CN111176295A - 一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，包括机器人，机器人顶部设有发射装置，发射装置包括上下间隔一定距离设置的反射PCB圆盘和发射PCB圆盘，发射PCB圆盘中部设有一个红外发射led二极管，机器人底部设有环形阵列有多个红外接收管的接收圆盘，反射PCB圆盘、发射PCB圆盘和接收圆盘同心设置，避障和近距离通信的方法是红外发射led二极管发出红外光，经过所述反射PCB圆盘被其他机器人的红外接收管接收，或经过障碍物二次反射，被自身的红外接收管接收，使机器人能够知道障碍物具体方位，通过单个红外发射led二极管发射红外光，减少传感器的使用，使机器人本身利用尽可能少的模块去实现更多的功能，减少成本，加大机器人可利用率。

Description

一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法。
背景技术
随着传感器技术的发展，群体机器人技术日新月异，传统的传感器大都功能较为单一，因此现有的群体机器人多是采用多个传感器来实现功能，多个传感器的使用也会增加机器人的制造和调试成本。同时多个传感器会占用更多的硬件资源。另外，群体机器人单个个体的体积较小，需要在有限的空间和成本上展现更多功能。所以单一传感器实现多种功能的需求越来越明确，单一传感器多种用途的研究领域被各大高校科研院所广泛研究。为了降低单个群体机器人的成本，以及提高机器人自身与外界交互的能力，就需要机器人本身利用尽可能少的模块去实现更多的功能，并减少机器人的成本，加大机器人本身的可利用率。
为了使得简单的单一传感器实现多种多样的功能，需要对传感器的结构做一定的组合，同时需要对传感器的相关驱动做一定的改进，在有限的资源下，实现更多的功能体现了群体机器人的智慧。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，通过单个的红外发射led二极管发射红外光，相比使用多个红外线传感器进行通信和避障，减少传感器的使用，使机器人本身利用尽可能少的模块去实现更多的功能，并减少机器人的成本，加大机器人本身的可利用率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，包括机器人，所述机器人顶部设有发射装置，所述发射装置包括上下间隔一定距离平行设置的反射PCB圆盘和发射PCB圆盘，所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘通过多根金属排针连接，所述发射PCB圆盘中部设有红外发射led二极管，所述机器人底部设有接收圆盘，所述接收圆盘环形阵列有多个红外接收管，每一所述红外接收管可以单独接受消息，所述反射PCB圆盘、发射PCB圆盘和所述接收圆盘同心设置；
所述避障的方法是：当有障碍物时，一个机器人的红外发射led二极管发射的红外线经过该机器人的反射PCB圆盘以及障碍物二次反射，被该机器人的一个红外接收管接收，通过该红外接收管的方位，使得该机器人能够知道障碍物的具体方位；
所述近距离通信的方法是：一个机器人的红外发射led二极管通过外围电路输入的调制信号发出经过特定频率调制的红外线，经过该机器人的反射PCB圆盘的反射，被其他机器人的红外接收管接收，进行通信，红外发射led二极管发出的红外线经过反射PCB圆盘的反射形成了一个锥体状的红外通讯环，红外通讯环为该机器人与其它机器人近距离通信的范围。
进一步的，所述红外发射led二极管以一定的频率开关，通过标准的NEC协议编码，实现0和1的模拟与通信。
进一步的，多个所述机器人进行避障和近距离通信的方法中，每一所述机器人的红外发射led二极管发射的红外线信号不一致，根据红外接收管接收到的红外线信号与自身机器人发射的红外线信号是否一致判断周围存在障碍物还是其它机器人。
进一步的，所述红外发射led二极管发射的红外光经过38k的载波进行调制。
进一步的，所述机器人通过红外线的协议不限于NEC协议，可以通过其他协议进行通信。
进一步的，所述近距离通信的方法中，所述红外通讯环包括外环和内环，令所述发射PCB圆盘的半径为r1，所述反射PCB圆盘的半径为r3，所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘的距离为d1，所述发射PCB圆盘和所述接收圆盘的距离为h1，所述接收圆板的半径为r2，则所述外环的半径r外为：
Figure BDA0002376038910000021
所述内环的半径r内为：
Figure BDA0002376038910000022
则所述红外通讯环的通讯半径r通为：r通＝r外-r内。
进一步的，所述避障的方法中，最大的避障范围d为：
Figure BDA0002376038910000023
