CN203882195U - 基于多传感器融合的服务机器人及其充电座 - Google Patents

基于多传感器融合的服务机器人及其充电座 Download PDF

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李长峰
曲东升
汤永俊
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Abstract

本实用新型的基于多传感器融合的服务机器人及其充电座,利用多传感器融合技术,在远距离通过充电座大功率广角度红外发射管与机器人小功率小角度红外发射管建立通讯应答来确定充电座大体方位,实现快速定位充电座方向;然后通过超声波测距模块实现避障,寻找路径快速接近充电座的近距离红外扇区;在近距离红外扇区的导航过程中,利用双红外叠加区域特性、超声波测距以及陀螺仪确定角度,再结合沿线行走策略实现快速精确定位充电,提高了整个充电的效率和成功率。

Description

技术领域
[0001] 本实用新型涉及家用可移动服务机器人技术,尤其是涉及一种基于多传感器融合 的服务机器人及其充电座。 基于多传感器融合的服务机器人及其充电座
背景技术
[0002] 随着科技的进步,电子产品的种类愈来愈多,其中机器人就是其中一种。服务机器 人是机器人家族中的一个年轻成员,到目前为止,尚没有一个严格的定义。在种类繁多的 移动服务机器人中,为了满足高自主化高效率的服务工作,往往需要全自动充电技术的支 撑。如申请号为CN201310021314. 5的中国专利中所述的扫地机器人充电系统,但是,该机 器人把充电座当做障碍物,再判断是不是在红外区域,如果在红外区域,只是盲目的换一个 方向,所以实际上它能不能成功充电是个未知数,这无疑降低了机器人自动寻找充电座的 效率和成功率。 实用新型内容
[0003] 本实用新型要解决的技术问题是:为了现有机器人自动充电效率和成功率低的不 足,本实用新型提供一种基于多传感器融合的服务机器人及其充电座,可以在远距离和近 距离实现对机器人的自动引导充电,同时提高了机器人寻找充电座效率和成功率。
[0004] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种基于多传感器融合的服务 机器人,设有充电座触片和自动充电导航系统,所述自动充电导航系统包括
[0005] 至少4个超声波测距模块:用于测距,分别朝向四个不同的方向;
[0006] 至少4个红外接收模块:用于近距离的方位探测,分别朝向四个不同的方向;
[0007] 远距离红外收发传感器单元:包括相互靠近设置的一小角度红外发射管和一小角 度红外接收管;
[0008] 移动机构:用于驱动机器人移动或转动;和
[0009] 主控制器。
[0010] 所述自动充电导航系统还包括陀螺仪传感器单元,用于测试机器人的转动角度。
[0011] 具有4个超声波测距模块,其中两个分别对称设置在机器人的前部和后部,另外 两个分别对称设置在机器人的左侧和右侧。其中,考虑到有些服务机器人的外形布局,防 止移动机构左轮、右轮碰撞障碍物,因此,设置在机器人的左侧和右侧的两个超声波测距模 块,靠近机器人的前部设置。
[0012] 具有4个红外接收模块,其中两个分别对称设置在机器人的前部和后部,另外两 个分别对称设置在机器人的左侧和右侧。
[0013] 陀螺仪传感器单元和主控制器均设置在机器人内部。
[0014] 所述小角度红外发射管和小角度红外接收管分别为小功率小角度红外发射管与 接收管,且均设置在机器人的头部。
[0015] 所述充电座触片设置在机器人底部、背部或头部,所述移动机构有两个,对称分布 于机器人两侧或底部。
[0016] 本实用新型还涉及一种充电座,包括
[0017] 近距离红外发射模块:包括红外导光槽和两个水平并排放置的近距离红外发射 管,所述红外导光槽内设有挡光板,所述两个近距离红外发射管通过红外导光槽和挡光板 产生第一红外扇区和第二红外扇区,并且第一红外扇区和第二红外扇区有部分相重叠,形 成红外叠加区域,所述红外叠加区域具有一边界垂直或大致垂直于充电座;机器人端的红 外接收模块对应接收所述两个近距离红外发射管的信号;
[0018] 远距离红外通讯收发传感器:用于确定充电座大致方位,包括广角度红外发射管 和广角度红外接收管,对应的与机器人端的小角度红外发射管和小角度红外接收管进行红 外通讯应答;
[0019] 充电触片:充电时与机器人的充电触片相接触,实现充电;和
[0020] 微控制器模块。
[0021] 所述广角度红外发射管和广角度红外接收管分别为大功率大角度红外发射管与 接收管,且均设置在充电座的顶部。
