CN112731535A - 一种基于电荷感应的接近觉探测方法 - Google Patents

一种基于电荷感应的接近觉探测方法 Download PDF

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CN112731535A CN201911033979.1A CN201911033979A CN112731535A CN 112731535 A CN112731535 A CN 112731535A CN 201911033979 A CN201911033979 A CN 201911033979A CN 112731535 A CN112731535 A CN 112731535A
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张丽敏
樊子予
王舒凡
韩平
闫锋
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Abstract

本发明提出了一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其显著特征在于：利用同一平面内共地的n×m个探测电极阵列进行接近觉的探测，当目标垂直于电极平面向电极方向运动时，根据电荷感应原理，电极将同时输出多组数据，根据最大的三组数据先对目标进行初步定位，再用多元超越方程二分法对物体进行精确定位。其显著优势在于：可以实现的量程范围约为1mm～20m，实现了量程向距离觉探测范围的过渡；基于电荷感应原理，可以实现遮挡物的穿透，且不受目标颜色和粗糙度，以及环境亮度的影响。

Description

一种基于电荷感应的接近觉探测方法
技术领域
本发明涉及一种探测目标接近觉的方法，尤其涉及一种基于电荷感应的接近觉探测方法。
背景技术
目前，视觉传感器，接近觉传感器，距离觉传感器是在测距和机器人抓取及避障领域主要涉及的三种传感。视觉传感器作用范围在几十厘米到几百米，主要是获取环境图像并识别；接近觉一般应用于距离很近的情况，适用距离范围在毫米量级，作用是获取接近物体的准确距离和状态，实现无冲击接近和抓取功能；而距离觉从几米到几厘米不等，主要用于物体探测和避障。
物体的接近感知原理常用的有超声波，视觉，红外线，电容式，光电式等等。红外式虽然容易实现，但是易受到遮挡物的干扰；光电式容易受到对象物颜色、粗糙度和环境亮度的限制；电容式容易受到周围杂散电场的干扰，测量范围很小，一般仅为几毫米，超过探测距离灵敏度将急剧下降；电磁式只能用于检测铁磁物质，且作用的距离比较短，一般仅为零点几毫米；超声波在空气中衰减很厉害，分辨率较低，且电路复杂。
目前接近觉探测在很多性能问题上还有待解决，如在同一探测装置上实现接近觉和距离觉的过渡和统一，探测装置在全量程范围内的抗遮挡和干扰能力有待提高等。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种通过感应电荷变化实现接近觉探测的方法。
为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：
一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，探测电极分别接入电荷传感器，电荷传感器与采集处理模块连接，当目标物体在一定范围内在垂直于电极平面方向向电极接近时，探测电极同时感应目标接近时电荷量的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，采集处理模块将采集到的多组电压数据进行幅值比较，筛选出前三个输出幅值最大的探测电极数据，得到目标物在探测电极平面的投影点的初步范围，进一步地用多元方程步进二分法可以实现物体具体位置的求解。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极材料为导电材料，如铜，铝，锡，氮化硅等。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极形状相同，可以为方形，长方形，圆形等。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的电极个数满足：n≥2，m≥2。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的单个电极面积满足：S≥1mm2。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的形状可以是方形，长方形，圆形等。
一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，电极平面垂直于目标运动方向放置，若电极形状为方形，边长为a，间距为d，电极从左往右从上往下依次编号为1到n×m；
2)目标物体在垂直电极平面方向向电极接近，目标在电极平面的投影点为A，假设i，j分别为电极的列号和行号，其中1≤i≤m，1≤j≤n，则电极的编号为N＝m·(j-1)+i，电极对应的坐标分别为(x(i)，y(j))，以阵列中第i0列第j0行的电极为参考电极，其中心点相对于A点的坐标为(x0，y0)，则根据每个电极相对于坐标(x0，y0)的位置关系可以得到每个电极相对于A点的位置，其中：
