CN112731412B - 一种超声波避障方法及自动行走设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超声波避障方法及自动行走设备。本申请在通过超声波检测到可疑障碍物后，触发针对可疑障碍物的校验机制：通过发送校验声波并且以固定的参数接收其回波，而从该回波中识别出对应于杂草等被误判的障碍物的信号。由此，本申请可以避免误判障碍物导致自动行走设备停止运行或错误避障，还可以避免自动行走设备因为对回波信号的识别偏差而忽略较小体积的真实障碍物。本申请可以提升自动行走设备运行的稳定性，并提升其对障碍物进行检测的准确度。

Description

一种超声波避障方法及自动行走设备

技术领域

本申请涉及智能设备技术领域，具体而言涉及一种超声波避障方法及自动行走设备。

背景技术

割草机器人等自动行走设备目前在欧美地区家庭草坪修剪方面应用广泛。现有的自动行走设备中通常所采用避障的方式就是接触式碰撞。但是，由于接触式避障方式会对机器外壳造成碰撞，因此目前也逐渐出现了多种非接触式的避障方法。

非接触式避障可以通过超声波、激光雷达、图像识别等等手段对障碍物所对应的特定信号进行识别，从而产生对应于该障碍物的控制信号进行响应。

非接触式的避障方法对比接触式碰撞检测方式优势明显，也更显智能。各类非接触式碰撞的实现方案中，由于超声波方案成本比激光雷达低很多，而又不会像图像识别方式那样容易受环境光线、天气、草的颜色、种类等各方因素的影响，因而，超声波的避障方法应用在自动行走设备上更具工程使用意义。

但是，实际场地应用中，超声波避障方式还有很多问题需要解决。比如，超声波避障方式在割草机器人上的应用中，存在的问题主要是超声波灵敏度的问题：若将超声波检测单元的灵敏度设置较高则很容易将较高的杂草误判为是障碍物；而如果将其灵敏度调至较低水平，则容易出现检测不到较小体积的真实障碍物的情况。

目前常见的解决方案是通过检测超声波遇障碍物时反射的回波强度，来判断是否为真实障碍物。这种方法在实际应用上存在检测不准确的问题。尤其以最大强度进行障碍物检测时，还容易因为偏差导致强度值被误判，从而导致障碍物被误判或遗漏。

发明内容

本申请针对现有技术的不足，提供一种超声波避障方法及自动行走设备，本申请通过对超声波发射强度的调节，能够在检测到可疑障碍物后，通过逐渐降低超声波发射强度而筛选剔除被误判为可疑障碍物的杂草。本申请具体采用如下技术方案。

首先，为实现上述目的，提出一种超声波避障方法，用于自动行走设备，其步骤包括：控制超声波发射模块发射检测声波，然后相应接收检测声波的回波；根据接收到的回波判断存在可疑障碍物时，控制超声波发射模块发射校验声波，然后相应接收校验声波的回波；在无法接收到校验声波的回波时判断不存在障碍物，在始终能够接收到校验声波的回波时判断所述可疑障碍物为真实障碍物。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，所述超声波发射模块以第一强度发射检测声波，以第二强度发射校验声波，其中，第二强度低于第一强度。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，超声波发射模块发射校验声波的第二强度在每经历一个发射校验声波并接收其回波的周期后递减。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，所述自动行走设备被设置为具有检测模式和校验模式；检测模式下，自动行走设备中的超声波发射模块只发射检测声波，所述自动行走设备以第一速度行走；校验模式下，自动行走设备中的超声波发射模块只发射校验声波，所述自动行走设备以第二速度行走；所述第一速度大于第二速度。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，所述自动行走设备的行走速度随超声波发射模块所发射的校验声波和/或检测声波的强度而同步调整。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，自动行走设备接收校验声波的灵敏度始终保持不变。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，超声波发射模块所发射校验声波的强度降低到最低值时，若自动行走设备依旧能够接收到该校验声波的回波，则判断所述可疑障碍物为真实障碍物。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，所述校验模式下，自动行走设备的行走方向保持不变。

