CN208421229U - 一种红外调制的障碍物检测装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种红外调制的障碍物检测装置及机器人，该障碍物检测装置分为接收解调机构111和红外发射机构101两层结构，红外发射机构101位于接收解调机构111的上层结构或下层结构，接收解调机构111复用扫地机器人接收充电座信号的双目，其中所述双目为装设在接收解调机构111中的单个或两个红外接收头110；红外接收头110所在位置对应的上层结构或下层结构装设有红外发射机构101的红外发射管102，使得红外接收头110既能接收经障碍物反射的红外发射管102发出的已调制信号，又能接收充电座信号，从而在高检测灵敏度的基础上扩展检测装置的接收功能。

Description

一种红外调制的障碍物检测装置及机器人

技术领域

本实用新型涉及自主行动机器人技术领域，具体涉及一种红外调制的障碍物检测装置及机器人。

背景技术

随着技术发展和人们对舒适生活的追求，自主行动机器人越来越多进入到人们生活当中，如陪伴机器人、扫地机器人等。机器人的基本功能是环境感知、指令接收和行为控制。机器人难点首先是环境的感知，机器人需要知道哪些地方可以去，前面有哪些障碍物，侧面是否是墙等等。环境的感知依赖于各种传感器数据的获取，目前常见的传感器包括：红外光强传感器、红外距离传感器、超声波传感器、视觉传感器、激光传感器等等。从精度上看，红外测距传感器、超声波传感器、激光传感器都可以获得比较高的精度，但是成本比较高，其中激光传感器外覆盖的角度比较小，需要比较多的数目才能够减小检测的盲区，并且激光传感器只能感知一个很窄的二维平面，其垂直方向存在盲区。视觉传感器如果需要做到测距，则需要至少两个摄像头，成本比较高，精度欠佳，模具上也需要专门的孔洞来放置。从成本上和外观考虑，红外光强传感器无疑是最为便宜和应用最广的。故调制的红外信号已经获得了广泛的应用，主要应用于家庭里面各种家电的控制，体现为很多的红外遥控器就是基于调制的红外信号发射。其遥控器通过信号的调制可以做的很灵敏，使得家电的接收距离一般都可以超过5米；甚至于如果把遥控器对着天花板或者一侧的墙面，家电都可以接收到。

但目前的机器人都是基于单光强的红外检测障碍物，不同的材质对红外的发射不同；由于红外检测结构为单层结构，故发出的光束到达障碍物时在纵向上照射空间有限，因此当障碍物接近地面或高于检测装置的时候就很难对障碍物进行检测，在这种情况下对障碍物方位的检测信息不全面，容易形成对机器人的遮挡，导致碰撞事故。实用新型CN201453155U虽然采用两层或多层红外检测结构克服上述技术缺陷，实现横向上的全面检测，在纵向空间上的检测范围扩大，但红外检测结构的功能单一，实用性有待提高。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供技术方案如下：

一种红外调制的障碍物检测装置，该障碍物检测装置分为接收解调机构和红外发射机构两层结构，接收解调机构设置有红外接收头，红外发射机构设置有红外发射管，红外发射机构位于接收解调机构的上层结构或下层结构，所述接收解调机构复用扫地机器人接收充电座信号的双目，其中所述双目为装设在所述接收解调机构中的单个或两个红外接收头；所述红外接收头所在位置对应的上层结构或下层结构装设有所述红外发射机构的红外发射管，使得所述红外接收头既能接收经障碍物反射的红外发射管发出的已调制信号，又能接收充电座信号。

进一步地，所述红外接收头的光轴线所在的平面和所述红外发射管的光轴线形成一个预定夹角，使得所述红外发射管的发射视角与所述红外接收头的接收视角交叉围成一个限定于所述障碍物检测装置正前方的预定距离范围内的检测区域，其中所述预定夹角是根据所述红外发射管所发出的已调制信号的功率和方向确定的。

进一步地，所述预定距离范围设置为大于3厘米而小于5厘米。

进一步地，发射自所述红外发射管的已调制信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到；其中，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

