CN1959435A

CN1959435A - 一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置

Info

Publication number: CN1959435A
Application number: CN 200610116033
Authority: CN
Inventors: 喻礼琼
Original assignee: 喻礼琼
Current assignee: Zhejiang Sci Tech University ZSTU
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: CN100501444C

Abstract

一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，属传感器技术与家用电器技术领域。要组成一个价格低廉，性能可靠，对介质颜色和质地不敏感的障碍物检测装置。其方案是，微控器，以及与之相连接的人机界面系统，驱动系统，传感器检测系统，传感器检测系统的构成是，圆盘状吸尘器正面前端支架上围绕柔性电路板，在电路板上，吸尘器前方半个圆周的180°范围内，均匀分布红外检测单元，并穿插分布超声检测单元；并有带网状孔的透明板覆盖在传感器前；各检测单元有对应的电路；微控器中的运算器还包括信息融合算法器，贴边行走算法器和运动导航算法器。实施本发明后，将红外传感器与超声波传感器相结合，克服了两者的不足，集两者优点于一身，为全自动吸尘器提供了一个性价比较高的多传感器障碍物检测装置。

Description

一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置

技术领域

属传感器技术与家用电器技术领域。

背景技术

全自动吸尘器是新兴的家用电器。随着生活节奏的加快，以及对于家庭卫生的进一步要求，人们迫切需要一种可以自动清扫房间地面，并且可以自我充电和自我保护的全自动设备。近年来电子技术、传感器技术、高容量电池技术的发展，使得这样的愿望逐渐成为可能。以高容量的可充电电池作为移动电源，直流电机作为驱动设备，高速电机作为真空吸尘设备，以红外或者超声波传感器作为障碍物检测装置，组成一个可以独立完成地面清扫任务的全自动吸尘器。其中，障碍物检测装置具有非常重要的作用，可以帮助吸尘器实现避障，防止与周围环境的经常碰撞，同时可以为吸尘器提供导航信息。

目前，自动吸尘器都是单独使用了红外检测技术或者超声波检测技术。美国专利US6594844B2采用红外发射二极管与红外接收二极管成一定夹角的工作方式，进行大功率的红外发射，能够保证深色物体与浅色物体在发射管与接收管的交点附件被有效检测。但是这种方式安装复杂，因此只用于自动吸尘器的台阶检测和贴边过程中的墙面检测。但是采用红外发射管与红外接收管相互平行设置，可以解决安装问题，但是存在一个两难问题：要么无法检测深色物体，要么能够检测深色物体，但是由于发射功率太大，无法统一浅色物体与深色物体的有效检测距离。伊来克斯的国际专利WO 03/062937 A1提出了一种利用超声波进行障碍物检测的设计。该设计为整体式超声波发射，分布式多点接收，性能可靠、优良，但是很显然这种方式使整个系统成本过高。

红外检测技术具有反应速度快，无危害，价格低廉的特点，但是对于深色介质检测能力很弱，并且检测范围小；而超声波检测技术具有检测范围广，无危害，对介质颜色不敏感，但是价格较高，大量使用会增加系统成本。但是从目前来看，还没有一项专利或者系统提出并采用了红外与超声波相结合的工作方式。首先，红外传感器和超声波传感器具有不同的外形和几何尺寸，因此其安装结构较复杂；同时，两种检测方法具有完全不同的工作方式，因此处理电路会过于庞杂。

发明内容

本发明提供一种用低成本的红外检测技术与性能优越的超声波检测技术相结合，组成一个价格低廉，性能可靠，对介质颜色和质地不敏感的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置。