可选的，如上任一所述的超声波避障方法，其中，判断所述可疑障碍物为真实障碍物后，还包括以下步骤：触发自动行走设备改变其行走方向或停止行走。

同时，为实现上述目的，本申请还提供一种自动行走设备，其包括：超声波发射模块，用于发射检测声波或校验声波；超声波接收模块，用于接收检测声波的回波或校验声波的回波；存储单元，用于存储超声波发射模块发射所述检测声波和/或校验声波时的发射强度值；控制单元，其连接所述超声波发射模块、超声波接收模块和存储单元，所述控制单元被设置以执行如上任一所述的超声波避障方法。

可选的，如上任一所述的自动行走设备，其中，还包括电压调整模块，用于根据存储单元中所存储的发射强度值输出相应电压，以该电压驱动所述超声波发射模块按照对应的发射强度发射检测声波和/或校验声波。

可选的，如上任一所述的自动行走设备，其中，所述存储单元中所存储的发射强度值在超声波接收模块每次接收到校验声波的回波后降低。

可选的，如上任一所述的自动行走设备，其中，所述存储单元中所存储的发射强度值在超声波接收模块未接收到检测声波的回波时保持不变。

可选的，如上任一所述的自动行走设备，其中，还包括驱动单元，用于在存储单元中所存储的发射强度值降低后，驱动自动行走设备降低行走速度。

有益效果

本申请，在通过超声波检测到可疑障碍物后，自动触发针对可疑障碍物的校验。校验模式下，自动行走设备发送校验声波并且以固定的参数接收其回波，而从该回波中识别出对应于杂草等被误判的障碍物的信号。由此，本申请可以避免将高度较高的杂草误判为障碍物，避免误判而导致自动行走设备停止运行或错误避障，还可以避免自动行走设备因为对回波信号的识别偏差而忽略较小体积的真实障碍物。本申请可以提升自动行走设备运行的稳定性，并提升其对障碍物进行检测的准确度。

进一步，本申请还设置校验声波的发射强度在自动行走设备减速运行的过程中逐步递减。由于自动行走设备接收校验声波的灵敏度始终保持不变，因此，强度较小的校验声波被稀疏杂草反射后，其回波强度将显著降低以至于低于接收校验声波的灵敏度，而使得自动行走设备无法识别到该校验声波。由此，本申请可以通过这种方式有效过滤掉杂草等被误判的障碍物，并且在不确定是否需要针对可疑障碍物进行避障时，通过降低自动行走设备的行走速度而避免发生事故。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1是本申请的自动行走设备的电路原理示意图；

图2是本申请的自动行走设备进行超声波避障的步骤流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1所示，使用本超声波避障方法的自动行走设备中包括：

一：具有数模转换功能（DA）的MCU控制器，MCU控制器用于通过其中数模转换功能模块（DA）输出不同幅值的电压信号以通过DC-DC电压调整模块调整驱动超声波发射模块的电压，MCU控制器还连接超声波接收模块以接收超声波回波信号，相应判断自动行走设备与障碍物之间距离。

二：DC-DC电压调整模块，实现直流电压变换和调整，其控制信号来自于MCU控制器的数模转换功能模块DA引脚。

三：超声波发射模块，将DC-DC变换后的电压加载到超声波探头上以调节超声波的发射强度，实现第一强度的检测声波的发射以及相应的以第二强度变化的校验声波的发射。其所发射的超声波脉冲受控于MCU。

四：超声波探头，用于发射超声波信号，同时也是超声波信号所对应的回波的接收探头。

五：超声波接收模块，对遇到障碍物后返回的超声波回波信号进行放大滤波处理。

六：数字判别模块，将放大滤波后的超声波回波信号和给定值进行比较，高于给定值则设置高电平输出，否则设置低电平输出，然后将这个对应的高电平或低电平的输出信号送入MCU控制器进行处理，相应的触发避障。

