CN111273658A - 一种移动机器人及障碍物探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动机器人，包括机器人本体、移动部件、测距传感器单元以及控制单元；所述机器人本体由移动部件支撑，测距传感器单元设置于所述机器人本体表面，控制单元设置于所述机器人本体内部，且所述测距传感器单元和所述控制单元通信连接；所述测距传感器单元包括四组，分别位于所述机器人本体前端、后端、左右两侧面和下底面；所述控制单元用于接收所述测距传感器单元的距离信息，根据所述距离信息确定所述机器人周围的障碍物信息。本发明还公开了一种基于所述移动机器人的障碍物探测方法。本发明能够以低成本的方式实现了移动机器人行走过程中全方位的障碍物探测，适用于不确定场景和动态变化场景，提高了应急侦检效率。

Description

一种移动机器人及障碍物探测方法

技术领域

本发明涉及应急救援技术领域，特别地，涉及一种移动机器人及障碍物探测方法。

背景技术

应急救援一般是指针对突发、具有破坏力的紧急事件采取预防、预备、响应和恢复的活动与计划。根据紧急事件的不同类型，分为卫生应急、交通应急、消防应急、地震应急、厂矿应急、家庭应急等领域的应急救援。在例如地震、大型建筑火灾、厂矿爆炸坍塌等一些紧急事故中，现场地形复杂且环境危险，如救援人员贸然进入，则易于导致无谓的伤亡。为此，已提出利用移动机器人等侦检设备进行现场侦检的方案。

为了实现移动机器人的自主行走，一种方案是在机器人主体上安装雷达进行扇形或者全方位扫描获取周围障碍物信息，然而，在不确定场景下的现场环境是时刻动态变化的，该方案难以实现全方位探测，雷达也易于损坏且成本偏高；另一种方案是采用传感器探测障碍物信息，然而现有的传感器避障方案仅考虑了平坦地面上的移动，在应急救援的复杂场景中难以有效适用。

发明内容

本发明提供了一种移动机器人及障碍物探测方法，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

在本发明的第一方面，提供了一种移动机器人，包括机器人本体、移动部件、测距传感器单元以及控制单元；

所述机器人本体由移动部件支撑，测距传感器单元设置于所述机器人本体表面，控制单元设置于所述机器人本体内部，且所述测距传感器单元和所述控制单元通信连接；

所述测距传感器单元包括四组，其中第一组测距传感器位于所述机器人本体前端；第二组测距传感器位于所述机器人本体后端，第三组测距传感器位于所述机器人本体左右两侧面，第四组测距传感器位于所述机器人本体下底面；

所述控制单元用于控制所述机器人移动，接收所述测距传感器单元的距离信息，并根据所述机器人的移动方向以及所述距离信息生成障碍模型，得到所述机器人周围的障碍物信息。

进一步地，所述第一组测距传感器包括3个，等间距地分布在所述机器人本体的前端，且中间的测距传感器距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同；

所述第二组测距传感器包括3个，等间距地分布在所述机器人本体的后端，且中间的测距传感器位于所述机器人本体纵向中轴线上；

所述第三组测距传感器包括2个，分别位于所述机器人本体左右两侧面，且所述测距传感器距离前端的距离与距离后端的距离之比为1:2；

所述第四组测距传感器为1个，位于所述机器人本体下底面靠近前端的位置，且距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同。

进一步地，所述测距传感器为超声波传感器。

进一步地，所述第一组测距传感器中居中的测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的前进方向，另两个测距传感器的超声波发射方向分别向外倾斜一定角度；

所述第二组测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的后退方向；

所述第三组测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的左右两侧；

所述第四组测距传感器的超声波发射方向为垂直向下地朝向地面。

进一步地，所述移动部件为轮子或履带，分为两组，对称地位于所述机器人本体左右两侧。

在本发明的第二方面，提供了一种根据第一方面所述移动机器人的障碍物探测方法，包括：

获取所述移动机器人的移动方向以及测距传感器单元测得的距离信息；

根据所述移动方向选择相关的距离信息；

根据所述相关的距离信息进行建模描述，得到障碍物信息。

进一步地，所述根据所述移动方向选择相关的距离信息包括：

所述移动方向为向前时，选择第一组测距传感器、第三组测距传感器和第四组测距传感器测得的距离信息；

所述移动方向为向后时，选择第二组测距传感器测得的距离信息。

进一步地，根据所述相关的距离信息进行建模描述，得到障碍物信息包括：

所述移动方向为向前时，利用所述第一组测距传感器的3个传感器测得的距离信息生成前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于右侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体右侧面的传感器测得的距离信息，生成右前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于左侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体左侧面的传感器测得的距离信息，生成左前方障碍模型；利用所述第三组测距传感器测得的距离信息分别生成右方障碍模型和左方障碍模型；利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息；