进一步的，在避障过程中，令所述红外接收管的数量为n个，n个所述红外接收管接收到的红外线信号分别为Q1，Q2，Q2，…，Qn，若所述红外线接收管没有接受到红外线信号，则Qn为0，所述机器人的接收到红外线信号的方位是第i个红外接收器，根据第i个所述红外接收器接收到的红外线信号，可以判断障碍物具体方位，若n个所述红外接收管均没有接收到红外线信号，所述机器人处于漫游状态，前进方向随机。
进一步的，所述红外接收管的数量为8到24个。
进一步的，多根所述金属排针通过焊锡将所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘相连。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述的一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，采用的通信协议也是移植性很好的NEC协议，顶层的发射装置由反射PCB圆盘和发射PCB圆盘平行放置，发射PCB圆盘的红外发射led二极管的红外光经过上方PCB板的反射，形成了一个锥体的红外通讯环，通过单个的红外发射led二极管发射红外光，相比使用多个红外线传感器进行通信和避障，减少传感器的使用，使机器人本身利用尽可能少的模块去实现更多的功能，并减少机器人的成本，加大机器人本身的可利用率。
2.本发明所述的一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，在遇到障碍物后，单个的红外发射led二极管发射红外光，经过反射PCB圆盘以及障碍物得反射，被红外接收管接收，通过接收红外线信号的红外接收管，可知障碍物的具体方位。
3.本发明所述的一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，单个的红外发射led二极管经过38k的载波进行调制，同时通过控制器进行01编码，发射装置和控制器可通过标准接口连接，十分方便的拆装，并且在发射装置出现一定问题的时候还能方便的更换，不需要对控制器或者其他模块做相关改动。
附图说明
图1为本发明红外通讯环的示意图。
图2为本发明避障时的电路控制原理框图。
图3为本发明红外通讯环的通信范围的示意图。
图4为本发明最大避障范围的示意图。
其中：100、机器人；
200、发射装置；210、反射PCB圆盘；220、发射PCB圆盘；230、接收圆盘、240、红外发射led二极管；250、红外接收管；260、金属排针；
300、障碍物。
具体实施方式
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。
参照图1所示，一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，包括机器人100，机器人100顶部设有发射装置200，发射装置200包括上下间隔一定距离平行设置的反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220，反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220通过多根金属排针260经过焊锡连接。发射PCB圆盘220中部设有红外发射led二极管240，机器人100底部设有接收圆盘230，接收圆盘230环形阵列有多个红外接收管250，每一红外接收管250可以单独接受消息，反射PCB圆盘210、发射PCB圆盘220和接收圆盘230同心设置。
本发明中，避障指的是机器人100本身和障碍物300之间的行为，而近距离通信指的是机器100人和附近育有同等通讯能力的机器人100之间的通信。
避障的方法是：当有障碍物300时，一个机器人100的红外发射led二极管24通过外围电路输入的调制信号发出经过特定频率调制的红外线经过该机器人100的反射PCB圆盘210以及障碍物300二次反射，被该机器人100的一个红外接收管250接收，通过该红外接收管250的方位，使得该机器人100能够知道障碍物300的具体方位。
近距离通信的方法是：一个机器人100的红外发射led二极管240通过外围电路输入的调制信号发出经过特定频率调制的红外线，经过该机器人100的反射PCB圆盘210的反射，被其他机器人100的红外接收管250接收，进行通信。红外发射led二极管240发出的红外线经过反射PCB圆盘210的反射形成了一个锥体状的红外通讯环，红外通讯环为机器人100与其它机器人100近距离通信的范围。
本发明中，参照图2所示，在避障过程中，可通过控制器对机器人100进行控制，机器人100上设有带动机器人100移动或转向的装置。一个机器人100上的控制器控制红外发射led二极管240以一定的频率开关，通过标准的NEC协议编码，实现0和1的模拟与通信。红外发射led二极管240发射的红外线经过38k的载波进行调制，遇到障碍物300后，二次反射，被该机器人100的一个红外接收管250接收，该红外接收管250将接收到的红外线信号传递给控制器，控制器控制机器人100移动或转向，使得机器人100避开障碍物。
