CN114355358A - 基于超声波测距的智能避障装置及其避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波测距的智能避障装置及其避障方法，其通过在装置的四周设置前侧超声波传感器组、后侧超声波传感器组、两侧超声波传感器组，利用四周环绕型超声波阵列设计，利用各个超声波传感器组之间的配合控制，实现装置自动四周避障的效果，并且无需转弯后才判断侧方障碍物，能够在行进过程中或停止行进状态下即可提前预判侧方障碍物，以便及时进入避障状态，极大的提高了作业效率；其中，所述前侧超声波传感器组进一步包括左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组，利用前侧斜向的超声波检测的交互算法，能够更准确的控制转弯避障。

Description

基于超声波测距的智能避障装置及其避障方法

技术领域

本发明涉及超声波测距技术领域，特别是一种基于超声波测距的智能避障装置及其避障方法。

背景技术

随着智能机器人的普及，其中自动避障是智能机器人进行移动作业中不可缺少的基本技能。自动避障是指智能机器人通过传感器等感应外部环境与自身状态，在不需要外部指令的情况下实现有障碍物外部环境的自主移动作业。

应用较广泛的自动避障技术主要是基于超声波测距技术，其原理包括：超声波传感器先发送一个信号，信号遇到障碍物后就会被反弹回来再被超声波传感器接收，接收到的高电平持续的时间就是超声波从发射到接收到的时间，所以测试的距离＝(高电平时间*声速)/2；再将距离单位换算成厘米，换算函数为：distance＝pulseIn(EchoPin,HIGH)/58；其中，pulseIn()用于检测引脚输出的高低电平的脉冲宽度，EchoPin为接收信号的引脚，HIGH为需要读取的脉冲类型。

传统的超声波测距避障基本思路如下：

1.直行避障：先让机器人行走的同时检查正前方有无障碍，如果没有就继续向前走，有的话进行测距，并判断距离是否达到避障的条件；

2.转弯避障：需要转弯避障时，机器人需要先向其中一侧转动方向后，再检测当前方向的前方障碍物，当检测到障碍物后再进一步检测，如此反复直至前方无障碍物。

采用该传统避障方法，在转弯避障时无法在直行过程时进行提前预判侧方障碍，导致需要边转动方向边检测，极大的影响了机器人等自动避障装置的行进速度和作业效率。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种基于超声波测距的智能避障装置及其避障方法，本发明的方案无需转弯后才判断侧方障碍物，能够在行进过程中或停止行进状态下即可提前预判侧方障碍物，以便及时进入避障状态，极大的提高了作业效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超声波测距的智能避障装置，其包括：

前侧超声波传感器组，设置于装置的前侧，用于前方避障；

后侧超声波传感器组，设置于装置的后侧，用于后方避障；

两侧超声波传感器组，设置于装置的左右两侧，用于侧方避障；

其中，所述前侧超声波传感器组进一步包括左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组，分别设置于装置的左前侧和右前侧；所述左前侧超声波传感器组用于检测左前方障碍物，所述右前侧超声波传感器组用于检测右前方障碍物；根据装置的行进方向启动对应方向的超声波传感器组，并关闭其他方向的超声波传感器组；当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波传感器组，根据其他方向的检测结果控制所述装置的避障模式。

优选的，根据所述左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离控制所述装置的转弯避障方向。

进一步的，所述转弯避障方向的控制方法包括：

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于另一侧检测的障碍物距离时，则控制所述装置向另一侧转弯避障；或者，

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第一阈值，另一侧检测的障碍物距离大于或等于第一阈值，则控制所述装置向另一侧转弯避障。

优选的，当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的两侧检测的障碍物距离均小于第二阈值时，则控制所述装置向后方运动直至大于或等于所述第二阈值，或者直至符合满足转弯避障的距离要求。

优选的，当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第二阈值，且所述装置当前状态为转弯状态、转动角速度大于0.2m/s时，则控制所述装置停止转弯。

优选的，所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第三阈值时，控制所述装置减速运行；所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第一阈值时，控制所述装置停止前进。

优选的，所述第一阈值为0.25m，所述第二阈值为0.1m～0.15m，所述第三阈值为0.45m～0.5m。

优选的，每个超声波传感器组包括一超声波发射模块和一超声波接收模块，且所述超声波发射模块和超声波接收模块的检测角度为±15°、测距范围为3cm～11m；其中，所述左前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该左前侧超声波传感器组的左侧，超声波接收模块设置于该左前侧超声波传感器组的右侧；所述右前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该右前侧超声波传感器组的右侧，超声波接收模块设置于该右前侧超声波传感器组的左侧。

