CN113934209B - 一种机器人及机器人周围障碍物探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人及机器人周围障碍物探测方法，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；通过设于所述机器人本体的上方光线反射装置反射后，能将光学测距装置视场角内的光线反射至机器人本体上及其周围，通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测。本发明提供的探测方法，通过校准光线对机器人本体的上表面的校准点距离的测量，并于实际直线距离对比，计算机器人在实时使用的校准系数；通过机器人监测探测光线到待探测地面的探测光程是否发生变化来判断是否有障碍物，并根据变化前后的探测光程，计算障碍物的探测位置，并根据校准系数，对位置信息进行修正，得到障碍物的实际位置，实现精准探测。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人及机器人周围障碍物探测方法。
背景技术
现有技术通过传感器探测障碍实现扫地、拖地机器人的障碍物探测，比较常用的有单点激光测距传感器、线激光测距传感器、红外管测距传感器等，但是这些传感器的测量范围比较小，例如单点激光测距传感器只能测量一个点的距离，线激光测距传感器只能测量一个小范围的线段上的点的距离。因此需要为机器人配置多个传感器才能实现周围障碍探测，导致成本较高。
发明内容
本发明实施例提供一种机器人及机器人周围障碍物探测方法，通过单个光学测距装置实现机器人周围全方位障碍探测，节约成本。
本发明实施例提供一种机器人，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；
所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；
所述光学测距装置朝向所述光线反射装置发出探测光，所述光线反射装置将所述光学测距装置的视场角内的探测光反射至所述机器人本体上及其周围，所述光学测距装置接收经所述光线反射装置从所述机器人本体上及其周围反射回来的反射光。
通过设于所述机器人本体的上方光线反射装置反射后，能将光学测距装置视场角内的光线反射至机器人本体上及其周围，通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测。
本发明实施例提供一种机器人周围障碍物探测方法，适用于上述实施例中中所述的机器人，所述方法包括：
控制所述光学测距装置向视场角内的任意方向发射校准光线至所述光线反射装置，使所述校准光线反射至设于所述机器人本体上的校准点，计算所述校准点到所述光学测距装置的测量距离，根据所述测量距离和所述光学测距装置到所述校准点的直线距离计算校准系数；
控制所述光学测距装置向视场角内的任一方向发射探测光线，所述光线反射装置使探测光线反射至待探测地面；
保持探测光线的所述探测入射角不变，当实时获取的探测光线经所述光线反射装置反射到所述待探测地面的探测光程发生变化时，测量探测到的障碍物的探测位置；
根据所述校准系数校准所述障碍物的探测位置，得到障碍物的实际位置。
优选的，所述测量距离的计算过程具体包括：
获取所述校准光线在所述光线反射装置上的校准入射角和所述校准光线经所述光线反射装置反射到所述校准点的校准光程；
根据所述校准光程和所述校准入射角，由三角函数计算得到所述校准点距离所述光学测距装置的测量距离。
优选的，所述校准系数具体为所述直线距离和所述测量距离的比值。
作为一种优选方式，所述探测位置包括所述障碍物到所述待探测地面的探测高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的探测距离；
所述实际位置包括所述障碍物到所述待探测地面的实际高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的实际距离。
进一步地，所述探测位置的测量过程具体包括：
获取所述探测光线在所述光线反射装置上的探测入射角、实时获取的探测光程发生变化前的初始探测光程和实时获取的探测光程发生变化后的实时探测光程；
根据所述实时探测光程、所述初始探测光程和所述探测入射角，并由三角函数计算得到所述探测高度和/或所述探测距离。
进一步地，所述实际高度具体为所述探测高度与所述校准系数的乘积；
所述实际距离具体为所述探测距离与所述校准系数的乘积。
优选地，所述方法还包括：
当所述实际位置的中的实际高度不小于预设的阈值高度时，控制所述机器人绕行；
当所述实际高度小于所述阈值高度时，控制所述机器人越过所述障碍物。
优选地，所述校准点设于所述机器人本体的上表面的边缘上。
作为一种优选方式，所述光线反射装置与所述光学测距装置之间的垂直距离
其中，Lmax为所述机器人本体的上表面的边缘距离所述光学测距装置的最远距离，为所述光学测距装置的视场角。