一种机器人，该机器人是一种可移动的机器人，该机器人的外壳前侧装设有一组或多组所述障碍物检测装置。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果：本实用新型技术方案在复用扫地机器人现有的信号接收头的基础上，添加低成本的红外收发部件，从而可以接收限定的纵向响应空间区域内的障碍物反射的调制脉冲信号来检测障碍物，解决横向限定区域内的障碍物反射光损失和障碍物检测灵敏度不高的问题，并拓展所述障碍物检测装置的用途功能。

附图说明

图1和图2为一种红外调制的障碍物检测装置内部构造的侧视图及其对应光路的示意图，其中图1实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的上层结构，图2实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的下层结构；

图3和图4为一种红外调制的障碍物检测装置的正视图，其中图3实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的上层结构，图4实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的下层结构；

图5为本实用新型实施例提供的一种装设有所述红外调制的障碍物检测装置的机器人的俯视示意图；

图6和图7为一种红外调制的障碍物检测装置的检测区域的示意图，其中图6实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的上层结构，图7实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的下层结构；

图8为本实用新型实施例提供的一种红外调制的障碍物检测装置的控制时序图；

图9为本实用新型实施例提供的二进制信号编码示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

在实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。

本实用新型实施例提供的一种红外调制的障碍物检测装置，为了便于描述本实用新型实施例选择所述障碍物检测装置内部构造的侧视图进行说明，结合图1和图3可知，所述障碍物检测装置包括处理器、红外发射管102、红外接收头110、接收解调机构111和红外发射机构101；所述障碍物检测装置分为接收解调机构111和红外发射机构101两层结构，接收解调机构111设置有红外接收头110，红外发射机构101设置有红外发射管102，红外发射机构101位于接收解调机构111的下层结构，而图2和图4中红外发射机构101位于接收解调机构111的上层结构。接收解调机构111和红外发射机构101采用一体化设计，作为承载机构，用来固定和隔离红外发射管102和红外接收头110。在所述处理器的控制下，接收解调机构111复用扫地机器人接收充电座信号的双目，现有技术中，扫地机器人都有自动上座功能，其前面有用于接收充电座发送信号的双目，该双目为两个或单个红外接收探头，使得结构设计简单。相对于现有技术，本实用新型实施例提供的一种红外调制的障碍物检测装置同时具备障碍物检测和接收回座信号的功能。

作为本实用新型的一种实施例，如图3所示，接收解调机构111在水平方向上设置两个红外接收头110；在红外发射机构101中，两个红外接收头110之间位置或单个红外接收头110所在位置的下层结构中装设有红外发射管102，使得两个或单个红外接收头110既接收经障碍物反射的红外发射管102发出的已调制信号，又接收充电座信号；而图4中两个或单个红外接收头110所在位置的上层结构中装设有红外发射管102，同样使得单个或两个红外接收头110接收障碍物反射的红外发射管102发出的已调制信号，并保留原来接收充电座信号的功能。如果装设有两个红外接收头110，则它们在同一平面上的朝向是平行或会聚的，以提高检测正前方的障碍物的灵敏度的要求。

所述障碍物检测装置的光路示意图如图1所示，光路105和光路103围成红外发射管102的发射视角范围，光路105和光路103相交形成红外发射管102的发射角，104表示红外发射管102的光轴线；光路106和光路107围成红外接收头110的接收视角范围，光路106和光路107相交形成红外接收头110的接受角，108表示红外接收头110的光轴线。由于图1实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的上层结构，图2实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的下层结构，所以图2所示的光路示意图与图1的是垂直翻转关系，故不再赘述。如图1所示，单个红外接收头110的光轴线108和红外发射管102的光轴线104形成一个预定夹角，使得接收解调机构111和红外发射机构101构成的一体化承载结构把红外发射管102的光路和红外接收头110的光路汇聚形成一个纵向的检测区域109。如果两个红外接收头110的光轴线108所在的平面和红外发射管102的光轴线104形成一个预定夹角，使得接收解调机构111和红外发射机构101构成的一体化承载结构把红外发射管102的光路和红外接收头110的光路汇聚形成一个封闭空间的检测区域109。

