CN113907665A - 一种自移动设备及碰撞位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自移动设备及碰撞位置检测方法，该自移动设备包括：本体(1)；外壳(2)，环绕设置于所述本体(1)的外侧面(12)；至少两个压电传感器(4)，所述压电传感器(4)与所述外壳(2)相连；控制器(5)，与所述压电传感器(4)通信连接，所述控制器(5)根据所述压电传感器(4)的感应信号计算所述外壳(2)的碰撞位置。本发明能够通过压电传感器的感应信号方便的计算外壳的碰撞位置，碰撞位置的计算结果更为精确。

Description

一种自移动设备及碰撞位置检测方法

技术领域

本发明涉及碰撞检测技术，尤其涉及一种自移动设备及碰撞位置检测方法。

背景技术

自移动设备，例如扫地机器人、自动割草机等，是一种能够自动在工作区域内移动作业的设备。以扫地机器人为例，其能够在室内地面移动，进行吸尘、扫地、拖地等清洁作业，方便人们的生活。

扫地机器人在移动过程中不可避免的会与周围环境中的物体发生碰撞，在碰撞发生后，需要检测碰撞在自移动设备上发生的位置，以使得扫地机器人能够重新规划路径，进行转向以避免重复碰撞，使得扫地机器人能够智能化的移动作业。因此，碰撞检测作为扫地机器人智能化的核心要素已经变得越来越重要，相关技术中，扫地机器人主要是利用产品分体式碰撞模块来实现的，而分体式的碰撞模块装配难度高，产品的可靠性较低，整机一体化程度低，且其检测精度低，无法满足不同场景下复杂的碰撞检测需求。

因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自移动设备及碰撞位置检测方法，能够方便的识别碰撞发生的位置。

为实现上述发明目的，一方面，本发明提出了一种自移动设备，包括：

本体；

外壳，环绕设置于所述本体的外侧面；

至少两个压电传感器，所述压电传感器与所述外壳相连；

控制器，与所述压电传感器通信连接，所述控制器根据至少两个所述压电传感器的感应信号计算所述外壳的碰撞位置。

进一步地，所述压电传感器为贴设于所述外壳外周面或者内周面的压电陶瓷传感器。

进一步地，所述的自移动设备还包括设于所述本体和所述外壳之间的缓冲层。

进一步地，所述自移动设备包括三个以上的压电传感器。

进一步地，所述外壳呈环绕于所述本体外侧面的封闭的环状；或者，

所述外壳包括多个环绕于所述外侧面的子外壳，每一所述子外壳均连接有至少两个所述压电传感器。

另一方面，本发明提出了一种碰撞位置检测方法，用于检测如上任一项所述的自移动设备的碰撞位置，所述自移动设备包括至少一组压电传感器，每组所述压电传感器均包括第一压电传感器和第二压电传感器，所述碰撞位置检测方法包括如下步骤：

S1.获取所述第一压电传感器和所述第二压电传感器的感应信号；

S2.根据获取到的所述第一压电传感器和第二压电传感器的感应信号计算所述碰撞位置距所述第一压电传感器或者所述第二压电传感器的传递距离；

S3.根据所述传递距离、所述第一压电传感器或者所述第二压电传感器的位置信息以及所述外壳的轮廓信息得到所述碰撞位置的坐标。

进一步地，所述步骤S2中，根据获取到的所述第一压电传感器和第二压电传感器的感应信号的时间以及振动信号在外壳内的传播速度V计算得到所述碰撞位置距所述第一压电传感器或者所述第二压电传感器的传递距离。

进一步地，所述碰撞位置距所述第一压电传感器的传递距离LAC通过如下公式计算得到：

所述碰撞位置距所述第二压电传感器的传递距离通过如下公式计算得到：

式中，L_AB为所述第一压电传感器至所述第二压电传感器的传递距离；t1为获取到所述第一压电传感器的振动信号的时间；t2为获取到所述第二压电传感器的振动信号的时间。

进一步地，所述步骤S1和步骤S2之间还包括如下步骤：

判断所述碰撞位置位于所述第一压电传感器和第二压电传感器连线的第一侧还是第二侧，进而确定所述第一压电传感器和第二压电传感器之间传递距离L_AB的取值。

进一步地，所述自移动设备包括多组压电传感器，所述碰撞位置检测方法还包括位于所述步骤S3后的如下步骤：

S4.根据多组压电传感器的感应信号计算出多个碰撞位置坐标，将多个碰撞位置坐标的平均值作为最终的碰撞位置坐标。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的自移动设备碰撞检测传感器设置有位于本体外的外壳以及与外壳相连的压电传感器，在外壳发生碰撞后，压电传感器能够产生感应信号，进而能够根据感应信号计算得出碰撞发生的位置，其结构简单，能够方便的得到碰撞位置，且计算得到的位置精度高，使得自移动设备能够更好的规划路径，进行避障。