x(i)＝(i-i0)·(a+d)+x0
y(j)＝(j-j0)·(a+d)+y0 (1)
目标物体在某位置时，每个电极产生的感应电荷QN(i，j)关于(x(i)，y(j))的表达式如下，其中Q0为运动目标所带电荷量，z0为目标物体与电极平面的垂直距离；
Figure BSA0000193348230000021
3)将步骤2)中的电极接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输出，设电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为Ci，则每个电极对应的电荷传感器的输出电压VoN(i，j)如(3)式所示，其中i，j分别为电极的列号和行号，x(i)，y(j)已由(1)式给出：
Figure BSA0000193348230000031
4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)的电荷传感器输出电压实现同步采集，根据前三个输出电压幅度最大的电极编号，处理模块将把物体在电极平面的投影初步限制在这三个电极范围内，将这三个电极的坐标(x(i)，y(j))和输出VoN(i，j)分别带入(3)式得到关于x0，y0，z0的三元方程组并给出x0，y0的取值范围，具体如下：
若前三个输出最大的电极的列号和行号分别为(i1，j1)、(i2，j2)、(i3，j3)，对应电极编号为N1、N2、N3，电极边长与间距分别为a、d，则由前三个输出最大的电极构成的关于x0，y0，z0的三元方程组为：
Figure BSA0000193348230000032
Figure BSA0000193348230000041
Figure BSA0000193348230000042
其中：
x(i1)＝(i1-i0)·(a+d)+x0
y(j1)＝(j1-j0)·(a+d)+y0
x(i2)＝(i2-i0)·(a+d)+x0
y(j2)＝(j2-j0)·(a+d)+y0
x(i3)＝(i3-i0)·(a+d)+x0
y(j3)＝(j3-j0)·(a+d)+y0
x0，y0的取值范围为：
x0∈[xmin，xmax]，y0∈[ymin，ymax]
其中：
Figure BSA0000193348230000043
Figure BSA0000193348230000051
5)x0、y0的取值范围由式(5)给出，z0的取值范围可根据实际探测范围设定，在取值范围内对三元方程组(4)进行二分法求解，从而得到(x0，y0，z0)精确的定位，算法的步骤可概括为：
建立bisect3函数用于三元方程组的求解：
函数表达式为：[x，y，z]＝bisect3(f1，f2，f3，xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax)
函数的输入参数为：形如
Figure BSA0000193348230000052
的三元方程组：f1＝f1(x，y，z)，f2＝f2(x，y，z)，f3＝f3(x，y，z)，方程组的解x，y，z的取值范围分别为[xmin，xmax]，[ymin，ymax]，[zmin，zmax]，函数的返回值为：三元方程组的解x，y，z。
进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，所述bisect3函数的算法过程为：
①先限定z的值为初值z0＝zmin，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure BSA0000193348230000053
令s0′＝f3(x，y，z0)，
②在此基础上限定y的值为初值y0＝ymin，将y0代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y0，z0)＝0，令s0＝f2(x，y0，z0)，
③对方程f1(x，y0，z0)＝0用解一元方程的二分法进行求解得到返回值x。
④将步骤③中返回的x值代回得到s0的值，再让②中y0增加一个步长h得到y1＝y0+h，令s1＝f2(x，y1，z0)，将y1代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y1，z0)＝0，用解一元方程二分法求出f1(x，y1，z0)＝0在求根区间内的解，然后将返回的x值代回得到s1的值，若s0·s1≤0，则在这个步长[y0，y1]内有解，否则推进步长h直得到区间为[yn，yn+1]时，有sn·sn+1≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[yn，yn+1]，最后在区间[yn，yn+1]内用二分法求解：取ym＝(yn+yn+1)/2，当f2(x，ym，z0)小于给定精度e时，将x，ym作为函数的返回值x，y。
⑤让步骤①中z0增加一个步长h得到z1＝z0+h，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure BSA0000193348230000061