具体地，所述检测区域109限定于所述障碍物检测装置正前方的预定距离范围内，其中所述预定夹角是根据红外发射管102所发出的已调制信号的功率和方向确定的，所述预定夹角为锐角或钝角。图1或图2中检测区域109与所述障碍物检测装置正前方的最小距离为h1，最大距离为h2。具体地，h1设置为3厘米，h2设置为5厘米。所述预定距离范围设置为大于3厘米而小于5厘米。

由于本实用新型实施例中的接收解调机构111中的红外接收头110复用原有的双目，故红外发射管102的发射视角与红外接收头110的接收视角经过交叉以围成一个纵向上的检测区域109，该检测区域位于红外发射管102的发光范围与接收解调机构111内红外接收头110的接收范围相交的共同的视野范围内，检测区域109内的障碍物反射红外光比较强，红外接收头110接收到的光强也比较强，而充电座发来的信号则不受检测区域109的距离参数的限制。其中，红外接收头110是单个或两个，其既能够接收检测区域109内障碍物反射来自所述红外发射管102的红外调制信号，又能接收充电座的信号，两种接收功能并不冲突；其中障碍物反射的信号是发射自红外发射机构101的已调制信号，即传输到红外发射管102的调制信号与驱动红外发射的所述载波脉冲相乘得到的红外信号，充电座的信号是引导装置回座充电的信号。

作为本实用新型实施例，当接收解调机构111基于所述双目结构而设置有两个红外接收头110时，在图6所示的空间坐标系O-XYZ内，所述障碍物检测装置用于封闭的检测区域109，检测区域109由两个红外接收头110的接收视角和红外发射管102的发射视角围成，处于红外发射管102的发光范围与接收解调机构111内两个红外接收头110的接收范围相交的共同的视野范围内，并受其影响。由于图6实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的上层结构，图7实施例中接收解调机构111在红外发射机构101的下层结构，所以图7所示的光路示意图与图6的是垂直翻转关系，故不再赘述。

本实用新型实施例在复用原有所述双目的基础上，在位置的上层结构或下层结构增加红外发射机构101，采用两层结构从平面检测区域拓展到检测区域109，红外发射机构101中的红外发射管102发出的光束经障碍物反射后，一部分光线可以被接收解调机构111中的单个或两个红外接收头110接收，弥补单层结构在检测空间范围上的不足，从而在检测区域109内能对具有一定高度的障碍物进行检测，使所述障碍物检测装置获得更全方位的检测信息，避免机器运行过程被障碍物遮挡，进一步地缩小所述障碍物检测装置的检测盲区的范围，提高红外检测障碍物的灵敏性。

优选地，红外发射管102的输出功率恒定，并且其功率大小满足红外接收头接收110和解调所述预定距离范围内反射信号的强度要求。检测区域109内的障碍物距离红外接收头110越近，红外接收头110的接收信号越强，当两者距离小于防碰撞距离时，会引发安全问题；检测区域109内的障碍物距离红外接收头110越远（大于防碰撞距离），红外接收头110的接收信号越弱，当红外发射管102的光轴线104和红外接收头110的光轴线108几乎没有交点时，红外接收头110的接收信号无法进行解调。故需要在所述预定距离范围内，通过设置接收解调机构111的两个红外接收头110和红外发射机构101的红外发射管102限定出一个三维空间上的检测区域109，然后调节所述红外发射管102的输出功率来进行障碍物检测，则检测区域109内的障碍物在三维空间上反射回适用于解调强度的信号给红外接收头110，而两个红外接收头110对反射光的接收面更广，所述障碍物检测装置所接收的调制信息更全面。相对于现有技术的二维检测区域上的红外反射光，本实用新型实施例能避免红外发射光强的损失，提高所述障碍物检测装置的检测灵敏性。另外红外发射管102根据实际检测障碍物过程中所述预定距离范围的大小，设定一个稳定数值的输出功率以满足限定范围内红外接收头110接收障碍物反射信号的强度要求，排除其他光脉冲的影响，提高检测效果，实现低功耗检测。