[0022] 本实用新型的有益效果是,本实用新型的基于多传感器融合的服务机器人及其充 电座,利用多传感器融合技术,在远距离通过充电座大功率广角度红外发射管与机器人小 功率小角度红外发射管建立通讯应答来确定充电座大体方位,实现快速定位充电座方向; 然后通过超声波测距模块实现避障,寻找路径快速接近充电座的近距离红外扇区;在近距 离红外扇区的导航过程中,利用双红外叠加区域特性、超声波测距以及陀螺仪确定角度,再 结合沿线行走策略实现快速精确定位充电,提高了整个充电的效率和成功率。
附图说明
[0023] 下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0024] 图1是本实用新型的服务机器人的结构示意图。
[0025] 图2是本实用新型的服务机器人的背部结构示意图。
[0026] 图3是本实用新型的充电座的结构示意图。
[0027] 图4是本实用新型的充电导航策略流程图。
[0028] 图5是近距离充电实施示意图。
[0029] 图6是远距离充电实施示意图。
[0030] 图中,101、前部超声波测距模块,102、左侧超声波测距模块,103、后部超声波测 距模块,201、前部红外接收模块,202、左侧红外接收模块,203、后部红外接收模块,301、小 角度红外发射管,302、小角度红外接收管,4、移动机构,5、机器人充电座触片,601、广角度 红外发射管,602、广角度红外接收管,7、充电状态指示灯,801、右侧的近距离红外发射管, 802、左侧的近距离红外发射管,9、红外导光槽,10、充电座的充电触片,11、挡光板,L、红外 叠加区域的垂直边界,R0、服务机器人,服、充电座,Z、沿墙壁行走路线。
具体实施方式
[0031] 现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图, 仅以示意方式说明本实用新型的基本结构,因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
[0032] 如图1、图2所示,本实用新型的一种基于多传感器融合的服务机器人,设有自动 充电导航系统和设置在机器人底部的充电座触片5,自动充电导航系统包括
[0033] A、4个超声波测距模块(101,102,103):用于测距,其中两个分别对称设置在机器 人的前部和后部,另外两个分别对称设置在机器人的左侧和右侧(右侧的超声波测距模块 图中未显示)。其中,考虑到有些服务机器人的外形布局,防止移动机构左轮、右轮碰撞障碍 物,因此,设置在机器人的左侧和右侧的两个超声波测距模块,靠近机器人的前部设置;
[0034] B、4个红外接收模块(201,202,203,204):用于近距离的方位探测,其中两个分别 对称设置在机器人的前部和后部,另外两个分别对称设置在机器人的左侧和右侧;
[0035] C、远距离红外收发传感器单元:包括相互靠近设置的一小功率小角度红外发射管 301和一小功率小角度红外接收管302,均设置在机器人的头部,配合机器人头部可以上下 左右旋转,来实现灵活的角度发射和接收;
[0036] D、两个移动机构4 :用于驱动机器人移动或转动,对称分布于机器人两侧;
[0037] E、陀螺仪传感器单元,用于测试机器人的转动角度;和
[0038] F、主控制器。
[0039] 其中,陀螺仪传感器单元和主控制器均设置在机器人内部。
[0040] 如图3所示,本实用新型的一种充电座,包括
[0041] A、近距离红外发射模块:包括红外导光槽9和两个水平并排放置的近距离红外发 射管(801,802),所述红外导光槽9内设有挡光板11,挡光板11可以与红外导光槽9为一体 结构,也可以是分体的两部分。所述两个红外发射管(801,802)通过红外导光槽9和挡光 板产生第一红外扇区和第二红外扇区,并且第一红外扇区和第二红外扇区有部分相重叠, 形成红外叠加区域3,所述红外叠加区域3具有一边界垂直或大致垂直于充电座;机器人端 的红外接收模块对应接收所述两个近距离红外发射管(801,802)的信号;
[0042] B、远距离红外通讯收发传感器:用于确定充电座大致方位,包括广角度红外发射 管601和广角度红外接收管602,对应的与机器人端的小角度红外发射管301和小角度红外 接收管302进行红外通讯应答;
[0043] C、充电触片10 :充电时与机器人的充电触片5相接触,实现充电;
[0044] D、充电状态指示灯7,和
[0045] E、微控制器模块,实现以上各传感器及指示灯等的控制。
[0046] 其中,所述广角度红外发射管601和广角度红外接收管602分别为大功率大角度 红外发射管与接收管,且均设置在充电座的顶部。
[0047] 如图4所示,本实用新型的充电导航策略为,利用多传感器融合技术,在远距离通 过充电座的大功率广角度红外发射管601、接收管602与机器人的小功率小角度红外发射 管、接收管建立通讯应答来确定充电座的大致方位,实现快速定位充电座方向;然后通过超 声波测距模块实现避障行走,寻找路径快速接近充电座的近距离红外扇区;在近距离红外 扇区的导航过程中,利用双红外叠加区域特性、超声波测距以及陀螺仪确定角度,再结合沿 线行走策略实现快速精确定位充电。
