CN203324473U - 一种适用于移动机器人的边界识别系统 - Google Patents
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Abstract
一种适用于移动机器人的边界识别系统，其包括安置于地面的多个永磁体和安置于移动机器人上的单片机、第一识别单元及第二识别单元，所有永磁体构成移动机器人的工作区域的边界，两个相邻的永磁体的间距为永磁体的下表面的长度，第一识别单元和第二识别单元均由多支分支电路组成，分支电路由霍尔传感器、第一分压电阻和第二分压电阻组成，分支电路采集所有的永磁体产生的磁场信号并输出为模拟电压信号，然后单片机内部的模数转换器对每个分支电路的模拟电压信号进行采样，单片机内的中央处理器通过模数转换器输出的数字电压信号判断移动机器人是否处于其工作区域的边界，优点是系统的整体结构简单、识别精度高，且能准确保证移动机器人的工作范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种边界识别系统，尤其是涉及一种适用于移动机器人的边界识别系统。
背景技术
目前，移动机器人通过各种传感器检测或推算边界信息，从而达到控制自身在规定范围内活动的效果。一种现有的适用于移动机器人的边界识别系统，其首先用通电电缆包围整个工作区域，然后移动机器人通过探测通电电缆所形成的磁场来推算边界信息，此种边界识别系统需在不同区域埋设通电电缆并增设电源，系统结构复杂，导致整个系统运行起来困难；另一种现有的适用于移动机器人的边界识别系统，预先在边界放置与周边环境色差较大的标示物，然后移动机器人通过光学传感器检测边界，此种边界识别系统的算法复杂，且易出现识别错误的情况；又一种现有的适用于移动机器人的边界识别系统采用定位传感器，如GPS、超声波、视觉导航系统等确定机器人的位置，从而确定边界，此种边界识别系统的设备复杂、成本较高，且往往难以达到精确定位的效果。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、运行方便，且识别精度高的适用于移动机器人的边界识别系统。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为：一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：包括设置于地面上的多个永磁体以及设置于移动机器人上的单片机、第一识别单元和第二识别单元，多个所述的永磁体构成移动机器人的工作区域的边界，所述的单片机集成有多个模数转换器，所述的第一识别单元和所述的第二识别单元均由多支用于识别移动机器人的工作区域的边界的分支电路组成，所述的第一识别单元中的分支电路与所述的第二识别单元中的分支电路呈对称分布，每支所述的分支电路采集所有的所述的永磁体产生的磁场信号，每支所述的分支电路的输出端对应与一个所述的模数转换器的输入端连接，每支所述的分支电路的输出端传输模拟电压信号给对应的所述的模数转换器，所述的单片机检测所有所述的模数转换器输出的数字电压信号并根据检测到的所有数字电压信号识别移动机器人的工作区域的边界。
所述的分支电路由霍尔传感器、第一分压电阻和第二分压电阻组成，所述的霍尔传感器采集所有的所述的永磁体产生的磁场信号，所述的霍尔传感器的输出端与所述的第一分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端的公共连接端为所述的分支电路的输出端与对应的所述的模数转换器的输入端连接，所述的第二分压电阻的另一端接地。
所有所述的永磁体呈结构相同的长方体，每个所述的永磁体的下表面与地面接触，每个所述的永磁体的充磁方向为自上表面至下表面的方向或自下表面至上表面的方向。
所有所述的永磁体以所述的永磁体的下表面的长度的方向为基准排成一行，相邻两个所述的永磁体之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度。
所述的第一识别单元中最靠近所述的第二识别单元的霍尔传感器与所述的第二识别单元中最靠近所述的第一识别单元的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的两倍，所述的第一识别单元中相邻两个所述的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的一半，所述的第二识别单元中相邻两个所述的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的一半。
所述的霍尔传感器具有一个呈长方体的传感器探头，所述的传感器探头的探测面与所述的永磁体的上表面平行，所述的传感器探头的探测面相对于地面的高度比所述的永磁体的上表面相对于地面的高度高1mm。
所述的霍尔传感器为线性霍尔传感器。
所述的永磁体为钕铁硼磁体。
所述的单片机的型号为C8051F020。
所述的第一分压电阻的阻值与所述的第二分压电阻的阻值相等。
与现有的技术相比，本实用新型的优点在于：