本发明提供的一种机器人及机器人周围障碍物探测方法，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；通过光线反射装置反射后，能将视场角内的光线反射至机器人本体上及其周围，通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测，减少传感器成本。本发明提供的探测方法，通过校准光线对机器人本体的上表面的校准点距离的测量，并于实际直线距离对比，计算机器人在实时使用的校准系数；通过机器人监测探测光线到待探测地面的探测光程是否发生变化来判断是否有障碍物，并根据变化前后的探测光程，计算障碍物的探测位置，并根据校准系数，对位置信息进行修正，得到障碍物的实际位置，实现精准探测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种机器人的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法的校准光路的光路原理图；
图4是本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法的障碍物探测的光路原理图。
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，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作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。
本发明实施例提供一种机器人，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；
所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；
所述光学测距装置朝向所述光线反射装置发出探测光，所述光线反射装置将所述光学测距装置的视场角内的探测光反射至所述机器人本体上及其周围，所述光学测距装置接收经所述光线反射装置从所述机器人本体上及其周围反射回来的反射光。
在本实施例具体实施时，参见图1，是本发明实施例提供的一种机器人的结构示意图，所述机器人包括机器人本体，所述机器人本体的上表面装有光学测距装置，并且所述机器人本体上方装有光线反射装置，所述光线反射装置距机器人本体上表面高度为预设高度Ho；光学测距装置用于向上方的光线反射装置发射探测光，并接受光线反射装置从所述机器人本体上及其周围反射回来的反射光，实现障碍物探测；
所述光线反射装置用于将光学测距装置视场角内的探测光进行反射，光学探测装置的探测方向朝向所述光线反射装置，由于光学测距装置视场角在以光学测距装置视场角内的探测范围近似一个倒立的圆锥，光线反射装置将所述光学测距装置的视场角内的探测光反射至所述机器人本体上及其周围，因此能够通过单个光学测距装置实现机器人周围任一角度的障碍物探测。
所述光线反射装置可通过固定支架固定在所述机器人本体上；
需要说明的时，本发明实施例中的光学测距装置可为激光测距装置，包括光发射器和光接收器，能够通过反射回的激光实现障碍物探测；
本发明中采用的光学测距装置和光线反射装置也可为其他测距装置，例如可采用声波探测装置和声波反弹材料，其具体原理与本实施例相同，都在本发明保护范围；
需要说明的是，本实施例的附图中机器人本体上表面为圆形，在其他实施例中，机器人上表面可为其他形状；
需要说明的是，在本实施例的附图中，所述光线反射装置为平面镜，在其他实施例中，可为其他形状，也可倾斜安装，其原理于本方案相同都在本发明保护范围内。
在本实施例中，所述光线反射装置具体为棱型镜、平面镜、锥形镜、曲面镜或不规则镜面，所述棱型镜、所述锥形镜、所述曲面镜或不规则镜面用于将所述光学测距装置视场角内的探测光反射到水平方向，能够实现机器人无限远处测距。
在本实施例中，所述光线反射装置具体为平面镜；如果不需要投射到比较远的地方，做机器人近距离范围的距离探测，可采用平面镜，并将平面镜水平安装，能够以简便、高效地实现障碍物探测；
如果要探测的范围远一些，甚至水平方向，则需要锥形镜、棱形镜或曲面镜，把光学测距装置视场角内的光线投射到远方；或者将平面镜倾斜安装，与水平方向保持一定角度。
通过采用不同形状的光线能够实现对周边任意方向障碍物的探测，对周边近距离的探测，可通过平面镜实现，当需要探测水平方向的距离时，可通过采用其他形状的镜片实现。
本发明实施例提供一种机器人，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；所述光学测距装置朝向所述光线反射装置发出探测光，所述光线反射装置将所述光学测距装置的视场角内的探测光反射至所述机器人本体上及其周围，所述光学测距装置接收经所述光线反射装置从所述机器人本体上及其周围反射回来的反射光。因此能够通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测。
本发明实施例还提供一种机器人周围障碍物探测方法，采用上述实施例提供机器人；参见图2，是本发明实施例提供的一种机器人周围障碍物探测方法的流程示意图，所述方法包括步骤S1～S4：