[0048] 以下详细分别详细说明近距离和远距离充电的实现方式:
[0049] 如图4、图5所示,近距离充电的实现方式为:
[0050] 1.判断是否在近距离红外扇区,即是否在图4中1、2、3其中任何一个区域内;其 中,1为只有右侧的近距离红外发射管801发射的红外信号的第一信号覆盖区域,2为只有 左侧的近距离红外发射管802发射的红外信号的第二信号覆盖区域,3为同时具有右侧的 近距离红外发射管发射801的红外信号和左侧的近距离红外发射管802发射的红外信号的 红外叠加区域3。红外叠加区域3有一边界L垂直于充电座,红外导光槽9用于控制红外光 不要很快就散开;挡光板11的位置和大小对垂直边界L的形成起主要作用,主要是不让2 个近距离红外发射管发出的红外光出了红外导光槽9就形成交叉,那样形成的交叉区域太 大,不能判断机器人所在的位置。
[0051] 2.如果是在近距离红外扇区,则进入近距离导航阶段,首先根据1、2、3区域关系, 机器人端的主控器利用陀螺仪、超声波测距模块以及4个分布于四周的红外接收模块进行 相对于充电座的位置姿态调节,使机器人背对充电座并且在2、3交界处附近。其中,位置姿 态调节方式为,利用分布在机器人四周的4个红外接收模块来确定充电座在什么方位,同 时利用超声测距模块来判断充电座距离机器人的间距,陀螺仪实现固定角度的旋转。
[0052] 3.完成以上动作后,进行最后的后退靠近充电座,靠近策略是沿着区域2、3其中 一个交界(红外叠加区域3的一垂直于充电座的边界L)按Z字形行走;同时检测机器人背 部超声波模块数据来不断调整移动速度,提高与充电座对接成功率,在背部超声波数据进 入危险距离时,仍然没有充电成功,说明该次尝试失败。
[0053] 4.充电失败以后,进入充电再次尝试模式,机器人开始按照预定策略远离充电座, 达到预先设置的距离值时再后退进行再次充电对接尝试;如此反复,直到达到预设的充电 失败次数以后不再尝试,报告上位机充电错误,需要人工干预。
[0054] 如图4、图6所示,远距离充电的实现方式为:
[0055] 1.首先充电使能后,机器人端检测是否正好在近距离红外的1、2、3区域,如果是 则采用上述的近距离方案,如果不是则启动远距离充电方案。
[0056] 2.远距离充电方案启动后,机器人端利用小功率小角度红外发射管、接收管红外 收发配合充电座端的大功率广角度红外发射管601、接收管602红外收发来进行远距离的 通讯,并采用机器人原地旋转方式来保证机器人与充电座两者之间在没有障碍物遮挡时一 定可以通讯上;如果旋转一周仍然没有通讯成功,则利用陀螺仪转向,超声波测距来启动沿 墙壁行走模式,并间断的尝试与充电座通讯。
[0057] 利用小角度红外发射管发射光束的小角度、小范围特性来对机器人四周进行扫 描,形成一束红外光,如果充电座与机器人之间没有遮挡红外光的物体,则在机器人360° 发射过程中一定会有某一个方位会使得充电座接收到机器人发射的红外光,这时候充电座 的广角度红外发射管601发射预设的通讯指令。因为充电座是广角度红外发射管,可以向 整个空间发射出红外信号,所以机器人端的红外接收头就会收到广角度红外发射管601发 射的通讯指令,机器人从而判断该方向就是充电座所在方位,同时利用前置超声波也可以 测出离充电座的距离;有这些信息就可以规划靠近充电座的路径,行走过程中利用4个超 声波测距模块来避障,即超声波测距模块探测到的距离小于某一值时机器人行走方向转 向,并利用陀螺仪来实现固定角度的旋转。
[0058] 3.在尝试通讯过程中,最终会出现两种情况,一种通讯成功,一种通讯失败:
[0059] 如果成功通讯,则利用机器人端红外的小角度发射特性,确定通讯成功的方向就 是充电座大体的位置,确定了大体位置后,制定沿墙壁行走的优化路线,沿着墙壁行走,直 到进入近距离红外扇区内,启动近距离充电程序就可以实现充电对接。
[0060] 如果通讯失败,此时进行沿墙壁行走,避开障碍物以及孤岛障碍物,同时利用陀螺 仪距离行走角度数据,在完成机器人的围绕房间行走一周以后,仍然没有找寻到近距离红 外区域1、2、3其中任何一个,则报告上位机,提醒用户充电尝试失败,需要确定该房间是否 有充电座,需要人工协助。
[0061] 以上述依据本实用新型的理想实施例为启示,通过上述的说明内容,相关工作人 员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内,进行多样的变更以及修改。本项实 用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容,必须要根据权利要求范围来确定其技术 性范围。

