以及障碍物的运动方向来判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的行进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向左90度转向,行进距离S1后向右转90度,返回原来行进方向继续行进;距离S1根据距离L1和方位角A1计算得到。
3.根据权利要求2所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:距离S1=距离L1*sinA1。
4.根据权利要求2所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:预设转向规则还包括:当检测装置检测到机器人的右侧前方存在障碍物,正前方和左侧前方不存在障碍物,将检测到的距离L2、方位角A2和障碍物的运动方向发送至控制装置,控制装置根据检测到的距离L2、方位角A2以及障碍物的运动方向来判断障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的行进路线,则机器人继续直行,如果在机器人的行进路线,则向右90度转向,行进距离S2后向左转90度,返回原来行进方向继续行进;距离S2根据距离L2和方位角A2计算得到。
5.根据权利要求4所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:预设转向规则还包括:当检测装置检测到机器人的左侧前方和右侧前方均存在障碍物,正前方不存在障碍物时,将检测到的两个障碍物的距离L3和L4、两个障碍物的方位角A3和A4、以及两个障碍物的运动方向发送至控制装置,控制装置根据检测到的距离L3和L4、方位角A3和A4以及障碍物的运动方向来判断两个障碍物是否在机器人的行进路线,如果控制装置判定为不在机器人的行进路线,则机器人继续直行;
如果在机器人的行进路线,首先判断两个障碍物之间的距离是否大于机器人的最大宽度,再判断两个障碍物的运动方向是否远离行进路线的,如果同时满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度、两个障碍物的运动方向远离行进路线,则根两个障碍物的距离L3和L4、两个障碍物的方位角A3和A4计算到两个障碍物的中心坐标,以使机器人转向朝两个障碍物的中心方向行进,当穿过两个障碍物之后反转回原行进路线继续前进;
如果满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,其一个或两个障碍物的运动方向是朝向行进路线行进,则计算障碍物的运行速度,并根据两个障碍物之间的距离判断机器人是否可通过,如果可通过,则计算两个障碍物的距离L3和L4、两个障碍物的方位角A3和A4计算到两个障碍物的中心坐标,并将该中心坐标向朝向行进路线行进速度较慢的一个障碍物的方向偏移一定距离行进,当穿过两个障碍物之后反转回原行进路线继续前进;
如果不满足两个障碍物之间的距离大于机器人的最大宽度,则根据障碍物的运行速度以及两个障碍物之间的距离判断机器人是否可通过,如果不行,则处理方案同右侧前方存在障碍物或者左侧前方存在障碍物的处理方法。
6.根据权利要求1-5任一所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:预设转向规则还包括:当检测装置检测到机器人的正前方存在障碍物时,根据障碍物的行进方向判断则向左或向右90度转向,障碍物向左运动,则机器人向右90度转向,反之则机器人向左90度转向,行进距离S3后反转90度,返回原来行进方向继续行进;距离S3根据障碍物的距离和方位角来设置。
7.根据权利要求1-5任一所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:位于环形支架的两侧的检测装置同时位于机器人的两侧,且位于环形支架的两侧的检测装置之间的距离等于机器人的最大宽度。
8.根据权利要求1-5任一所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:所述环形支架的旋转中心位于智能机器人的几何中心上。
9.根据权利要求1-5任一所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:所述检测装置由传感器和/或摄像头实现。
10.根据权利要求9所述的智能机器人的避障结构,其特征在于:所述传感器是超声传感器、红外线传感器、激光传感器或雷达传感器。
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