1）首先在地面上安置由永磁体构成的移动机器人的工作区域的边界，然后在移动机器人上安置单片机以及具有多支分支电路的第一识别单元、第二识别单元，每支分支电路采集所有的永磁体产生的磁场信号并输出为电压信号，该电压信号再输入到模数转换器，单片机根据检测到的任意一个模数转换器采集到的电压信号准确判断移动机器人是否超出边界，由于安置的单片机集成有多个模数转换器，所以不需要增设外部的模数转换器，从而使本实用新型的结构简单；同时，通过单片机内部的中央处理器能检测到的模数转换器输出的数字电压信号，可准确保证移动机器人的工作范围，且识别精度高。
2）由于第一识别单元中的霍尔传感器与第二识别单元中的霍尔传感器呈对称分布，因此使得移动机器人能有效地检测到其工作区域的边界，且所需的霍尔传感器的数量少，简化了系统的整体结构。
3）由于构成的待识别边界的永磁体为无源器件，所以在本实用新型中不需要增设额外的电源，从而简化了系统的整体结构，且永磁体可埋于地底，对环境的影响较小。
附图说明
图1为本实用新型的边界识别系统的总体组成示意图；
图2为本实用新型的边界识别系统中的分支电路与永磁体及单片机的信号连接关系示意图；
图3为霍尔传感器的摆放位置的俯视示意图；
图4为构成边界的永磁体的摆放位置的俯视示意图；
图5为永磁体的三维空间示意图；
图6为距离永磁体1mm处的磁场分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施对本实用新型作进一步详细描述。
本实用新型的适用于移动机器人的边界识别系统的总体组成示意图如图1所示，其包括安置于地面上的多个结构相同且呈长方体的永磁体9和安置于移动机器人上的集成有多个模数转换器3的单片机4、第一识别单元及第二识别单元。如图5，永磁体9的下表面与地面接触，下表面中边长较长的一边的长度为永磁体的下表面的长度5，在放置永磁体9时，永磁体9的下表面的磁极为南极和北极中的一个，永磁体9的上表面的磁极为南极和北极中的另一个，始终保持所有永磁体9的下表面的磁极极性相同，永磁体9的充磁方向为自上表面至下表面的方向或自下表面至上表面的方向。所有的永磁体9构成移动机器人的工作区域的边界，多个永磁体9的排列规律如图4所示，永磁体9沿永磁体9的下表面的长度的方向为基准排成一行，相邻两个永磁体9的间距与永磁体9的下表面的长度5相等，相邻两个永磁体9在排列方向上所占的长度为永磁体9的下表面的长度5的三倍。按上述规律放置的永磁体9，距其1mm处的磁场分布如图6所示，由于相邻两个永磁体9间距较远，相邻两个永磁体9中每个永磁体9各自保持独立的磁场分布而不互相影响。在具体实施方式中，永磁体9采用钕铁硼磁体，单片机4选用C8051F020单片机，也可以选择其他型号的集成有模数转换器的单片机。
在本实施例中，第一识别单元和第二识别单元均由多个分支电路组成。如图2所示，每个分支电路由霍尔传感器6和阻值相等的第一分压电阻7、第二分压电阻8组成，霍尔传感器6采集所有的永磁体9产生的磁场信号，霍尔传感器6的接地端接地，霍尔传感器6的电源端接+5V电压，霍尔传感器6的输出端A与第一分压电阻7的一端连接，第一分压电阻7的另一端与第二分压电阻8中的一端连接，第二分压电阻8的另一端接地，第一分压电阻的另一端与第二分压电阻的一端的公共连接端为分支电路的输出端B与对应的所述的模数转换器3的输入端连接，输出端B将模拟电压信号传输到模数转换器3，模数转换器3将采集到的模拟电压信号转换成数字电压信号，单片机4通过内部的中央处理器（CPU）检测所有的模数转换器3转换得到的数字电压信号，并根据单片机4检测到的数字电压信号识别移动机器人的工作区域的边界。如图3，为保证移动机器人能够始终有效地检测出其工作区域的边界且减少霍尔传感器6的数量，在设置第一识别单元与第二识别单元时，保证第一识别单元与第二识别单元呈对称分布，第一识别单元和第二识别单元中两个相邻的霍尔传感器6的距离为永磁体9的下表面的长度5的一半，第一识别单元中最靠近第二识别单元的霍尔传感器6与第二识别单元中最靠近第一识别单元的霍尔传感器6的间距为永磁体9的下表面的长度5的两倍。由于霍尔传感器6对垂直自身的磁感线最为敏感，所以在安置霍尔传感器6时，将每个霍尔传感器6的传感器探头的探测面与永磁体9的下表面平行，且任意一个霍尔传感器6的传感器探头的探测面相对于地面的高度比永磁体9的上表面相对于地面的高度高1mm。在具体实施过程中，霍尔传感器6采用线性霍尔传感器，霍尔传感器6的电源端连接的+5伏电压与选择的单片机4的工作电压有关，如单片机4的工作电压为3.3伏，则可将霍尔传感器6的电源端与+5V电压连接，再通过第一分压电阻7和第二分压电阻8得到分压，分支电路的输出端B将该分压输入到单片机4中的模数转换器3中，单片机4通过内部的中央处理器测得的电压值判断移动机器人是否超出边界。
当移动机器人携带的霍尔传感器6尚未处在永磁体9的正上方时，霍尔传感器6的输出端A的输出电压约为2.5V，该输出电压经过两个等值的第一分压电阻和第二分压电阻7、8分压后得到一个分压，分支电路的输出端B再将分压传给模数转换器3，此时单片机4检测模数转换器采集到的电压约为1.25V，判断移动机器人尚未处于边界；当移动机器人所携带的霍尔传感器6运行至永磁体9的上方，霍尔传感器6的输出端A的输出电压将发生突变，该输出电压经过两个等值的第一分压电阻7和第二分压电阻8分压后传给模数转换器3，此时当单片机4通过内部的中央处理器检测到任意一个模数转换器3采集到的电压发生突变时，就判定移动机器人已达边界。