本方案中超声波发射模块所输出的电压是动态可调的，超声波探头所发射的声波的强度对应调整；而超声波接收端的参数是固定的，其按照固定的灵敏度只判定有无接收到有效回波信号。由此，本发明可通过下述的超声波发射方式校验出可疑障碍物是否为真实障碍物，而相应准确执行避障：

首先，控制超声波发射模块发射第一强度的检测声波，然后相应接收检测声波的回波；

在根据接收到的检测声波的回波强度判断存在可疑障碍物时，控制超声波发射模块以低于第一强度的第二强度发射校验声波，然后相应接收校验声波的回波；

若无法再接收到校验声波的回波则判断不存在障碍物；而如果始终能够接收到校验声波的回波，则可以相应的判断原先通过检测声波检测到的所述可疑障碍物为真实障碍物，由此触发MCU控制器执行避障。

如图2所示，为自动行走设备遇到障碍物处理流程的一个实现例子。其中DA_data是控制DC-DC电压调整模块的数据寄存器。DA_data_max对应的是发射电压最大值,在该电压情况下，超声波探测距离最大； DA_data_min对应的是发射电压最小值，在该电压情况下，超声波探测距离最小。

本实施例区别于上一实施例，本实施例中设置校验声波的第二强度在每经历一个发射校验声波并接收其回波的周期后逐步递减，通过超声波发射强度的逐步递减筛选出被误判为障碍物的杂草。其具体实现方式如下：

首先第一步，设置发射电压值DA_data使用DA_data_max，使得MCU控制器中数模转换功能模块（DA）输出最大幅值的电压信号，然后通过DC-DC电压调整模块驱动超声波发射模块，以第一强度发射检测声波。

当MCU通过超声波接收模块检测到有检测声波的回波信号时，判断超声波发射方向上存在可疑障碍物，此时需要触发执行第二步通过第二强度的校验声波对可疑障碍物进行确认。

第二步中，为保护自动行走设备，可将其驱动单元设置为减速前进，以便于识别真实障碍物并避免可能的碰撞。此过程中，可进一步的设置发射电压值DA_data在每经历一个发射校验声波并接收其回波的周期后逐步递减。

第三步，随着机器慢速前进，在校验声波所对应的第二发射强度未到达DA_data_min时回到第二步再次判断是否存在障碍物。而在判断已经使用到最低发射电压，并能够有效接收到最低强度的校验声波所对应的回波时，控制机器停止前进，执行避障操作。

避障完成后可恢复设备正常运行速度。发射电压值恢复使用DA_data_max。

在第三种实现方式下，可在上述第二种实现方式的基础上，设置DA_data在每经历一个发射校验声波并接收其回波的周期后，根据目前所探测到的与可疑障碍物之间的距离而相应减小其发射电压值。此校验模式下，自动行走设备的行走方向可以保持不变，但行走速度可以相应的从通过检测声波检测到可疑障碍物后由初始的速度档位调低若干档。

校验模式下，由于杂草等容易被误判的可疑障碍物面积较小，因此，其对超声波信号的反射面积较小。当校验声波的第二强度降低到一定数值后，杂草等容易被误判的可疑障碍物所反射的回波会低于超声波接收模块的灵敏度，此时，该回波无法被有效检测到。

由此，本申请通过在超声波发射模块动态调整发射电压，但保持接收端参数固定，只判断有无有超声波回波返回的方式，利用数字方式判断检测回波所反应的障碍物是否真实有效。

上述校验过程中，还可进一步根据自动行走设备与可疑障碍物之间距离的改变而调节超声波发射模块电压，改变机器前进速度。

综上，本申请的各方案中，超声波接收端的参数是固定的，只用于判定有无回波信号。这种接收端灵敏度固定的方案，对比于采集、比较超声波回波信号强度的方案，能够克服因为回波强度采集时间点和最大强度时刻对不上而导致的误判问题。