附图说明

图1是本发明中自移动设备碰撞检测装置的结构示意图。

图2是本发明中自移动设备碰撞检测装置另一视向的结构示意图。

图3是图2中未显示外壳和缓冲层时的结构示意图。

图4是本发明中压电传感器在外壳上的位置示意图。

图5是本发明中一种实施方式的感应信号的频谱图。

图6是本发明中外壳设有三个压电传感器时的示意图。

图7是本发明中外壳包括多个子外壳时的示意图。

图8是本发明中压电传感器与控制器的模块示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1和图2所示，对应于本发明一种较佳实施例的自移动设备，其包括本体1、设于本体1外部的外壳2、用于驱动本体1移动的行走机构3、与外壳2相连的压电传感器4以及与压电传感器4相连的控制器5。

本体1为自移动设备的主体，其内设置有用于执行相应作业的部件，以扫地机器人为例，其本体1内常设有真空泵和尘盒等，通过真空泵将地面的脏污吸入尘盒内，以对地面进行清洁。

行走机构3与本体1相连，其通常包括与地面接触的滚轮以及与滚轮相连的电机，通过电机驱动滚轮转动，使得自移动设备能够在地面移动，进而对不同的区域进行清洁作业。通常，行走机构3的滚轮可以分为导向轮和驱动轮，导向轮主要起到导向的作用，而驱动轮则主要用于驱动本体1移动。

如图3所示，本体1设有顶面10、底面11以及连接在顶面10和底面11之间的外侧面12。图3中示出的本体1呈扁圆柱形，其外侧面12为圆环面，在其他实施方式中，本体1的形状不限于此，例如可以是长方体状或者其他形状等。

外壳2环绕设置在本体1的外周面12上，其位于自移动设备的最外部，在自移动设备移动的过程中，将率先与外部环境物体发生碰撞，因此，外壳2能够起到保护内部的本体1的作用。同时，压电传感器4连接在外壳2上，在外壳2发生碰撞时，外壳2将发生轻微变形，该变形能够为压电传感器4所感知到，并产生感应信号。

外壳2在碰撞时将发生振动，并引起形变，振动信号能够沿着外壳2传递至压电传感器4处，使得压电传感器4同样发生轻微的振动变形，进而产生一系列大小不一的感应信号。作为一种优选的实施方式，压电传感器4为压电陶瓷传感器，其具有压电效应，在变形后会产生电信号，因而当外壳2发生撞击后，压电传感器4能够在振动信号激励的作用下产生感应信号。压电陶瓷传感器可以以贴片的形式贴设在外壳2上，安装十分方便，例如贴设在外壳2内周面或者外周面上，优选的，压电陶瓷传感器贴设于外壳2的内周面上，以使得其不会直接与其他物体发生撞击，能够受到外壳2的保护，可靠性更高。

压电传感器4的数量至少为两个，两个压电传感器4分别设置在外壳2的外周面或者内周面的不同的位置处，压电传感器4的位置信息事先存储于控制器5内，属于已知参数，当碰撞发生时，两个压电传感器4将分别感应到碰撞，进而产生大小不一的感应信号。压电传感器4与控制器5电连接，能够将感应信号传输给控制器5，并由控制器5对信号进行分析处理，根据获取到的压电传感器4感应信号能够判断出碰撞发生的具体位置，根据压电传感器4产生的感应信号数值的大小能够判断出碰撞的力度。

如图4所示，图4示出的外壳2上设置有两个压电传感器4，为叙述方便，其中两个压电传感器4被分别称为第一压电传感器4a和第二压电传感器4b，其中，第一压电传感器4a位于A处，第二压电传感器4b位于B处。第一压电传感器4a和第二压电传感器4b自身在外壳2上的位置信息是已知的(例如以坐标的形式存储在控制器5内)，两者之间的传递距离也是已知的，传递距离指的是振动信号从碰撞位置C沿着外壳2的实体部分传递至压电传感器4的距离，在外壳2为圆环形的情况下，传递距离大致为两个点之间的弧长，例如A、B之间的传递距离L_AB为AB的弧长，碰撞位置C与A处的传递距离L_AC为AC的弧长，碰撞位置C与B处的传递距离L_BC为BC的弧长。