优选的，所述装置还包括对称分布在左右两侧的麦克纳姆轮，左侧超声波传感器组设置于左侧两个麦克纳姆轮之间的位置，右侧超声波传感器组设置于右侧两个麦克纳姆轮之间的位置。

另外，本发明还提供一种基于超声波测距的智能避障方法，其包括以下步骤：

根据行进方向启动对应方向的超声波检测，并关闭其他方向的超声波检测；

当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波检测，并根据其他方向的检测结果控制避障模式；或者，根据行进方向的两斜侧方的障碍物距离控制转弯避障方向。

本发明的有益效果是：

本发明的基于超声波测距的智能避障装置及方法，其利用四周环绕型超声波阵列设计，利用各个超声波传感器组之间的配合控制，实现装置自动四周避障的效果，并且无需转弯后才判断侧方障碍物，能够在行进过程中或停止行进状态下即可提前预判侧方障碍物，以便及时进入避障状态，极大的提高了作业效率；并且，本发明利用前侧斜向的超声波检测的交互算法，能够更准确的控制转弯避障。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

第一实施例(四个方向避障方案)

本实施例的一种基于超声波测距的智能避障装置，其包括：

前侧超声波传感器组，设置于装置的前侧，用于前方避障；

后侧超声波传感器组，设置于装置的后侧，用于后方避障；

两侧超声波传感器组，设置于装置的左右两侧，用于侧方避障；

采用本实施例的方案，可检测4个方向的障碍物距离，可根据装置的行进方向启动对应方向的超声波传感器组，并关闭其他方向的超声波传感器组；当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波传感器组，根据其他方向的检测结果控制所述装置的避障模式。采用本实施例的四周环绕型超声波阵列设计，从而实现了所述装置自动四周避障的效果。

本实施例中，所述装置还包括对称分布在左右两侧的麦克纳姆轮，左侧超声波传感器组设置于左侧两个麦克纳姆轮之间的位置，右侧超声波传感器组设置于右侧两个麦克纳姆轮之间的位置。

本实施例的装置在导航过程中可根据所述装置的运行方向进行避障方向选择，导航过程检测到障碍物能停止运行。例如，当检测到前方障碍物时，先启动左右两侧的障碍物检测，根据两侧的检测结果判断向左避障或者向右避障；当左右两侧均检测到障碍物时，向后倒退行驶并同时启动后侧的障碍物检测；当后退至预设距离时，再次启动两侧的障碍物检测并判断避障方向。

本实施例中，每个超声波传感器组包括一超声波发射模块和一超声波接收模块，且所述超声波发射模块和超声波接收模块的检测角度为±15°，最大可实现测距范围为3cm～11m；各个超声波传感器组的障碍物检测高度为6mm，检测精度为5mm，0.25m距离以内检测角度100度，0.25m以外检测角度60度，可同时检测不同距离的多个障碍物。

本实施例中，所述装置的前侧超声波传感器组检测到正前方障碍物的距离小于0.50m时，减速至0.05m/s；当检测到正前方障碍物的距离小于0.25m时，控制所述装置停止运动；当检测到正前方障碍物的距离小于0.1m，往相反方向运动直到障碍物大于0.25m以上。

第二实施例(斜侧方向避障方案)

在第一实施例的基础上，本实施例除了能够实现前后左右四个方向的避障，还可实现左前侧和右前侧的斜侧方向避障检测，从而能够更精准的控制转弯避障方向。

具体的，本实施例所述前侧超声波传感器组进一步包括左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组，分别设置于装置的左前侧和右前侧；所述左前侧超声波传感器组用于检测左前方障碍物，所述右前侧超声波传感器组用于检测右前方障碍物。其中，所述左前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该左前侧超声波传感器组的左侧，超声波接收模块设置于该左前侧超声波传感器组的右侧；所述右前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该右前侧超声波传感器组的右侧，超声波接收模块设置于该右前侧超声波传感器组的左侧。

本实施例可根据所述左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离控制所述装置的转弯避障方向。具体控制方法包括：

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于另一侧检测的障碍物距离时，则控制所述装置向另一侧转弯避障；或者，

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第一阈值，另一侧检测的障碍物距离大于或等于第一阈值，则控制所述装置向另一侧转弯避障。

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的两侧检测的障碍物距离均小于第二阈值时，则控制所述装置向后方运动直至大于或等于所述第二阈值，或者直至符合满足转弯避障的距离要求。