优选地，发射自红外发射管102的信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到, 其中，预设频率是由红外编码确定的，而红外编码是红外接收头110所能识别的信号编码协议。所述预设频率设定为38KHz或40KHz，以满足本实用新型实施红外接收头110所能识别的红外编码协议。与红外反射管102相连接的发送端采用常规的脉冲调制方式（比如脉冲宽度调制（PWM），脉冲位置调制（PPM）等方法），将二进制数字信号调制成预设频率的间断脉冲串，并驱动红外发射管102以光脉冲的形式发送出去，即借助预设频率的载波信号承载有用信息的调制信号发送给接收方。其中，调制信号间隔发送，先发送一段具有预设频率的连续脉冲序列，再进入空闲状态，然后又发送一段具有预设频率的连续脉冲序列，再进入空闲状态，如此交替的发送。

作为一种实施例，所述调制信号是一种二进制信号，如图9所示，二进制信号中的逻辑‘1’的高低电平信号的脉冲宽度均等于0.26ms,二进制信号中的逻辑‘0’的低电平信号的脉冲宽度等于0.52ms,高电平信号的脉冲宽度等于0.26ms。需要说明的是，不同的红外编码中，二进制信号中逻辑“0”和逻辑“1”对应的占空比不同，即对应的高低电平信号的脉冲宽度的比值不同。而本实用新型实施中，各种常见的红外遥控编码协议都适用于所述调制信号。

基于所述障碍物检测装置，本实用新型实施提供一种检测方法，所述检测方法包括：

在所述处理器的控制下，红外接收头110将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。所述处理器根据红外接收头110的解调输出信号，确定红外接收头110所接收的信号类型，其中信号类型包括回座信号和障碍物信号；当红外接收头110接收回座信号和障碍物信号时不会发生功能冲突。

优选地，当红外接收头110的解调输出信号对应充电座匹配的脉冲码值时，红外接收头110接收的信号类型为回座信号。所述脉冲码值为常规充电座所使用的收发信号脉冲参数。

优选地，判断所述红外接收头所接收的信号为障碍物信号的方法包括：所述处理器需要对红外发射管102做相应的时序控制，通过检测红外接收头110的解调输出信号来实现判断检测区域109内是否存在障碍物。如图8所示，图8中上部分为红外发射管102的已调制的发射信号，图8中下部分是红外接收头110的解调输出信号。当所述发射信号与所述解调输出信号存在如下脉冲时序即可判断检测区域109内存在障碍物，其中脉冲时序包括：

（1）t0时刻与t1时刻之间，红外发射管102发射一段预设频率的连续脉冲串，相应地，红外接收头110接收到检测区域109内反射的所述连续脉冲串，经过解调输出低电平；其中，所述连续脉冲串是基于红外编码的调制信号的高电平脉冲与所述预设频率的载波信号相与得到的，所述红外编码是所述红外接收头所能识别的信号编码协议；

（2）t1时刻与t2时刻之间，红外发射管102的发射信号中没有出现脉冲串，该时间段作为发射信号的空闲时间间隔，相应地，红外接收头110接收到检测区域109内反射的所述发射信号，经过解调输出高电平；

（3）t2时刻，进入下一个工作周期；

（4）t2时刻至t3时刻的时间段的工作时序重复步骤（1），t3时刻至t4时刻的时间段的工作时序重复步骤（2），然后在t4时刻进入下下一个工作周期，如此迭代，使得红外接收头110持续接收到检测区域109内反射的来自红外发射管102发射的已调制红外信号；红外发射管102重复工作时序（1）至（4）发射已调制信号，而障碍物处于检测区域109内可反射已调制的红外信号，使得红外接收头110可以持续接收到反射信号。

其中预设频率的连续脉冲串为加载载波信号的编码的二进制信号，而红外接收头110接收到的反射信号是来自检测区域109内的整个障碍物或障碍物的一部分反射面。

当红外接收头110的解调输出信号不存在上述脉冲时序，检测区域109内不存在障碍物，此时红外接收头110还用于接收充电座的回座信号，充分扩展所述障碍物检测装置的接收功能，增加其实用性。