令s′1＝f3(x，y，z1)，同理用步骤②③④的方法将返回的x，y值代入得到s′1，若s′0·s′1≤0，则在这个步长[z0，z1]内有解，否则向前推进一个步长得到区间[z1，z2](其中z2＝z1+h)，重复这个过程直到区间为[zn，zn+1]时，有s′n·s′n+1≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[zn，zn+1]，最后在区间[zn，zn+1]内用二分法求解：取zm＝(zn+zn+1)/2，当f3(x，y，zm)的值小于给定精度e时，x，y，zm即为方程的解。
本发明方法的显著特征在于：利用同一平面内共地的n×m个探测电极阵列进行接近觉的探测，当目标垂直于电极平面向电极方向运动时，根据电荷感应原理，电极将同时输出多组数据，根据最大的三组数据先对目标进行初步定位，再用多元超越方程二分法对物体进行精确定位。其显著优势在于：可以实现的量程范围约为1mm～20m，实现了量程向距离觉探测范围的过渡；基于电荷感应原理，可以实现遮挡物的穿透，且不受目标颜色和粗糙度，以及环境亮度的影响。
附图说明
图1为电极探测示意图，(a)为x-y平面图，(b)为立体图。
图2为探测实现框图和阵列输出结果图，(a)为探测实现框图，(b)九个电极输出Vo-距离z关系图。
图3为目标信号位置示意图。
具体实施方式
假设一运动带电体的相关参数为：Q0＝10-10C，接近目标的x，y位置分别为0.66cm，2.07cm，为下面将结合这一具体运动目标定位实施例对本发明所提的接近觉探测作说明，具体如下：
1)如附图1所示，九个大小一致并且共地的方形探测铜电极以固定间距成九宫格状排布在同一平面，九宫格电极平面垂直于目标运动方向放置，九宫格电极的边长a＝0.02m，间距d＝0.005m，电极从左往右从上往下依次编号为1到9；
2)将九个电极分别接入电荷传感器和采集处理模块，如附图2所示；
3)取电荷传感器的增益H＝10，电荷传感器的输入电容Ci＝10pF；
目标物体在探测范围内垂直电极平面方向向电极方向运动，则某时刻电极的输出电压表达式如下：
Figure BSA0000193348230000071
其中，i，j分别为电极的列和行编号，电极的编号为N＝3·(j-1)+i：
x(i)＝0.025×(i-2)+x0
y(j)＝0.025×(j-2)+y0
(6)
4)采集处理模块采用24位AD转换器采集九个电荷传感器的输出电压并进行比较，得到前三个输出最大的电极对应的输出数据、电极编号：
某次实验中，当目标垂直距离探测电极4.87mm时，前三个输出最大的电极的坐标和输出分别为：
Vo5(2，2)＝1.8938V
Vo8(2，3)＝23.6375V
Vo9(3，3)＝2.9726V
分别将
Figure BSA0000193348230000072
代入(6)式构成三元方程组，并根据电极坐标对x0，y0的取值范围进行限定：
Figure BSA0000193348230000073
Figure BSA0000193348230000074
Figure BSA0000193348230000081
其中，x0∈[-0.0125，0]，y0∈[-0.025，-0.0125]，z0∈(0，0.1]
5)在取值区间对三元方程组进行求解：
调用函数bisect3：
[x0，y0，z0]＝bisect3(f1，f2，f3，-0.0125，0，-0.025，-0.0125，0，0.1)
bisect3函数的算法过程为：
①先限定z的值为初值z0＝zmin＝0，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure BSA0000193348230000082
令s0′＝f3(x，y，0)，
②在此基础上限定y的值为初值y0＝ymin＝-0.025，将y0代入f1得到关于x的一元方程f1(x，-0.025，0)＝0，令s0＝f2(x，-0.025，0)，
③对方程f1(x，-0.025，0)＝0用解一元方程的二分法进行求解，具体如下：
给定常量e＝10-15为求根精度、h＝(xmax-xmin)/100为求根步长，x从初值x0＝xmin-h开始取值，求出f1(x0)，再让x增加一个步长h得到x1＝x0+h，求出f1(x1)，若f1(x0)·f1(x1)≤0，则方程在这个步长[x0，x1]内有解，否则向前推进一个步长得到区间[x1，x2](其中x2＝x1+h)，重复这个过程直到区间为[xn，xn+1]时有f1(xn)·f1(xn+1)≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[xn，xn+1]，最后在区间[xn，xn+1]内用常规二分法求解x的值，即先取xm＝(xn+xn+1)/2，当f(xm)小于给定精度e时，xm即为函数返回值；否则若f1(xn)·f1(xm)＞0，则将xm的值赋给xn，若f1(xn)·f1(xm)＜0，则将xm的值赋给xn+1，然后在新的[xn，xn+1]区间内用二分法求解直到找到满足条件的解xm为函数返回值x；f1(xn)·f1(xm)＝0时作为特殊情况进行讨论，此时解为区间端点。