本发明采取的技术方案：

一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，包含能进行数据采集算法，传感器信息融合算法和控制算法的微控器，与微控器相连接的人机界面系统，驱动系统，传感器检测系统，其方案是：传感器检测系统的构成是，圆盘状吸尘器正面前端支架上围绕柔性电路板，在电路板上，吸尘器前方半个圆周的180°范围内，均匀分布红外检测单元，并穿插分布超声检测单元；红外检测单元由至少一个红外发射管和一个红外接收管，上、下安排，中间隔有遮档板构成；超声检测单元由超声波发射传感器和超声波接收传感器组成，上下排布；并有带网状孔的透明板覆盖在传感器前；与红外检测单元对应的电路有红外发射二极管和红外接收二极管及其电路；与超声波检测单元对应有超声波发射管和超声波接收管及其电路；微控器中的运算器还包括信息融合算法器，贴边行走算法器和运动导航算法器。信息融合算法器是实现信息的融合算法，它是将红外检测阵列输出的信息与超声波检测阵列提供的信息相结合，形成完整全面的障碍物分布描述信息。所述的贴边行走算法器是实现贴边行走算法，它是利用传感器的多传感器信息融合结果，控制吸尘器左侧或者右侧与墙壁及障碍物保持一定距离地运动。所述的运动导航算法器是实现运动导航算法，它是利用传感器的多传感器数据融合结果，指导吸尘器的运动：当左侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向右旋转一定角度，然后再直行；当右侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向左旋转一定角度，然后再直行。

实施本发明后的积极效果是

红外传感器对于介质颜色很敏感，深色物体很难检测得到，黑色物体更加困难，但是其具有不可替代的优点，原理简单，检测速度快，体积小，价格低廉；而超声波传感器性能良好，但是对于柔软介质检测能力下降，而且价格较高。本发明将红外传感器与超声波传感器相结合，克服了两者的不足，集两者优点于一身，为全自动吸尘器提供了一个性价比较高的多传感器障碍物检测装置。

附图说明

图1是红外检测阵列示意图；

图2是超声波检测阵列示意图；

图3是红外检测单元示意图；

图4是超声波检测单元示意图；

图5是红外发射路选电路原理图；

图6是红外发射驱动电路原理图；

图7是红外接收电路原理图；

图8是红外接收信号处理电路原理图；

图9是1.8v偏置电压电路原理图；

图10是超声波发射路选电路原理图；

图11是超声波发射驱动电路原理图；

图12是超声波接收电路原理图；

图13是超声波接收信号处理电路原理图；

图14是控制系统框图；

图15是驱动系统示意图；

图16是全自动吸尘器的贴边行走算法框图；

图17是全自动吸尘器的运动导航算法框图；

图18是全自动吸尘器的贴边行走过程示意图；

图19是全自动吸尘器的运动导航过程示意图；

图20是全自动吸尘器传感器安装的主视示意图；

图21是全自动吸尘器传感器安装的侧视示意图；

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步说明：

一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，包含能进行数据采集算法，传感器信息融合算法和控制算法的微控器89，与微控器相连接的人机界面系统92，驱动系统91，传感器检测系统90，其结构是：传感器检测系统90的构成是，圆盘状吸尘器正面前端支架103上围绕柔性电路板2，在电路板2上，吸尘器前方半个圆周的180°范围内，均匀分布红外检测单元1，并穿插分布超声检测单元3；红外检测单元由至少一个红外发射管4和一个红外接收管5，上、下安排，中间隔有遮档板6构成；超声检测单元3由超声波发射传感器7和超声波接收传感器8组成，上下排布；并有带网状孔105的透明板104覆盖在传感器前(透明板覆盖的是红外和超声波传感器)；与红外检测单元对应的电路有红外发射二极管21和红外接收二极管25及其电路；与超声波检测单元对应有超声波发射管63和超声波接收管64及其电路；微控器89中的运算器还包括信息融合算法器，贴边行走算法器和运动导航算法器。

红外发射管21的阳极通过电阻20与电源Vcc相接，阴极与三极管22集电极相接；发射极与基极之间接有电阻23并接地；基极通过驱动电阻12与模拟多路开关11的Xo相接，模拟多路开关11的输入端X通过整形电路10与信号源9相接；信号源9可由单独的信号发生电路组成或者由微控器89定时器产生并且通过IO口输出。