振动信号在外壳2内以速度V进行传播，在相同介质中，速度V是恒定的。当碰撞发生时，振动信号将传递至第一压电传感器4a和第二压电传感器4b，其传递至两个压电传感器4的时间与碰撞位置距两个压电传感器4的距离有关，距离越长，相应的时间也越长。压电传感器4形变后产生感应信号的时间基本相同，因此，控制器5收到两个压电传感器4的感应信号的时间差Δt与两个压电传感器4a收到振动信号的时间差一致。

如图5所示，图5示出了在碰撞发生后两个压电传感器4产生的感应信号的频谱图，该时间差Δt能够在频谱图上获得，具体而言，该频谱图上显示有第一压电传感器4a产生的第一感应信号400以及由第二压电传感器4a产生的第二感应信号401，第一感应信号400和第二感应信号401有明显的接收顺序，距离碰撞位置越近的压电传感器4产生的感应信号，将越早的出现在频谱图上。图中，控制器5在第一时间t1接收到第一感应信号400，在第二时间t2接收到第二感应信号401，两个感应信号出现的间隔时间即为时间差Δt。

碰撞位置C至压电传感器4的传递距离L可通过如下公式计算得到：

其中，Δt为接收到的所述压电传感器4的振动信号与另一压电传感器4的振动信号的时间差。

具体的，碰撞位置C至第一压电传感器4a的传递距离L_AC可通过如下公式计算得到：

碰撞位置C至第二压电传感器4b的传递距离L_BC可通过如下公式计算得到：

外壳2的形状参数是已知的，其轮廓信息预设于控制器5内，控制器5能够根据计算得到的传递距离、与传递距离对应的压电传感器4的位置信息以及外壳2的轮廓信息，得到碰撞位置C的坐标。例如，当外壳2为圆环形时，在计算出传递距离后，可以通过例如外壳2的半径等轮廓信息计算出碰撞位置与压电传感器4之间的圆心角，进而获得碰撞位置C的极坐标；又例如，当外壳2为矩形时，可以通过外壳2的长、宽或者外壳2的轮廓坐标等轮廓信息计算出碰撞位置C的直角坐标。

显然的，只需计算L_AC和L_BC其中之一即可计算得到碰撞位置的坐标，通过计算L_AC和L_BC，可以根据两者计算得到两个碰撞位置坐标，进而可以对两个坐标进行取平均值等计算获得更准确的坐标位置。

可以理解的是，对于呈封闭环状的外壳2而言，A和B之间的传递距离有两种情况，如图4所示，碰撞位置可能位于两个压电传感器4连线(即AB连线)404的第一侧402，例如壳体2的C点，此时振动信号沿着AB连线404第一侧402的外壳2进行传播，AB之间的传递距离L_AB为图中的L_AB1；碰撞位置还可能位于AB连线404的第二侧403，例如壳体2的C’点，此时振动信号沿着AB连线404第二侧403的外壳2进行传播，AB之间的传递距离L_AB为图中的L_AB2。因此，上述公式中的L_AB可能是L_AB1或者L_AB2，可以根据振动信号传递至压电传感器4的方向、自移动设备的移动路线或者参照摄像头、雷达等扫描得到的周围环境等方式来判断碰撞位置位于AB连线404的第一侧402还是第二侧403，进而选择对应的L_AB1或者L_AB2进行计算。

显然的，当外壳2以AB连线404对称时，L_AB1和L_AB2的取值相同，可以以相同的定值进行计算。

为了更方便的判断碰撞位置，压电传感器4的数量为3个或更多个，这样，可以通过其他压电传感器4(例如图6中的第三压电传感器4c)来判断碰撞发生的位置所在侧，例如根据感应信号的强度或者获取到感应信号的时间来判断碰撞位置所在侧，距离而言，当碰撞位置在AB连线404的第二侧403时，第三压电传感器4c产生的感应信号的时间要晚于另外两个压电传感器的感应信号的时间，而碰撞位置在AB连线404的第一侧402时，则不会有该特点，进而可以据此判断碰撞位置所在侧。

作为一种优选的实施方式，压电传感器4的数量为三个或更多个，此时，可以将两个压电传感器4作为一组，计算出多个碰撞位置的坐标，然后将这些坐标的平均值作为最终的碰撞位置坐标，结果更为准确。

在一种优选的实施方式中，外壳2呈封闭的环状，且外壳2为一体成型的，这样压电传感器4的位置精度更高，振动信号在外壳2内的传递速度更为一致，更易保证计算得出的碰撞位置坐标的准确性；在另一种优选的实施方式中，如图7所示，外壳2包括多个子外壳20，子外壳20环绕设置于本体1外部，相邻两个子外壳20的端部可以贴合也可以具有一定的间距，每一子外壳20上均设置有至少两个压电传感器4，以便于计算碰撞位置，由于振动在相邻两个子外壳20之间能够快速衰减，因此，可以根据感应信号的强弱方便的判断碰撞发生于哪一个子外壳20上，更便于计算碰撞位置，优选的，至少子外壳20的两端部设置有压电传感器4。