④将步骤③中返回的x值代回得到s0＝f2(x，y0，z0)＝f2(x，-0.025，0)的值，再让②中y0增加一个步长h＝(ymax-ymin)/100得到y1＝y0+h，令s1＝f2(x，y1，z0)，将y1代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y1，z0)＝0，用步骤③中方法求出f1(x，y1，z0)＝0在求根区间内的解，然后将返回的x值代回得到s1的值，若s0·s1≤0，则在这个步长[y0，y1]内有解，否则推进步长h直得到区间为[yn，yn+1]时.有sn·sn+1≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[yn，yn+1]，最后在区间[yn，yn+1]内用常规二分法求解，即取ym＝(yn+yn+1)/2，令sm＝f2(x，ym，z0)，用步骤③中方法求出关于x的方程f1(x，ym，z0)＝0在求根区间内的解并代入sm表达式，当sm小于给定精度e时，将x，ym作为函数的返回值x，y；否则若sn.sm＞0，则将ym的值赋给yn，若sn.sm＜0，则将ym的值赋给yn+1，然后在新的[yn，yn+1]区间内用二分法求解直到找到符合要求的解的x，ym为函数的返回值x，y；sn.sm＝0时作为特殊情况进行讨论，此时解为区间端点。
⑤让①中z0增加一个步长h＝(zmax-zmin)/500得到z1＝z0+h，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure BSA0000193348230000091
令s1′＝f3(x，y，z1)，同理用步骤②③④的方法将返回的x，y值代入得到s1′，若s0′·s1′≤0，则在这个步长[z0，z1]内有解，否则向前推进一个步长得到区间[z1，z2](其中z2＝z1+h)，重复这个过程直到区间为[zn，zn+1]时，有sn′·sn+1′≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[zn，zn+1]，最后在区间[zn，zn+1]内用常规二分法求解，即先取zm＝(zn+zn+1)/2，令s′m＝f3(x，y，zm)，用步骤②③④的方法求出关于x，y的方程组
Figure BSA0000193348230000092
在求根区间内的解并将返回的x，y值代入s′m的表达式，当s′m的值小于给定精度e时，x，y，zm即为方程的解；否则若sn′·sm′＞0，则将zm的值赋给zn，若sn′·sm′＜0，则将zm的值赋给zn+1，然后在新的[zn，zn+1]区间内用二分法求解直到找到符合要求的解x，y，zm；sn′·sm′＝0时作为特殊情况进行讨论，此时解为区间端点。
求得的值分别为：
x0＝-0.661796e-02
y0＝-2.076879e-02
z0＝-4.877020e-03
即0.66cm 2.08cm 4.88mm如附图3所示。
上述计算结果与设定结果基本相符，其定位精度约在电极间距的五分之一，说明了本发明所提接近觉探测方法的可行性。

Claims (8)

1.一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，探测电极分别接入电荷传感器，电荷传感器与采集处理模块连接，当目标物体在一定范围内在垂直于电极平面方向向电极接近时，探测电极同时感应目标接近时电荷量的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，采集处理模块将采集到的多组电压数据进行幅值比较，筛选出前三个输出幅值最大的探测电极数据，得到目标物在探测电极平面的投影点的初步范围，进一步地用多元方程步进二分法可以实现物体具体位置的求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极材料为导电材料，如铜，铝，锡，氮化硅等。
3.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极形状相同，可以为方形，长方形，圆形等。
4.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的电极个数满足：n≥2，m≥2。
5.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的单个电极面积满足：S≥1mm2。
6.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的形状可以是方形，长方形，圆形等。
7.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，电极平面垂直于目标运动方向放置，若电极形状为方形，边长为a，间距为d，电极从左往右从上往下依次编号为1到n×m；
2)目标物体在垂直电极平面方向向电极接近，目标在电极平面的投影点为A，假设i，j分别为电极的列号和行号，其中1≤i≤m，1≤j≤n，则电极的编号为N＝m·(j-1)+i，电极对应的坐标分别为(x(i)，y(j))，以阵列中第i0列第j0行的电极为参考电极，其中心点相对于A点的坐标为(x0，y0)，则根据每个电极相对于坐标(x0，y0)的位置关系可以得到每个电极相对于A点的位置，其中：
x(i)＝(i-i0)·(a+d)+x0
y(j)＝(j-j0)·(a+d)+y0 (1)
目标物体在某位置时，每个电极产生的感应电荷QN(i，j)关于(x(i)，y(j))的表达式如下，其中Q0为运动目标所带电荷量，z0为目标物体与电极平面的垂直距离；