Claims (10)

1. 一种基于多传感器融合的服务机器人,设有充电座触片和自动充电导航系统,其特 征在于:所述自动充电导航系统包括 至少4个超声波测距模块:用于测距,分别朝向四个不同的方向; 至少4个红外接收模块:用于近距离的方位探测,分别朝向四个不同的方向; 远距离红外收发传感器单元:包括相互靠近设置的一小角度红外发射管和一小角度红 外接收管; 移动机构:用于驱动机器人移动或转动;和 主控制器。
2. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:所述自动充电 导航系统还包括陀螺仪传感器单元,用于测试机器人的转动角度。
3. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:具有4个超声 波测距模块,其中两个分别对称设置在机器人的前部和后部,另外两个分别对称设置在机 器人的左侧和右侧。
4. 如权利要求3所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:其中,设置在机 器人的左侧和右侧的两个超声波测距模块,靠近机器人的前部设置。
5. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:具有4个红外 接收模块,其中两个分别对称设置在机器人的前部和后部,另外两个分别对称设置在机器 人的左侧和右侧。
6. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:陀螺仪传感器 单元和主控制器均设置在机器人内部。
7. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:所述小角度红 外发射管和小角度红外接收管分别为小功率小角度红外发射管与接收管,且均设置在机器 人的头部。
8. 如权利要求1所述的基于多传感器融合的服务机器人,其特征在于:所述充电座触 片设置在机器人底部、背部或头部,所述移动机构有两个,对称分布于机器人两侧或底部。
9. 一种充电座,其特征在于:包括 近距离红外发射模块:包括红外导光槽和两个水平并排放置的近距离红外发射管,所 述红外导光槽内设有挡光板,所述两个近距离红外发射管通过红外导光槽和挡光板产生第 一红外扇区和第二红外扇区,并且第一红外扇区和第二红外扇区有部分相重叠,形成红外 叠加区域,所述红外叠加区域具有一边界垂直或大致垂直于充电座;机器人端的红外接收 模块对应接收所述两个近距离红外发射管的信号; 远距离红外通讯收发传感器:用于确定充电座大致方位,包括广角度红外发射管和广 角度红外接收管,对应的与机器人端的小角度红外发射管和小角度红外接收管进行红外通 讯应答; 充电触片:充电时与机器人的充电触片相接触,实现充电;和 微控制器模块。
10. 如权利要求9所述的充电座,其特征在于:所述广角度红外发射管和广角度红外接 收管分别为大功率大角度红外发射管与接收管,且均设置在充电座的顶部。
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