当移动机器人已达边界时，可通过检测霍尔传感器6的输出电压经分压后的值，判断移动机器人是否与边界垂直，具体方法为：单片机4通过内部的中央处理器首先检测并记录与第一识别单元连接的模数转换器3各自输出的数字电压信号的值，同时检测并记录与第二识别单元连接的模数转换器3各自输出的数字电压信号的值，然后计算与第一识别单元连接的模数转换器3输出的数字电压信号之和与第二识别单元连接的模数转换器3输出的数字电压信号之和，最后将第一识别单元的数字电压信号之和与第二识别单元的数字电压信号之和相减求差。若得到的差值小于设定的阀值，则判断移动机器人已经垂直边界，若得到的差值不小于设定的阀值，则可通过调整移动机器人的位置使移动机器人与边界垂直。
Claims (10)
1.一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：包括设置于地面上的多个永磁体以及设置于移动机器人上的单片机、第一识别单元和第二识别单元，多个所述的永磁体构成移动机器人的工作区域的边界，所述的单片机集成有多个模数转换器，所述的第一识别单元和所述的第二识别单元均由多支用于识别移动机器人的工作区域的边界的分支电路组成，所述的第一识别单元中的分支电路与所述的第二识别单元中的分支电路呈对称分布，每支所述的分支电路采集所有的所述的永磁体产生的磁场信号，每支所述的分支电路的输出端对应与一个所述的模数转换器的输入端连接，每支所述的分支电路的输出端传输模拟电压信号给对应的所述的模数转换器，所述的单片机检测所有所述的模数转换器输出的数字电压信号并根据检测到的所有数字电压信号识别移动机器人的工作区域的边界。
2.根据权利要求1所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的分支电路由霍尔传感器、第一分压电阻和第二分压电阻组成，所述的霍尔传感器采集所有的所述的永磁体产生的磁场信号，所述的霍尔传感器的输出端与所述的第一分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端的公共连接端为所述的分支电路的输出端与对应的所述的模数转换器的输入端连接，所述的第二分压电阻的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所有所述的永磁体呈结构相同的长方体，每个所述的永磁体的下表面与地面接触，每个所述的永磁体的充磁方向为自上表面至下表面的方向或自下表面至上表面的方向。
4.根据权利要求3所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所有所述的永磁体以所述的永磁体的下表面的长度的方向为基准排成一行，相邻两个所述的永磁体之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度。
5.根据权利要求3或4所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的第一识别单元中最靠近所述的第二识别单元的霍尔传感器与所述的第二识别单元中最靠近所述的第一识别单元的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的两倍，所述的第一识别单元中相邻两个所述的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的一半，所述的第二识别单元中相邻两个所述的霍尔传感器之间的间距为所述的永磁体的下表面的长度的一半。
6.根据权利要求5所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的霍尔传感器具有一个呈长方体的传感器探头，所述的传感器探头的探测面与所述的永磁体的上表面平行，所述的传感器探头的探测面相对于地面的高度比所述的永磁体的上表面相对于地面的高度高1mm。
7.根据权利要求6所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的霍尔传感器为线性霍尔传感器。
8.根据权利要求7所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的永磁体为钕铁硼磁体。
9.根据权利要求8所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的单片机的型号为C8051F020。
10.根据权利要求9所述的一种适用于移动机器人的边界识别系统，其特征在于：所述的第一分压电阻的阻值与所述的第二分压电阻的阻值相等。
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| CN111949023A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-17 | 南京苏美达智能技术有限公司 | 一种自行走设备的边界探测方法和自行走设备 |
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