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第二阈值，且所述装置当前状态为转弯状态、转动角速度大于0.2m/s时，则控制所述装置停止转弯。

当所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第三阈值时，控制所述装置减速运行；所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第一阈值时，控制所述装置停止前进。

本实施例中，所述第一阈值为0.25m，所述第二阈值为0.1m～0.15m，所述第三阈值为0.45m～0.5m。本实施例中，当检测到正前方的障碍物距离小于0.45m时开始减速，并在障碍物距离小于0.1m时停止前进；当左前侧超声波传感器组检测到左前方的障碍物距离存在小于0.1m，且此时所述装置处于逆时针旋转状态、角速度大于0.2m/s，则停止旋转；当右前侧超声波传感器组检测到右前方的障碍物距离小于0.1m，且此时所述装置处于顺时针旋转状态、角速度大于0.2m/s，则停止旋转.

本实施例的其余结构和工作过程与第一实施例相似，在此不进行赘述。

第三实施例(避障方法)

本实施例还提供一种基于超声波测距的智能避障方法，其包括以下步骤：

根据行进方向启动对应方向的超声波检测，并关闭其他方向的超声波检测；当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波检测，并根据其他方向的检测结果控制避障模式；或者，根据行进方向的两斜侧方的障碍物距离控制转弯避障方向。

需要说明的是，本发明所述的避障装置不局限于车辆，还适用于带有轮子等移动机构的智能家居设备、测距设备、移动机器人等。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与第一实施例或第二实施例的装置基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

并且，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于，包括：

前侧超声波传感器组，设置于装置的前侧，用于前方避障；

后侧超声波传感器组，设置于装置的后侧，用于后方避障；

两侧超声波传感器组，设置于装置的左右两侧，用于侧方避障；

其中，所述前侧超声波传感器组进一步包括左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组，分别设置于装置的左前侧和右前侧；所述左前侧超声波传感器组用于检测左前方障碍物，所述右前侧超声波传感器组用于检测右前方障碍物；根据装置的行进方向启动对应方向的超声波传感器组，并关闭其他方向的超声波传感器组；当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波传感器组，根据其他方向的检测结果控制所述装置的避障模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于，根据所述左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离控制所述装置的转弯避障方向。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于，所述转弯避障方向的控制方法包括：

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于另一侧检测的障碍物距离时，则控制所述装置向另一侧转弯避障；或者，

当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第一阈值，另一侧检测的障碍物距离大于或等于第一阈值，则控制所述装置向另一侧转弯避障。

4.根据权利要求3所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于，当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的两侧检测的障碍物距离均小于第二阈值时，则控制所述装置向后方运动直至大于或等于所述第二阈值，或者直至符合满足转弯避障的距离要求。

5.根据权利要求2所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于：当左前侧超声波传感器组和右前侧超声波传感器组的其中任一侧检测的障碍物距离小于第二阈值，且所述装置当前状态为转弯状态、转动角速度大于0.2m/s时，则控制所述装置停止转弯。

6.根据权利要求2所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于：所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第三阈值时，控制所述装置减速运行；所述左前侧超声波传感器组或所述右前侧超声波传感器组检测的障碍物距离小于第一阈值时，控制所述装置停止前进。

7.根据权利要求3至6任一项所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于：所述第一阈值为0.25m，所述第二阈值为0.1m～0.15m，所述第三阈值为0.45m～0.5m。

8.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于：每个超声波传感器组包括一超声波发射模块和一超声波接收模块，且所述超声波发射模块和超声波接收模块的检测角度为±15°、测距范围为3cm～11m；其中，所述左前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该左前侧超声波传感器组的左侧，超声波接收模块设置于该左前侧超声波传感器组的右侧；所述右前侧超声波传感器组的超声波发射模块设置于该右前侧超声波传感器组的右侧，超声波接收模块设置于该右前侧超声波传感器组的左侧。

9.根据权利要求1至6任一项所述的一种基于超声波测距的智能避障装置，其特征在于：所述装置还包括对称分布在左右两侧的麦克纳姆轮，左侧超声波传感器组设置于左侧两个麦克纳姆轮之间的位置，右侧超声波传感器组设置于右侧两个麦克纳姆轮之间的位置。

10.一种基于超声波测距的智能避障方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据行进方向启动对应方向的超声波检测，并关闭其他方向的超声波检测；

当行进方向检测到预设距离内的障碍物时，启动其他方向的一个以上的超声波检测，并根据其他方向的检测结果控制避障模式；或者，根据行进方向的两斜侧方的障碍物距离控制转弯避障方向。