S1，控制所述光学测距装置向视场角内的任意方向发射校准光线至所述光线反射装置，使所述校准光线反射至设于所述机器人本体上的校准点，计算所述校准点到所述光学测距装置的测量距离，根据所述测量距离和所述光学测距装置到所述校准点的直线距离计算校准系数；
S2，控制所述光学测距装置向视场角内的任一方向发射探测光线，所述光线反射装置使探测光线反射至待探测地面；
S3，保持探测光线的所述探测入射角不变，当实时获取的探测光线经所述光线反射装置反射到所述待探测地面的探测光程发生变化时，测量探测到的障碍物的探测位置；
S4，根据所述校准系数校准所述障碍物的探测位置，得到障碍物的实际位置。
在本实施例具体实施时，通过光学测距装置向视场角内任一方向发射校准光线，任意方向可为机器人前进方向，或需要探测障碍物的方向，校准光线由所述光线反射装置反射经过机器人本体的上表面的校准点，所述校准点可为机器人本体的上表面的边缘或机器人本体上表面的任一点，计算校准点到所述光学测距装置的测量距离，根据所述测量距离和所述光学测距装置到所述校准点的直线距离计算校准系数；
所述测量距离可由光学测距装置的基本原理：通过校准光线的角度和探测光线探测的光程计算得到；
向视场角内任一方向发射探测光线，可通过与校准光线同一方向，改变探测光线的角度，或者选择其他方向发射探测光线，所述探测光线由所述光线反射装置反射照射到待探测地面；
保持探测光线的探测角不变，实时记录当前探测光线被反射回去的探测光程，当地面上有障碍物时，所述探测光线的未抵达地面就被障碍物反射回去，探测光程发生变化时，探测到障碍物；根据变化前后的探测光程和探测光线的角度计算所述障碍物的探测位置；
根据所述校正系数对所述探测位置进行校准，并得到所述障碍物的实际位置。
本发明实施例提供的一种周围障碍物探测方法，机器人本体的上表面安装有光学测距装置，所述机器人本体的上方安装有光线反射装置，所述光学测距装置的探测方向朝向所述光线反射装置；通过校准光线对机器人本体的上表面的校准点距离的测量，并于实际距离对比，计算机器人在实时使用的校准系数；通过机器人监测探测光线到待探测地面的探测光程是否发生变化来判断是否有障碍物，并计算障碍物的探测位置，并根据校准系数，对探测位置进行校准，得到实际位置。通过光线反射装置反射后，能将视场角内的光线反射至机器人周围的360°范围，通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测，并能够修正障碍物的探测位置，实现精准探测。
在本发明提供的又一实施例中，所述测量距离的计算过程具体包括：
获取所述光线在所述光线反射装置上的校准入射角和所述校准光线经所述光线反射装置反射到所述校准点的校准光程；
根据所述校准光程和所述校准入射角，由三角函数计算得到所述校准点距离所述光学测距装置的测量距离。
在本实施例具体实施时，参见图3所示，是本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法的校准光路的光路原理图；其中，O为光学测距装置的位置，P1为校准光线在光线反射装置上反射点，P2为校准点；
根据所述校准光线由所述光学测距装置到校准点的经过的第一测量距离L1，即O-P1-P2的距离，和所述第一角度θ0，θ0为所述校准光线与所述光线反射装置的法线之间的角度，由三角函数计算所述校准点距离所述光学测距装置的测量距离L′1＝L1 cosθ0；
需要说明的时，本实施例的附图中，采用的平面镜水平放置作为光线反射装置进行障碍物探测，在其他实施例中，可采用其他光线反射装置，当采用棱形镜、锥形镜或曲面镜时，反射探测光时，法线的方向需要根据采用的具体镜片以及镜片的角度具体分析；
在本发明提供的又一实施例中，所述校准系数具体为所述直线距离和所述测量距离的比值。
在本实施例具体实施时，根据所述校准距离L′1和所述直线距离L2，直线距离L2为O-P2的距离，计算所述校准系数K＝L2/L′1。
因为机器人安装结构稳定，所以O-P1-P2的距离是一个固定值，记为L2。
所述光学测距装置的光学、电学、结构等元器件，使用时间长了之后会存在老化的问题，老化后光学测距装置的准确度就会下降，此时探测距离就会产生误差，因此需要实时计算校准系数，根据校准系数修正探测距离，提高探测的准确性。
在本发明提供的又一实施例中，所述探测位置包括所述障碍物到所述待探测地面的探测高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的探测距离；
所述实际位置包括所述障碍物到所述待探测地面的实际高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的实际距离。
在本实施例具体实施时，障碍物的探测位置包括所述障碍物到所述待探测地面的探测高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的探测距离；在实际障碍物探测时，可根据实际情况选择，也可同时测量探测高度和探测距离。