红外接收管25的阳极接地，阴极通过电阻24与1.8V电源相接连；红外接收管25的阴极与模拟多路开关26的Xo相接；模拟多路开关26输出端X通过隔直电容27连接到由运放30，电阻28，29，31和电容32组成的放大器反相输入端；运放30输出端通过隔直电容33连接到由运放36，电阻34，35，37和电容38组成的放大器反相输入端；运放36输出端通过隔直电容39连接到二极管40的阳极；二极管40阴极通过电阻43，45连接到三极管47的基极；二极管41阳极接地，阴极连接二极管40的阳极，起到钳位作用；电容44连接到电阻43，45的结点，并接地，起到滤波的作用；电阻42连接二极管40的阴极，并接地，在无信号的情况下起到放电的作用；三极管47发射极接地，集电极通过电阻46接电源，进行信号输出。

超声发射传感器63负极接地，正负极间并联电阻62，正极通过电阻54与模拟多路开关53的Xo相接；模拟多路开关53的输入端X通过整形电路52与信号源51相接；信号源51可由单独的信号发生电路组成或者由微控器89定时器产生并且通过IO口输出。

超声接收传感器64，其负极接地，正负极并联电阻65，正极通过电阻66与模拟多路开关67的Xo相接；模拟多路开关67输出端X通过隔直电容68连接到由运放73，电阻69，70，71和电容72组成的放大器反相输入端；运放73输出端通过隔直电容74连接到由运放79，电阻75，76，77和电容78组成的放大器反相输入端；运放79输出端通过隔直电容80连接到二极管81的阳极；二极管81阴极通过电阻83，85连接到三极管87的基极；二极管82阳极接地，阴极连接二极管81的阳极，起到钳位作用；电容86连接到电阻83，85的结点，并接地，起到滤波的作用；电阻84连接二极管81的阴极，并接地，在无信号的情况下起到放电的作用；三极管87发射极接地，集电极通过电阻88接电源Vcc，进行信号输出。

所述的的信息融合算法器是实现信息的融合算法，它是将红外检测阵列输出的信息与超声波检测阵列提供的信息相结合，形成完整全面的障碍物分布描述信息。

所述的贴边行走算法器是实现贴边行走算法，它是利用传感器的多传感器信息融合结果，控制吸尘器左侧或者右侧与墙壁及障碍物保持一定距离地运动。

所述的运动导航算法器是实现运动导航算法，它是利用传感器的多传感器数据融合结果，指导吸尘器的运动：当左侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向右旋转一定角度，然后再直行；当右侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向左旋转一定角度，然后再直行。

现对原理作些说明

红外发射路选电路，由信号源9，信号整形电路10，模拟多路开关11，驱动电阻12-19组成。发射路选电路起到分时复用的作用，也就是将信号源9的输出信号在不同的时间分配给不同的红外发射驱动电路，这样可以起到降低电路规模的作用。其中，信号源9由软件或者电子电路产生。

首先，信号源9产生一定频率的交变信号，经过由反相器组成的信号整形电路10，信号波形得到改善，驱动能力得到增强。信号输入到模拟多路开关11的输入端X。在控制器的控制下，该信号分时送到各个红外发射驱动电路。其控制信号包括使能信号ISEN，和路选信号IA0，IA1，IA2。

红外发射驱动电路由负载电阻20，红外发射管21，放大三级管22，基极电阻23组成。三级管22在交变信号的控制作用下，不断开启、关闭控制电路，从而发射脉冲式红外信号。

红外接收电路由1.8v偏置电压，负载电阻24，红外接收二极管管25组成。红外接收二极管25将入射红外辐射转换成与之成正比的电流，经过负载电阻24转换成输出电压。其中，1.8v偏置电压由5v电压经过电阻49，50分压以后，经过一个由理想运算放大器组成的电压跟随器48获得。