根据所述前方障碍模型、右前方障碍模型、左前方障碍模型、右方障碍模型、左方障碍模型和下方地势信息生成障碍物信息。

进一步地，所述利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息包括：

将所述第四组测距传感器测得的距离信息与预设阈值比较，若大于所述预设阈值，则判定为下陷地势。

进一步地，还包括：

根据当前时刻得到的障碍物信息以及之前预定时长内的障碍物信息，控制所述移动机器人的移动方向。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述移动机器人及障碍物探测方法通过在机器人的特定位置设置四组测距传感器，能够对机器人前方、后方、左方、右方的物体进行近距离感知，并且能够对下方的地势情况进行探测，进而根据移动方向利用各传感器测得的距离信息进行建模处理得到障碍物信息，从而以低成本的方式实现了移动机器人行走过程中全方位的障碍探测，适用于不确定场景和动态变化场景，提高了应急侦检效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的移动机器人结构示意图；

图2是根据本发明的传感器设置及探测方向示意图；

图3是根据本发明一具体实施例的移动机器人结构示意图；

图4是根据本发明的障碍物探测方法的流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

参考图1，其示出了本发明的移动机器人。该移动机器人包括机器人本体1、移动部件2、测距传感器单元3、4、5、6以及控制单元7；

所述机器人本体1由移动部件2支撑，测距传感器单元3、4、5、6设置于所述机器人本体1表面，控制单元7设置于所述机器人本体1内部，且所述测距传感器单元3、4、5、6和所述控制单元7通信连接。所述机器人本体1可以为多种形状，此处附图中仅为示意。

所述测距传感器单元3、4、5、6包括四组，其中第一组测距传感器3位于所述机器人本体1前端；第二组测距传感器4位于所述机器人本体1后端，第三组测距传感器5位于所述机器人本体1左右两侧面，第四组测距传感器6位于所述机器人本体1下底面；

所述控制单元7用于接收所述测距传感器单元3、4、5、6的距离信息，根据所述距离信息确定所述机器人周围的障碍物信息，并根据所确定的障碍物信息控制所述移动机器人的移动，以避开所述障碍物。

参考图2，其示出了仰视角度的根据本发明的传感器设置及探测方向示意图。为了便于说明，该图仅示出机器人本体1和测距传感器单元3、4、5、6的关系，所述测距传感器包括超声波传感器、激光传感器和/或红外传感器等。在本实施例中测距传感器为超声波传感器，虚线示出了超声波的发射方向。其中，所述第一组测距传感器3包括3个传感器，等间距地分布在所述机器人本体1的前端，且中间的测距传感器距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同。所述居中的测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的前进方向，用来探测机器人前方的障碍物；另两个测距传感器的超声波发射方向分别向外倾斜一定角度，用来探测机器人两侧斜前方的障碍物。

所述第二组测距传感器4包括3个传感器，等间距地分布在所述机器人本体的后端，且中间的测距传感器位于所述机器人本体纵向中轴线上。所述第二组测距传感器4的超声波发射方向为所述机器人的后退方向，当机器人倒退时防止后方有障碍物，发生意外事故。可选地，第二组测距传感器4中位于两侧的两个测距传感器的超声波发射方向也可以分别向外倾斜一定角度，用来探测机器人两侧斜后方的障碍物。

所述第三组测距传感器5包括2个传感器，分别位于所述机器人本体左右两侧面，且所述测距传感器距离前端的距离与距离后端的距离之比为1:2，也即位于本体侧面靠近机器人前方的1/3处。所述第三组测距传感器5的超声波发射方向为所述机器人的左右两侧，用来探测机器人两边的障碍物，在机器人转弯时起到作用。