由于本体1内具有复杂的结构和部件，因此碰撞发生后，通过本体1传输至压电传感器4的信号会因为折射和反射等原因大幅衰减，且因为传递路径的增加，本体1传递的振动信号将滞后于外壳2传递的振动信号，可以方便的在频谱图上排除该干扰信号，识别出有效的感应信号进行计算。

进一步地，为了更好的识别出感应信号，在外壳2和本体1之间设置有缓冲层6，缓冲层6优选为橡胶。缓冲层6的设置，一方面能够使得外壳2传输至本体1的信号大幅衰减，方便了处理器对有效信号的识别，可以减少算法的复杂程度，提高系统的计算速度，另一方面，能够起到缓冲的作用，对本体1的保护效果更好。缓冲层6可以是完整的环形，也可以是多个间隔设置的缓冲件。

控制器5为自移动设备的电气控制部分，其用于接收压电传感器4传输的感应信号，对感应信号进行分析处理，并计算得出碰撞位置，之后可以重新规划路径，控制自移动设备避障。

如图8所示，控制器5包括与压电传感器4电连接的电荷放大器50、与电荷放大器50电连接的高通滤波器51、与高通滤波器51电连接的电压放大器52、与电压放大器52电连接的模拟数字转换器(A/D转换器)53以及与模拟数字转换器53电连接的处理器54。

压电传感器4传输的感应信号为模拟量，通过电荷放大器50放大后由高通滤波器51滤波，之后信号经电压放大器52放大，再由模拟数字转换器53转换为数字信号传输至处理器54进行计算，处理器54能够根据接收到的数字信号以及内置的算法程序计算出碰撞位置坐标。

作为一种优选的实施方式，上文所述的自移动设备为扫地机器人。

本发明的自移动设备碰撞检测传感器设置有位于本体外的外壳以及与外壳相连的压电传感器，在外壳发生碰撞后，压电传感器能够产生感应信号，进而能够根据感应信号计算得出碰撞发生的位置，其结构简单，能够方便的得到碰撞位置，且计算得到的位置精度高，使得自移动设备能够更好的规划路径，进行避障。

本发明还提出一种碰撞位置检测方法，用于检测上文所述的自移动设备在碰撞后的碰撞位置，该碰撞位置检测方法包括如下步骤：

S1.获取第一压电传感器4a和第二压电传感器4b的感应信号；

S2.根据获取到的第一压电传感器4a和第二压电传感器4b的感应信号计算碰撞位置距第一压电传感器4a或者第二压电传感器4b的传递距离；

S3.根据计算得到的传递距离、第一压电传感器4a或者第二压电传感器4b的位置信息以及外壳2的轮廓信息得到碰撞位置的坐标。

上述步骤S1中，碰撞发生后，振动信号自碰撞位置传递至两个压电传感器4，进而使得两个压电传感器4产生感应信号，该感应信号由控制器5接收到。

上述步骤S2中，控制器5根据获取到的第一压电传感器4a和第二压电传感器4b的感应信号的时间以及振动信号在外壳2内的传播速度V计算得到碰撞位置距第一压电传感器4a和/或第二压电传感器4b的传递距离。

具体的，碰撞位置距压电传感器4的传递距离L_AC可通过如下公式计算得出：

碰撞位置距第二压电传感器4b的传递距离可通过如下公式计算得到：

式中，L_AB为第一压电传感器4a和第二压电传感器4b之间的传递距离，t1为获取到所述第一压电传感器(4a)的振动信号的时间；t2为获取到所述第二压电传感器(4b)的振动信号的时间。

正如上文所述，对于封闭环状的外壳2，传递距离L_AB可能为L_AB1或者_LAB2，因此，步骤S1和步骤S2之间还包括如下步骤：

判断碰撞位置位于第一压电传感器4a和第二压电传感器4b连线的第一侧402还是第二侧403，进而确定第一压电传感器4a和第二压电传感器4b之间传递距离L_AB的取值。具体而言，当碰撞位置位于第一侧402时，传递距离L_AB为L_AB1，当碰撞位置位于第二侧403时，传递距离L_AB为L_AB2。可以根据振动信号传递至压电传感器4的方向、自移动设备的移动路线或者参照摄像头、雷达等扫描得到的周围环境等方式来判断碰撞位置位于AB连线404的第一侧402还是第二侧403，进而选择对应的L_AB1或者L_AB2进行计算。