所述实际位置与所述探测位置对应，包括所述障碍物到所述待探测地面的实际高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的实际距离；
在具体探测时，测量了探测高度相应可获得实际高度，测量了探测距离相应可获得实际距离。
在本发明提供的又一实施例中，所述探测位置的测量过程具体包括：
获取所述探测光线在所述光线反射装置上的探测入射角、实时获取的探测光程发生变化前的初始探测光程和实时获取的探测光程发生变化后的实时探测光程；
根据所述实时探测光程、所述初始探测光程和所述探测入射角，并由三角函数计算得到所述探测高度和/或所述探测距离。
在本实施例具体实施时，参见图4，是本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法的障碍物探测的光路原理图；光学测距装置发出的探测光线经过光线反射装置的P3反射，打在障碍物的P4点上，在没有障碍物碰到障碍物时打在地面的P5点上；
获取所述探测光线在所述光线反射装置上的探测入射角θ，即所述探测光线与所述光线反射装置的法线的夹角，实时获取的探测光程发生变化前的初始探测光程L0，即O-P3-P5的距离，以及实时获取的探测光程发生变化后的实时探测光程L′0，即O-P3-P4的距离。
通过三角函数计算所述障碍物的探测高度Y；
通过三角函数计算所述障碍物的探测距离X；
其中，Y＝(L0-L′0)cosθ，X＝L′0 sinθ，X为所述障碍物到所述光学测距装置的距离即O与P4的水平距离，X为所述障碍物到所述待探测地面的垂直高度。
通过保持探测入射角不变，监测探测到地面的光程变化来实现障碍物探测的，并且通过探测光程的变化计算出障碍物的探测位置信息，包括探测距离和探测高度。
在本发明提供的又一实施例中，所述实际高度具体为所述探测高度与所述校准系数的乘积；
所述实际距离具体为所述探测距离与所述校准系数的乘积。
在本实施例具体实施时，根据所述校正系数对所述探测位置进行校准，计算所述障碍物的实际高度Y′；
计算所述障碍物的实际距离X′；
其中，Y′＝Y×K，X′＝X×K，其中Y为所述探测高度，X为所述探测距离，所述实际距离为所述障碍物距离所述光学测距装置的距离，所述实际高度为所述障碍物距离所述待检测地面的高度，K为所述校准系数。
采用预先计算的校准系数对障碍物的探测位置信息进行校准，得到所述障碍物的精确高度和所述障碍物的精确距离，减少因为光学测距装置的光学、电学、结构等元器件老化的导致的测量误差，使得探测结果更加准确。
本发明提供的又一实施例中，所述方法还包括：
当所述实际位置的中的实际高度不小于预设的阈值高度时，控制所述机器人绕行；
当所述实际高度小于所述阈值高度时，控制所述机器人越过所述障碍物。
在本实施例具体实施时，设置一个障碍物的阈值高度，当探测的障碍物的实际高度小于阈值高度时，机器人会直接越过障碍物；探测的障碍物的实际高度不小于所述阈值高度时，机器人会绕开障碍物。
本发明实施例提供的机器人周围障碍物探测方法能够精准探测机器人360°范围内的障碍物的高度，并能够根据探测结果自动避障或越障。
在本发明提供的又一实施例中，所述校准点设于所述机器人本体的上表面的边缘上。
在本实施例具体实施时，参见图2所示，所述校准点P2设置于所述机器人本体上表面的边缘；
校准点所述光学测距装置的测量距离和直线距离最大，计算的校准系数更加准确；此外，校准点设置于机器人本体上表面的边缘，在完成校准之后，通过略微增大光学测距装置发出的光线的角度，既能够将探测光线打到所述待检测地面，进行障碍物的监测，探测光线和校准光线角度更加接近，通过该校准系数对探测位置进行校准也更加精确。
在本发明提供的又一实施例中，所述光线反射装置与所述光学测距装置之间的垂直距离
其中，Lmax为所述机器人本体的上表面的边缘距离所述光学测距装置的最远距离，为所述光学测距装置的视场角。
在本实施例具体实施时，参见图1，所述光线反射装置距离所述机器人本体上表面的预设高度当预设高度小于H0时，机器人的光学测距装置发出视场角内光不能投射到地面完成障碍物的探测。
Lmax为所述机器人本体的上表面距离所述光学测距装置的最远距离，为所述光学测距装置的视场角；
需要说明的时，在本发明实施例的附图中，所述机器人本体的上表面为圆形，当所述机器人本体上表面不为圆形时，以机器人本体上表面距离所述光学测据装置最远的距离计算。
本发明提供的一种机器人及机器人周围障碍物探测方法，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；通过光线反射装置反射后，能将视场角内的光线反射至机器人本体上及其周围，通过单个光学测距装置实现机器人周边任一角度的障碍物探测，减少传感器成本。本发明提供的探测方法，通过校准光线对机器人本体的上表面的校准点距离的测量，并于实际直线距离对比，计算机器人在实时使用的校准系数；通过机器人监测探测光线到待探测地面的探测光程是否发生变化来判断是否有障碍物，并根据变化前后的探测光程，计算障碍物的探测位置，并根据校准系数，对位置信息进行修正，得到障碍物的实际位置，实现精准探测。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括：机器人本体、光线反射装置和光学测距装置；