在近距离通信过程中，可通过控制器对机器人100进行控制，机器人100上设有带动机器人100移动或转向的装置。一个机器人100上的控制器控制红外发射led二极管240以一定的频率开关，通过标准的NEC协议编码，实现01的模拟与通信。红外发射led二极管240发射的红外线经过38k的载波进行调制，被其他机器人100的红外接收管250接收，该红外接收管250将收到的红外线信号传递给该红外接收管250所在的机器人100上的控制器，控制器控制该红外接收管250所在的机器人100移动或转向，使得该红外接收管250所在的机器人100与发射红外线的机器人100进行通信。
在通过标准的NEC协议编码，实现01的模拟与通信中，具体的，在NEC协议中0的编码为560us的脉冲加上560us的低电平，1的编码为560us的脉冲加上1680us的低电平。且0和1的编码不限于这种方式，具体可以根据使用需要自行定义。
优选的，控制器可为单片机。红外发射led二极管240和控制器通过标准接口连接，十分方便的拆装，并且在红外发射led二极管240出现一定问题的时候还能方便的更换，不需要对机器人100其他模块做相关改动。
本发明中的一些实施例中，红外发射led二极管240发射的红外线通过NEC协议实现了01编码。红外发射led二极管240发射的红外线发出0、1、1、1的信号，那么如果附近有障碍物300或其他机器人100，发射出的红外线经过反射，红外接收管250接收到的红外线信号应该为1110，如果附近没有障碍物300或其他机器人100，则红外接收管250接收不到信号。通过这样的形势。就能判别周围有没有障碍物300或其他机器人100，同时了解障碍物300的方向。与此同时不同机器人100通过此方法该能根据红外编码进行通信。这样便实现了单红外led实现机器人100的避障和近距离通信。这样的方法具有很好的移植性，同时在软件和硬件层面上比较好实现。
本发明中的另一些实施例中，机器人100通过红外线的协议不限于NEC协议，可以通过其他协议进行通信。
在近距离通信的方法中，红外通讯环包括外环和内环，令发射PCB圆盘220的半径为r1，反射PCB圆盘210的半径为r3，反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220的距离为d1，发射PCB圆盘220和接收圆盘230的距离为h1，接收圆盘230的半径为r2，则红外通讯环的外环的半径r外为：
Figure BDA0002376038910000051
内环的半径r内为：
Figure BDA0002376038910000052
则红外通讯环的通讯半径r通为：
Figure BDA0002376038910000053
参照图4所示，避障的方法中，最大的避障范围d为：
Figure BDA0002376038910000061
优选的，为了方便加工，反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220大小一致，在近距离通信的方法中，红外通讯环包括外环和内环，令反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220同等半径且半径为r1，反射PCB圆盘210和发射PCB圆盘220的距离为d1，发射PCB圆盘220和接收圆盘230的距离为h1，接收圆盘230的半径为r2，则红外通讯环的外环的半径r外为：
Figure BDA0002376038910000062
内环的半径r内为：
Figure BDA0002376038910000063
则红外通讯环的通讯半径r通为：
Figure BDA0002376038910000064
参照图4所示，避障的方法中，最大的避障范围d为：
Figure BDA0002376038910000065
在群体机器人进行避障和近距离通信的过程中，各个机器人100的红外发射led二极管240发射的红外线信号不一致。
在避障过程中，若该机器人100上令红外接收管250接收到的红外线信号与该机器人的红外发射led二极管240发射的红外线信号一致，则该机器人100周围有障碍物。令该机器人100接收圆盘230上的红外接收管250的数量为n个，n个红外接收管250接收到的红外线信号分别为Q1，Q2，Q2，…，Qn，若所述红外线接收管没有接受到红外线信号，则Qn为0，机器人100的接收到信息来自第i个红外接收器，该机器人100的接收到红外线信号的方位是第i个红外接收器，根据第i个红外接收器接收到的红外线信号，可以判断障碍物300具体方位，若n个所述红外接收管均没有接收到红外线信号，说明该机器人100周围没有障碍物300，该机器人100处于漫游状态，前进方向随机。
在近距离通信的过程中，机器人100的接收圆盘230上的红外接收管250接收到与该机器人100发出信号不一致的红外线信号则可判定附近该机器人附近有其他机器人100，该机器人100即可与附近机器人进行红外通信。