红外接收信号处理电路，由模拟多路开关26，两级低通滤波反相放大器，以及门限电路组成。各路红外接收原始信号输入到模拟多路开关26的输入端。在控制器的控制下，将各路信号依次送到输出端X，其控制信号包括使能信号IREN，和路选信号IA0，IA1，IA2。模拟多路开关的输出端X后面接一个隔直电容27，可以隔离低频信号，而有用信号可以低衰减地通过。接下来是一个由理想运放30组成的低通滤波反相放大器，直流放大倍数由电阻29，31决定。放大信号再次经过一个隔直电容33和低通滤波反相放大器36，直流放大倍数由电阻35，37决定。最终输出信号经过隔直电容39转换成均值为零的交变信号，二极管40起到整流和阈值处理作用，二极管41将信号的最大负值锁定在-0.7伏左右。整流后的信号经过由电阻43和电容44组成的RC滤波电路，驱动三极管，形成触发信号。电阻42为放电通路。红外发射路选信号和红外接收路选信号相同，保证红外检测单元的收发二极管同时工作。

超声波检测单元2，由一个超声波发射传感器7和一个超声波接收传感器8组成，上下排布。超声波检测阵列，由超声波检测单元2组成，布置在吸尘器前方半个圆周上，以一定间隔水平排列，因而形成一个近180度的检测带。超声波发射路选电路，由信号源51，信号整形电路52，模拟多路开关53，驱动电阻54-61组成。发射路选电路起到分时复用的作用，也就是将信号源51的输出信号在不同的时间分配给不同的超声波发射驱动电路，这样可以起到降低电路规模的作用。其中，信号源51由软件或者电子电路产生。

首先，信号源51产生40k的交变信号，经过由反相器组成的信号整形电路52，信号波形得到改善，驱动能力得到增强。信号输入到模拟多路开关53的输入端X。在控制器的控制下，该信号分时送到各个超声波发射驱动电路。其控制信号包括使能信号USEN，和路选信号UA0，UA1，UA2。

超声波发射驱动电路由调整电阻62和超声波探头组成63组成。调整电阻62可以调整探头的相应特性，并且减少发射探头的自振荡。

超声波接收电路由超声波接收探头64，下拉电阻65，限流电阻66组成。超声波接收探头将入射超声波，转换成电信号。

超声波接收信号处理电路，由模拟多路开关67，两级放大电路，以及门限电路组成。各路超声波接收原始信号输入到模拟多路开关67的输入端。在控制器的控制下，将各路信号依次送到输出端X，其控制信号包括使能信号UREN，和路选信号UA0，UA1，UA2。模拟多路开关的公共端后面接一个隔直电容68，可以隔离低频信号，而有用信号可以低衰减地通过。接下来是一个由理想运放73组成的低通滤波反相放大器，直流放大倍数由电阻69，71决定。放大信号再次经过一个隔直电容74和低通滤波反相放大器79，直流放大倍数由电阻75，77决定。最终输出信号经过隔直电容80转换成均值为零的交变信号，二极管81起到整流和阈值处理作用，二极管82将信号的最大负值锁定在-0.7伏左右。整流后的信号经过由电阻83和电容86组成的RC滤波电路，驱动三极管，形成触发信号。电阻84为放电通路。超声波发射路选信号和超声波接收路选信号相同，保证超声波检测单元的收发探头同时工作。

全自动吸尘器红外检测：微控器89通过发射使能信号ISEN和接收使能信号IREN打开发射与接收的模拟多路开关11，26，并且利用控制信号IA0，IA1，IA2，依次打开每个红外检测单元。打开一定时间以后，微控器89检测是否有触发信号。因此该电路可以提供检测距离X_min内有无障碍物的数字信息x_i(i＝1，2....)，i为检测单元的序号。检测距离X_min通过阈值处理电路的阻容参数来确定，具体定为吸尘器与障碍物允许的最小距离。