所述光学测距装置装配在所述机器人本体上，所述光线反射装置设于所述机器人本体的上方；
所述光学测距装置朝向所述光线反射装置发出探测光，所述光线反射装置将所述光学测距装置的视场角内的探测光反射至所述机器人本体上及其周围，所述光学测距装置接收经所述光线反射装置从所述机器人本体上及其周围反射回来的反射光；
所述机器人被配置为：
控制所述光学测距装置向视场角内的任意方向发射校准光线至所述光线反射装置，使所述校准光线反射至设于所述机器人本体上的校准点，计算所述校准点到所述光学测距装置的测量距离，根据所述测量距离和所述光学测距装置到所述校准点的直线距离计算校准系数；
控制所述光学测距装置向视场角内的任一方向发射探测光线，所述光线反射装置使探测光线反射至待探测地面；
保持探测光线的所述探测入射角不变，当实时获取的探测光线经所述光线反射装置反射到所述待探测地面的探测光程发生变化时，测量探测到的障碍物的探测位置；
根据所述校准系数校准所述障碍物的探测位置，得到障碍物的实际位置；
所述探测位置包括所述障碍物到所述待探测地面的探测高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的探测距离；
所述实际位置包括所述障碍物到所述待探测地面的实际高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的实际距离；
所述探测位置的测量过程具体包括：
获取所述探测光线在所述光线反射装置上的探测入射角、实时获取的探测光程发生变化前的初始探测光程和实时获取的探测光程发生变化后的实时探测光程；
根据所述实时探测光程、所述初始探测光程和所述探测入射角，并由三角函数计算得到所述探测高度和/或所述探测距离。
2.一种机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，适用于权利要求1中所述的机器人，所述方法包括：
控制所述光学测距装置向视场角内的任意方向发射校准光线至所述光线反射装置，使所述校准光线反射至设于所述机器人本体上的校准点，计算所述校准点到所述光学测距装置的测量距离，根据所述测量距离和所述光学测距装置到所述校准点的直线距离计算校准系数；
控制所述光学测距装置向视场角内的任一方向发射探测光线，所述光线反射装置使探测光线反射至待探测地面；
保持探测光线的所述探测入射角不变，当实时获取的探测光线经所述光线反射装置反射到所述待探测地面的探测光程发生变化时，测量探测到的障碍物的探测位置；
根据所述校准系数校准所述障碍物的探测位置，得到障碍物的实际位置；
所述探测位置包括所述障碍物到所述待探测地面的探测高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的探测距离；
所述实际位置包括所述障碍物到所述待探测地面的实际高度和/或所述障碍物到所述光学测距装置的实际距离；
所述探测位置的测量过程具体包括：
获取所述探测光线在所述光线反射装置上的探测入射角、实时获取的探测光程发生变化前的初始探测光程和实时获取的探测光程发生变化后的实时探测光程；
根据所述实时探测光程、所述初始探测光程和所述探测入射角，并由三角函数计算得到所述探测高度和/或所述探测距离。
3.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述测量距离的计算过程具体包括：
获取所述校准光线在所述光线反射装置上的校准入射角和所述校准光线经所述光线反射装置反射到所述校准点的校准光程；
根据所述校准光程和所述校准入射角，由三角函数计算得到所述校准点距离所述光学测距装置的测量距离。
4.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述校准系数具体为所述直线距离和所述测量距离的比值。
5.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述实际高度具体为所述探测高度与所述校准系数的乘积；
所述实际距离具体为所述探测距离与所述校准系数的乘积。
6.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述方法还包括：
当所述实际位置的中的实际高度不小于预设的阈值高度时，控制所述机器人绕行；
当所述实际高度小于所述阈值高度时，控制所述机器人越过所述障碍物。
7.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述校准点设于所述机器人本体的上表面的边缘上。
8.如权利要求2所述的机器人周围障碍物探测方法，其特征在于，所述光线反射装置与所述光学测距装置之间的垂直距离
其中，Lmax为所述机器人本体的上表面的边缘距离所述光学测距装置的最远距离，ω0为所述光学测距装置的视场角。
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