所述第四组测距传感器6为1个传感器，位于所述机器人本体下底面靠近前端的位置，且距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同。所述第四组测距传感器6的超声波发射方向为垂直向下地朝向地面，用来探测履带机器人前方底盘下盲区位置，如果有沟槽等类似的地形，第四组测距传感器6就可以探测到，机器人就可以绕道避开，防止机器人掉落沟里损坏机器人。

需要说明的是，所述测距传感器也可以采用其他传感器，其探测信号的发射方向按照超声波发射方向同样地设置，在此不再赘述。

可选地，所述移动部件2为轮子或履带，分为两组，对称地位于所述机器人本体左右两侧。

参见图3，其示出了根据本发明的一个实施例的移动机器人结构示意图。该移动机器人为履带式移动机器人，其移动部件2为履带，机器人本体1包括上装盖和底盘，所述底盘与履带连接且承载所述上装盖，控制单元7等电气部件位于上装盖中，所述第一组测距传感器3安装在上装盖的前端，第二组测距传感器4安装于上装盖的后端，第三组测距传感器5安装于上装盖的左右两侧，第四组测距传感器6安装于底盘正下方(由于角度遮挡，部分测距传感器图3中未示出)。

本发明所述移动机器人通过在特定位置设置四组测距传感器，能够对机器人前方、后方、左方、右方的物体进行近距离感知，尤其是能够对下方的地势情况进行探测，从而以低成本的方式实现了移动机器人行走过程中全方位的障碍探测，提高了应急侦检效率；通过在机器人本体前端设置3个传感器，并将其中位于两侧的两个传感器的探测信号发射方向设置为向外偏离正前方一定角度，提高了两侧的探测范围，更加适用于不确定场景和动态变化的场景。

参照图4，其示出了根据上述移动机器人的障碍物探测方法，可选地由所述移动机器人的控制单元执行，方法包括步骤：

S401、获取所述移动机器人的移动方向以及测距传感器单元测得的距离信息；

可选地，在移动机器人工作时，测距传感器单元中各传感器持续将测得的距离信息发送至控制单元。

S402、根据所述移动方向选择相关的距离信息；

由于在前向运动时一般无需知悉后方的障碍物，所述移动方向为向前时，选择第一组测距传感器、第三组测距传感器和第四组测距传感器测得的距离信息；

后向运动时一般也无需知悉前方的障碍物，且下方地面为已行走过的区域，因此，所述移动方向为向后时，选择第二组测距传感器测得的距离信息。

其中，所述“向前”和“向后”也包括所述移动机器人同时进行转弯的情况。

由此，针对不同的移动方向仅使用相关的距离信息，减少了处理负荷，提高了处理效率。

S403、根据所述相关的距离信息进行建模描述，得到障碍物信息。

由于本发明的方案中采用的传感器数量较少，获取的数据不足以描述障碍物的实际轮廓，因此根据机器人的行走方向、传感器的安装位置以及测得的距离信息，可将障碍物进行建模描述，来达到绕开障碍的目的。

其中包括：

所述移动方向为向前时，利用所述第一组测距传感器的3个传感器测得的距离信息生成前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于右侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体右侧面的传感器测得的距离信息，生成右前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于左侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体左侧面的传感器测得的距离信息，生成左前方障碍模型；利用所述第三组测距传感器测得的距离信息分别生成右方障碍模型和左方障碍模型；利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息。其中，所述障碍模型是基于距离信息生成的逻辑轮廓，而非障碍的实际轮廓。

根据所述前方障碍模型、右前方障碍模型、左前方障碍模型、右方障碍模型、左方障碍模型和下方地势信息生成障碍物信息。

所述移动方向为向后时，利用所述第二组测距传感器的3个传感器测到的距离信息生成后方障碍模型，根据所述后方障碍模型生成障碍物信息。

由此，通过汇总各传感器测得的距离信息描述和行进方向相关的障碍模型以及下方地势信息，可以得到全方位的障碍物信息，避免移动机器人撞击到障碍物而影响现场侦检。

可选地，所述利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息包括：

将所述第四组测距传感器测得的距离信息与预设阈值比较，若大于所述预设阈值，则判定为下陷地势。其中，所述预设阈值可选地为移动部件的高度。由此，通过对下方地势的实时判断，可以避免移动机器人落入深坑等地形中导致无法发挥作用。