全自动吸尘器超声波检测：微控器89通过发射使能信号USEN打开发射模拟多路开关53，并通过接收使能信号UREN关闭接收模拟多路开关67，信号UA0，UA1，UA2确定工作的通道。发射多个脉冲以后，关闭发射多路开关53，并打开接收多路开关67，同时开始计时。微控器89可以通过触发信号的发生时间来推算障碍物的距离y_j，j为检测单元的序号。如果在等待时间内，无触发信号，则y_j＝0xFF。0xFF为数据的最大值，表示没有检测到障碍物。

将红外传感器数据和超声波传感器数据，根据位置标记为z_k，k＝1，2...，z₁为最右侧的检测单元数据。红外接收数据x_i处理为

x_{i}^{'} = \{\begin{matrix} X_{\min}, x_{i} = 1 \\ 0 xFF, x_{i} = 0 \end{matrix}

因此，吸尘器前方环境统一描述为：

微控器89处于整个控制系统的核心，进行多传感器检测系统90控制，驱动系统91控制，人机界面92处理等。其驱动系统主要由两个驱动轮93，94和一个支撑轮95组成。两个驱动轮的速度分别为v_L和v_R，微控器89可以根据多传感器信息调节两个速度，实现任意半径R的旋转，从而实现全自动吸尘器的贴边行走算法和运动导航算法。

全自动吸尘器的贴边行走算法：微控器89根据侧面的多传感器信息，在不同的障碍物情况进行相应的运动控制，以右侧贴边为例：

1.对于贴边路径97的直线段98，当侧面z_k＜＝X_min时，微控器89控制吸尘器向外偏转，即v_R＞v_L＞0；当侧面z_k＞＝X_max时，吸尘器向内调整，即v_L＞v_R＞0，其中X_max为吸尘器贴边的最大距离。

2.对于贴边路径97的角落99处，当前方z_k＜＝X_min时，吸尘器原地向左旋转，即v_R＝-v_L＞0，直到前方传感器未能检测到障碍物，即前方z_k＝＝0xFF；

3.对于贴边路径97的拐角100处，当侧面传感器未能障碍物，即侧面z_k＝＝0xFF，吸尘器以右侧驱动轮为圆心旋转，即v_R＝0，v_L＞0，直到右侧重新传感器重新获得数据。

全自动吸尘器的运动导航算法：

1.吸尘器启动直行，并开始红外和超声波检测；

2.当吸尘器正面z_k≠0xFF，也就是说附近存在障碍物，吸尘器开始降低速度；

3.当吸尘器前方z_k＜＝X_min，也就是说吸尘器靠近了障碍物，吸尘器停止直行，原地旋转一定角度，并继续直行。对于情况101，左侧传感器数据z_k＜＝X_min，吸尘器向右旋转，旋转角度根据检测到的障碍物位置确定；对于情况102，右侧传感器数据z_k＜＝X_min，吸尘器向左旋转，旋转角度根据检测到的障碍物位置确定。

Claims

1，一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，包含能进行数据采集算法，传感器信息融合算法和控制算法的微控器(89)，与微控器相连接的人机界面系统(92)，驱动系统(91)，传感器检测系统(90)，其特征是：传感器检测系统(90)的构成是，圆盘状吸尘器正面前端支架(103)上围绕柔性电路板(2)，在电路板(2)上，吸尘器前方半个圆周的180°范围内，均匀分布红外检测单元(1)，并穿插分布超声检测单元(3)；红外检测单元由至少一个红外发射管(4)和一个红外接收管(5)，上、下安排，中间隔有遮档板(6)构成；超声检测单元(3)由超声波发射传感器(7)和超声波接收传感器(8)组成，上下排布；并有带网状孔(105)的透明板(104)覆盖在传感器前；与红外检测单元对应的电路有红外发射二极管(21)和红外接收二极管(25)及其电路；与超声波检测单元对应有超声波发射管(63)和超声波接收管(64)及其电路；微控器(89)中的运算器还包括信息融合算法器，贴边行走算法器和运动导航算法器。