当压电传感器4的数量为三个或者以上时，可以将两个压电传感器4作为一组，即自移动设备包括有多组的压电传感器4，每组压电传感器4均包括两个压电传感器4：第一压电传感器4a和第二压电传感器4b。为了提高计算结果的准确性，上述的碰撞位置检测方法还包括位于步骤S3之后的如下步骤：

S4.根据多组压电传感器4的感应信号计算出多个碰撞位置坐标，将多个碰撞位置坐标的平均值作为最终的碰撞位置坐标。

步骤S4中，选择不同组的压电传感器4通过上述的步骤S1至S3进行计算，得到多个碰撞位置坐标，之后对多个碰撞位置坐标取平均值，能够使得最终的碰撞位置坐标与实际的碰撞位置坐标误差更小，精度更高。

上述仅为本发明的一个或多个具体实施方式，其它基于本发明构思的前提下做出的任何改进都视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自移动设备，其特征在于，包括：

本体(1)；

外壳(2)，环绕设置于所述本体(1)的外侧面(12)；

至少两个压电传感器(4)，所述压电传感器(4)与所述外壳(2)相连；

控制器(5)，与所述压电传感器(4)通信连接，所述控制器(5)根据至少两个所述压电传感器(4)的感应信号计算所述外壳(2)的碰撞位置。

2.如权利要求1所述的自移动设备，其特征在于，所述压电传感器(4)为贴设于所述外壳(2)外周面或者内周面的压电陶瓷传感器。

3.如权利要求1所述的自移动设备，其特征在于，其还包括设于所述本体(1)和所述外壳(2)之间的缓冲层(6)。

4.如权利要求1所述的自移动设备，其特征在于，所述自移动设备包括三个以上的压电传感器(4)。

5.如权利要求1至4任一项所述的自移动设备，其特征在于，所述外壳(2)呈环绕于所述本体(1)外侧面(12)的封闭的环状；或者，

所述外壳(2)包括多个环绕于所述外侧面(12)的子外壳(20)，每一所述子外壳(20)均连接有至少两个所述压电传感器(4)。

6.一种碰撞位置检测方法，用于检测如权利要求1至5任一项所述的自移动设备的碰撞位置，所述自移动设备包括至少一组压电传感器(4)，每组所述压电传感器(4)均包括第一压电传感器(4a)和第二压电传感器(4b)，其特征在于，所述碰撞位置检测方法包括如下步骤：

S1.获取所述第一压电传感器(4a)和所述第二压电传感器(4b)的感应信号；

S2.根据获取到的所述第一压电传感器(4a)和第二压电传感器(4b)的感应信号计算所述碰撞位置距所述第一压电传感器(4a)或者所述第二压电传感器(4b)的传递距离；

S3.根据所述传递距离、所述第一压电传感器(4a)或者所述第二压电传感器(4b)的位置信息以及所述外壳(2)的轮廓信息得到所述碰撞位置的坐标。

7.如权利要求6所述的碰撞位置检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据获取到的所述第一压电传感器(4a)和第二压电传感器(4b)的感应信号的时间以及振动信号在外壳(2)内的传播速度V计算得到所述碰撞位置距所述第一压电传感器(4a)和/或所述第二压电传感器(4b)的传递距离。

8.如权利要求7所述的碰撞位置检测方法，其特征在于，

所述碰撞位置距所述第一压电传感器(4a)的传递距离L_AC通过如下公式计算得到：

所述碰撞位置距所述第二压电传感器(4b)的传递距离L_BC通过如下公式计算得到：

式中，L_AB为所述第一压电传感器(4a)至所述第二压电传感器(4b)的传递距离；t1为获取到所述第一压电传感器(4a)的振动信号的时间；t2为获取到所述第二压电传感器(4b)的振动信号的时间。

9.如权利要求8所述的碰撞位置检测方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S2之间还包括如下步骤：

判断所述碰撞位置位于所述第一压电传感器(4a)和第二压电传感器(4b)连线的第一侧(402)还是第二侧(403)，进而确定所述第一压电传感器(4a)和第二压电传感器(4b)之间传递距离L_AB的取值。

10.如权利要求6至9任一项所述的碰撞位置检测方法，其特征在于，所述自移动设备包括多组压电传感器(4)，所述碰撞位置检测方法还包括位于所述步骤S3后的如下步骤：

S4.根据多组压电传感器(4)的感应信号计算出多个碰撞位置坐标，将多个碰撞位置坐标的平均值作为最终的碰撞位置坐标。

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