可选地，在步骤S403后，还包括：

根据当前时刻得到的障碍物信息以及之前预定时长内的障碍物信息，控制所述移动机器人的移动方向。

所述移动机器人将得到的障碍物信息及对应时刻保存下来，在每次得到障碍物信息后，和之前一段时长(例如5秒)内的障碍物信息汇总，生成针对一片区域的障碍物信息，以便更准确地控制所述移动机器人的移动方向，提高行动效率。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述所述技术内容作出的些许更动或修饰均为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种移动机器人，其特征在于，包括机器人本体、移动部件、测距传感器单元以及控制单元；

所述机器人本体由移动部件支撑，测距传感器单元设置于所述机器人本体表面，控制单元设置于所述机器人本体内部，且所述测距传感器单元和所述控制单元通信连接；

所述测距传感器单元包括四组，其中第一组测距传感器位于所述机器人本体前端；第二组测距传感器位于所述机器人本体后端，第三组测距传感器位于所述机器人本体左右两侧面，第四组测距传感器位于所述机器人本体下底面；

所述控制单元用于控制所述机器人移动，接收所述测距传感器单元的距离信息，并根据所述机器人的移动方向以及所述距离信息生成障碍模型，得到所述机器人周围的障碍物信息。

2.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述第一组测距传感器包括3个，等间距地分布在所述机器人本体的前端，且中间的测距传感器距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同；

所述第二组测距传感器包括3个，等间距地分布在所述机器人本体的后端，且中间的测距传感器位于所述机器人本体纵向中轴线上；

所述第三组测距传感器包括2个，分别位于所述机器人本体左右两侧面，且所述测距传感器距离前端的距离与距离后端的距离之比为1:2；

所述第四组测距传感器为1个，位于所述机器人本体下底面靠近前端的位置，且距离所述机器人本体左右两侧面的距离相同。

3.根据权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述测距传感器为超声波传感器。

4.根据权利要求3所述的移动机器人，其特征在于，所述第一组测距传感器中居中的测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的前进方向，另两个测距传感器的超声波发射方向分别向外倾斜一定角度；

所述第二组测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的后退方向；

所述第三组测距传感器的超声波发射方向为所述机器人的左右两侧；

所述第四组测距传感器的超声波发射方向为垂直向下地朝向地面。

5.根据权利要求4所述的移动机器人，其特征在于，所述移动部件为轮子或履带，分为两组，对称地位于所述机器人本体左右两侧。

6.根据权利要求5所述移动机器人的障碍物探测方法，其特征在于，包括：

获取所述移动机器人的移动方向以及测距传感器单元测得的距离信息；

根据所述移动方向选择相关的距离信息；

根据所述相关的距离信息进行建模描述，得到障碍物信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述移动方向选择相关的距离信息包括：

所述移动方向为向前时，选择第一组测距传感器、第三组测距传感器和第四组测距传感器测得的距离信息；

所述移动方向为向后时，选择第二组测距传感器测得的距离信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，根据所述相关的距离信息进行建模描述，得到障碍物信息包括：

所述移动方向为向前时，利用所述第一组测距传感器的3个传感器测得的距离信息生成前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于右侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体右侧面的传感器测得的距离信息，生成右前方障碍模型；利用所述第一组测距传感器中位于左侧的传感器和第三组测距传感器中位于所述机器人本体左侧面的传感器测得的距离信息，生成左前方障碍模型；利用所述第三组测距传感器测得的距离信息分别生成右方障碍模型和左方障碍模型；利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息；

根据所述前方障碍模型、右前方障碍模型、左前方障碍模型、右方障碍模型、左方障碍模型和下方地势信息生成障碍物信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述利用所述第四组测距传感器测得的距离信息，生成下方地势信息包括：

将所述第四组测距传感器测得的距离信息与预设阈值比较，若大于所述预设阈值，则判定为下陷地势。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

根据当前时刻得到的障碍物信息以及之前预定时长内的障碍物信息，控制所述移动机器人的移动方向。

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