2，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的红外发射管(21)，是其阳极通过电阻(20)与电源Vcc相接，阴极与三极管(22)集电极相接；发射极与基极之间接有电阻(23)并接地；基极通过驱动电阻(12)与模拟多路开关(11)的Xo相接，模拟多路开关(11)的输入端X通过整形电路(10)与信号源(9)相接；信号源(9)可由单独的信号发生电路组成或者由微控器(89)定时器产生并且通过IO口输出。

3，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的红外接收管(25)，是其阳极接地，阴极通过电阻(24)与1.8V电源相接连；红外接收管(25)的阴极与模拟多路开关(26)的Xo相接；模拟多路开关(26)输出端X通过隔直电容(27)连接到由运放(30)，电阻(28，29，31)和电容(32)组成的放大器反相输入端；运放(30)输出端通过隔直电容(33)连接到由运放(36)，电阻(34，35，37)和电容(38)组成的放大器反相输入端；运放(36)输出端通过隔直电容(39)连接到二极管(40)的阳极；二极管(40)阴极通过电阻(43，45)连接到三极管(47)的基极；二极管(41)阳极接地，阴极连接二极管(40)的阳极；电容(44)连接到电阻(43，45)的结点，并接地，起到滤波的作用；电阻(42)连接二极管(40)的阴极，并接地，在无信号的情况下起到放电的作用；三极管(47)发射极接地，集电极通过电阻(46)接电源，进行信号输出。

4，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的超声发射传感器(63)，是其负极接地，正负极间并联电阻(62)，正极通过电阻(54)与模拟多路开关(53)的Xo相接；模拟多路开关(53)的输入端X通过整形电路(52)与信号源(51)相接；信号源(51)可由单独的信号发生电路组成或者由微控器(89)定时器产生并且通过IO口输出。

5，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的超声接收传感器(64)，是其负极接地，正负极并联电阻(65)，正极通过电阻(66)与模拟多路开关(67)的Xo相接；模拟多路开关(67)输出端X通过隔直电容(68)连接到由运放(73)，电阻(69，70，71)和电容(72)组成的放大器反相输入端；运放(73)输出端通过隔直电容(74)连接到由运放(79)，电阻(75，76，77)和电容(78)组成的放大器反相输入端；运放(79)输出端通过隔直电容(80)连接到二极管(81)的阳极；二极管(81)阴极通过电阻(83，85)连接到三极管(87)的基极；二极管(82)阳极接地，阴极连接二极管(81)的阳极；电容(86)连接到电阻(83，85)的结点，并接地，起到滤波的作用；电阻(84)连接二极管(81)的阴极，并接地，在无信号的情况下起到放电的作用；三极管(87)发射极接地，集电极通过电阻(88)接电源Vcc，进行信号输出。

6，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的的信息融合算法器是实现信息的融合算法，它是将红外检测阵列输出的信息与超声波检测阵列提供的信息相结合，形成完整全面的障碍物分布描述信息。

7，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的贴边行走算法器是实现贴边行走算法，它是利用传感器的多传感器信息融合结果，控制吸尘器左侧或者右侧与墙壁及障碍物保持一定距离地运动。

8，根据权利要求1所述的一种全自动吸尘器的多传感器障碍物检测装置，其特征是：所述的运动导航算法器是实现运动导航算法，它是利用传感器的多传感器数据融合结果，指导吸尘器的运动：当左侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向右旋转一定角度，然后再直行；当右侧传感器发现障碍物时，吸尘器根据检测到的障碍物位置，向左旋转一定角度，然后再直行。