此外，本方案的超声波发射模块电压是动态可调的，这样可以根据障碍物和自动行走设备之间的距离来调整超声波发射模块的电压：与障碍物越近，发射电压越低，这样不会将较高的稀疏的高草误认为是障碍物也不会忽视较小体积的真实障碍物。

以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种超声波避障方法，用于自动行走设备，其特征在于，步骤包括：控制超声波发射模块发射检测声波，然后相应接收检测声波的回波；

根据接收到的回波判断存在可疑障碍物时，控制超声波发射模块发射校验声波，然后相应接收校验声波的回波；

在无法接收到校验声波的回波时判断不存在障碍物，在始终能够接收到校验声波的回波时判断所述可疑障碍物为真实障碍物；

其中，所述超声波发射模块以第一强度发射检测声波，以第二强度发射校验声波，且第二强度低于第一强度；

超声波发射模块发射校验声波的第二强度在每经历一个发射校验声波并接收其回波的周期后递减，随着机器慢速前进，在校验声波所对应的第二发射强度未到达发射强度最小值时再次判断是否存在障碍物，而在判断已经使用到最低发射强度并能够有效接收到最低强度的校验声波所对应的回波时，控制机器停止前进，执行避障操作。

2.如权利要求1所述的超声波避障方法，其特征在于，所述自动行走设备被设置为具有检测模式和校验模式；

检测模式下，自动行走设备中的超声波发射模块只发射检测声波，所述自动行走设备以第一速度行走；

校验模式下，自动行走设备中的超声波发射模块只发射校验声波，所述自动行走设备以第二速度行走；

所述第一速度大于第二速度。

3.如权利要求2所述的超声波避障方法，其特征在于，所述自动行走设备的行走速度随超声波发射模块所发射的校验声波和/或检测声波的强度而同步调整。

4.如权利要求3所述的超声波避障方法，其特征在于，自动行走设备接收校验声波的灵敏度始终保持不变。

5.如权利要求4所述的超声波避障方法，其特征在于，超声波发射模块所发射校验声波的强度降低到最低值时，若自动行走设备依旧能够接收到该校验声波的回波，则判断所述可疑障碍物为真实障碍物。

6.如权利要求4所述的超声波避障方法，其特征在于，所述校验模式下，自动行走设备的行走方向保持不变。

7.如权利要求6所述的超声波避障方法，其特征在于，判断所述可疑障碍物为真实障碍物后，还包括以下步骤：触发自动行走设备改变其行走方向或停止行走。

8.一种自动行走设备，其特征在于，包括：

超声波发射模块，用于发射检测声波或校验声波；

超声波接收模块，用于接收检测声波的回波或校验声波的回波；

存储单元，用于存储超声波发射模块发射所述检测声波和/或校验声波时的发射强度值；

控制单元，其连接所述超声波发射模块、超声波接收模块和存储单元，所述控制单元被设置以执行如权利要求1至7任一所述的超声波避障方法。

9.如权利要求8所述的自动行走设备，其特征在于，还包括电压调整模块，用于根据存储单元中所存储的发射强度值输出相应电压，以该电压驱动所述超声波发射模块按照对应的发射强度发射检测声波和/或校验声波。

10.如权利要求9所述的自动行走设备，其特征在于，所述存储单元中所存储的发射强度值在超声波接收模块每次接收到校验声波的回波后降低。

11.如权利要求10所述的自动行走设备，其特征在于，所述存储单元中所存储的发射强度值在超声波接收模块未接收到检测声波的回波时保持不变。

12.如权利要求11所述的自动行走设备，其特征在于，还包括驱动单元，用于在存储单元中所存储的发射强度值降低后，驱动自动行走设备降低行走速度。