Figure FSA0000193348220000021
3)将步骤2)中的电极接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输出，设电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为Ci，则每个电极对应的电荷传感器的输出电压VoN(i，j)如(3)式所示，其中i，j分别为电极的列号和行号，x(i)，y(j)已由(1)式给出：
Figure FSA0000193348220000022
4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)的电荷传感器输出电压实现同步采集，根据前三个输出电压幅度最大的电极编号，处理模块将把物体在电极平面的投影初步限制在这三个电极范围内，将这三个电极的坐标(x(i)，y(j))和输出VoN(i，j)分别带入(3)式得到关于x0，y0，z0的三元方程组并给出x0，y0的取值范围，具体如下：
若前三个输出最大的电极的列号和行号分别为(i1，j1)、(i2，j2)、(i3，j3)，对应电极编号为N1、N2、N3，电极边长与间距分别为a、d，则由前三个输出最大的电极构成的关于x0，y0，z0的三元方程组为：
Figure FSA0000193348220000031
其中：
x(i1)＝(i1-i0)·(a+d)+x0y(j1)＝(j1-j0)·(a+d)+y0x(i2)＝(i2-i0)·(a+d)+x0
y(j2)＝(j2-j0)·(a+d)+y0
x(i3)＝(i3-i0)·(a+d)+x0
y(j3)＝(j3-j0)·(a+d)+y0
x0，y0的取值范围为：
x0∈[xmin，xmax]，y0∈[ymin，ymax]
其中：
Figure FSA0000193348220000041
5)x0、y0的取值范围由式(5)给出，z0的取值范围可根据实际探测范围设定，在取值范围内对三元方程组(4)进行二分法求解，从而得到(x0，y0，z0)精确的定位，算法的步骤可概括为：
建立bisect3函数用于三元方程组的求解：
函数表达式为：[x，y，z]＝bisect3(f1，f2，f3，xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax)
函数的输入参数为：形如
Figure FSA0000193348220000042
的三元方程组：f1＝f1(x，y，z)，f2＝f2(x，y，z)，f3＝f3(x，y，z)，方程组的解x，y，z的取值范围分别为[xmin，xmax]，[ymin，ymax]，[zmin，zmax]，函数的返回值为：三元方程组的解x，y，z。
8.根据权利要求6所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，所述bisect3函数的算法过程为：
①先限定z的值为初值z0＝zmin，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure FSA0000193348220000043
令s0′＝f3(x，y，z0)，
②在此基础上限定y的值为初值y0＝ymin，将y0代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y0，z0)＝0，令s0＝f2(x，y0，z0)，
③对方程f1(x，y0，z0)＝0用解一元方程的二分法进行求解得到返回值x。
④将步骤③中返回的x值代回得到s0的值，再让②中y0增加一个步长h得到y1＝y0+h，令s1＝f2(x，y1，z0)，将y1代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y1，z0)＝0，用解一元方程二分法求出f1(x，y1，z0)＝0在求根区间内的解，然后将返回的x值代回得到s1的值，若s0·s1≤0，则在这个步长[y0，y1]内有解，否则推进步长h直得到区间为[yn，yn+1]时，有sn·sn+1≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[yn，yn+1]，最后在区间[yn，yn+1]内用二分法求解：取ym＝(yn+yn+1)/2，当f2(x，ym，z0)小于给定精度e时，将x，ym作为函数的返回值x，y。
⑤让步骤①中z0增加一个步长h得到z1＝z0+h，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组
Figure FSA0000193348220000051
令s′1＝f3(x，y，z1)，同理用步骤②③④的方法将返回的x，y值代入得到s′1，若s′0·s′1≤0，则在这个步长[z0，z1]内有解，否则向前推进一个步长得到区间[z1，z2](其中z2＝z1+h)，重复这个过程直到区间为[zn，zn+1]时，有s′n·s′n+1≤0成立，则找到了解所在的步长范围为[zn，zn+1]，最后在区间[zn，zn+1]内用二分法求解：取zm＝(zn+zn+1)/2，当f3(x，y，zm)的值小于给定精度e时，x，y，zm即为方程的解。
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