优选的，红外接收管250的数量为8到24个，红外接收管250的数量越多，障碍物300具体方位判断的更加精确，和其它机器人的通信更高效。
显然，所描述的实施例仅仅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做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。

Claims (10)

1.一种单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：包括机器人，所述机器人顶部设有发射装置，所述发射装置包括上下间隔一定距离平行设置的反射PCB圆盘和发射PCB圆盘，所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘通过多根金属排针连接，所述发射PCB圆盘中部设有红外发射led二极管，所述机器人底部设有接收圆盘，所述接收圆盘环形阵列有多个红外接收管，每一所述红外接收管可以单独接受消息，所述反射PCB圆盘、发射PCB圆盘和所述接收圆盘同心设置；
所述避障的方法是：当有障碍物时，一个机器人的红外发射led二极管发射的红外线经过该机器人的反射PCB圆盘以及障碍物二次反射，被该机器人的一个红外接收管接收，通过该红外接收管的方位，使得该机器人能够知道障碍物的具体方位；
所述近距离通信的方法是：一个机器人的红外发射led二极管通过外围电路输入的调制信号发出经过特定频率调制的红外线，经过该机器人的反射PCB圆盘的反射，被其他机器人的红外接收管接收，进行通信，红外发射led二极管发出的红外线经过反射PCB圆盘的反射形成了一个锥体状的红外通讯环，红外通讯环为该机器人与其它机器人近距离通信的范围。
2.根据权利要求1所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述红外发射led二极管以一定的频率开关，通过标准的NEC协议编码，实现0和1的模拟与通信。
3.根据权利要求2所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：多个所述机器人进行避障和近距离通信的方法中，每一所述机器人的红外发射led二极管发射的红外线信号不一致，根据所述机器人的红外接收管接收到的红外线信号与自身机器人发射的红外线信号是否一致判断周围存在障碍物还是其它机器人。
4.根据权利要求2所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述红外发射led二极管发射的红外光经过38k的载波进行调制。
5.根据权利要求2所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述机器人通过红外线的协议不限于NEC协议，可以通过其他协议进行通信。
6.根据权利要求1所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述近距离通信的方法中，所述红外通讯环包括外环和内环，令所述发射PCB圆盘的半径为r1，所述反射PCB圆盘的半径为r3，所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘的距离为d1，所述发射PCB圆盘和所述接收圆盘的距离为h1，所述接收圆板的半径为r2，则所述外环的半径r外为：
Figure FDA0002376038900000011
所述内环的半径r内为：
Figure FDA0002376038900000021
则所述红外通讯环的通讯半径r通为：r通＝r外-r内。
7.根据权利要求6所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述避障的方法中，最大的避障范围d为：
Figure FDA0002376038900000022
8.根据权利要求1所述述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：在避障过程中，令所述红外接收管的数量为n个，n个所述红外接收管接收到的红外线信号分别为Q1，Q2，Q2，…，Qn，若所述红外线接收管没有接受到红外线信号，则Qn为0，所述机器人的接收到红外线信号的方位是第i个红外接收器，根据第i个所述红外接收器接收到的红外线信号，可以判断障碍物具体方位，若n个所述红外接收管均没有接收到红外线信号，所述机器人处于漫游状态，前进方向随机。
9.根据权利要求1-8任一项所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：所述红外接收管的数量为8到24个。
10.根据权利要求1-8任一项所述的单红外光实现机器人避障和近距离通信的方法，其特征在于：多根所述金属排针通过焊锡将所述反射PCB圆盘和所述发射PCB圆盘相连。
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