优选地，所述预设频率是根据红外接收头110的频率适配特性而调制出来，以符合常见的红外编码协议的要求。具体地，通过调制可以使红外光以特定的频率闪烁，红外接收头110会适配这个频率，其他噪声信号都被忽略。根据发射端调制载波的不同选用相应解调频率的接收头。本实用新型实施例中，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

优选地，红外发射管102的发射信号为已调制成所述预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串中的所述空闲时间间隔根据所述预设频率的载波信号之间的固定空闲周期确定的，所述调制信号是基于红外编码的编码信号，所述固定空闲周期的数值也是由相应的红外编码协议确定的。所述载波脉冲之间使用所述固定空闲周期进行分隔，以表示逻辑“0”，而所述间断脉冲串为传输到红外发射管102的调制信号与驱动红外发射的所述载波信号相与得到的。

优选地，红外发射管102在检测区域109与所述障碍物检测装置的距离范围内输出恒定强度的功率，以使得红外接收头110只能接收检测区域109内障碍物反射的所述发射信号；其中，接收解调机构111和红外发射机构101构成的一体化承载结构（即所述障碍物检测装置）和检测区域109的距离范围为大于3厘米而小于5厘米。如图1或图2所示检测区域109与所述障碍物检测装置的正前方的最小距离为h1，最大距离为h2。具体地，h1设置为3厘米，h2设置为5厘米。红外发射管102根据实际检测障碍物过程中所述预定距离范围的大小，设定一个稳定数值的输出功率以满足限定范围内红外接收头110接收障碍物反射信号的强度要求。

在实际检测过程中，当整个障碍物位于所述障碍物检测装置的正前方检测区域109之外的区域时，如图1或图2所示，分为两种实施例。实施例一，当障碍物位于光路105和光路103围成红外发射管102的发光范围内的区域#1时，由于区域#1不在光路106和光路107围成红外接收头110的接收视角的高度范围内，且红外发射管102的输出功率的限制，所以红外接收头110几乎接收不到区域#1高度范围内的障碍物反射信号或接收到极弱的信号以至于无法解调输出信号；

实施例二，当障碍物位于光路107和光路106围成红外接收头110的接收范围内的区域#2，由于区域#2不在光路103和光路105围成红外接收头110的发射视角范围内且与所述障碍物检测装置正前方的距离超出所述预设距离范围，加上红外发射管102的输出功率和所述预设距离的限制，所以区域#2内障碍物接收来自红外发射管102的已调制信号非常弱，几乎不反射发射自所述红外发射管的已调制信号，所述红外接收头110则接收到极弱的信号以至于无法解调输出相应信号。

基于前述的障碍物检测装置可装设于一种可移动的机器人上，如图5所示，所述机器人为一种扫地机器人，302表示扫地机器人的底座，301表示扫地机器人的外壳，111表示扫地机器人的外壳301的前侧所装设的接收解调机构，110为装设在接收解调机构111上的两个朝向平行的红外接收头，110也包括装设在接收解调机构111上的单个红外接收头。在本实用新型实施例中，复用所述扫地机器人原用于接收充电座信号的两个红外接收头110，使得两个红外接收头110既接收障碍物反射的已调制信号，又接收充电座的信号。从所述机器人的俯视图的方向看，障碍物检测区域限定在区域109，区域109的位置受到两个朝向平行的红外接收头110的接收视角和红外发射管102的光轴线104的影响，其中区域109与所述机器人上装设的接收解调机构111正前方的距离的最小距离为h1，最大距离为h2，该距离可用来表示所述障碍物检测装置正前方与区域109的距离范围值。具体地，h1设置为3厘米，h2设置为5厘米。在区域109内所述机器人能对具有一定高度的障碍物进行检测，使所述机器人获得更全方位的检测信息，避免机器人在清扫过程被障碍物遮挡，进一步地提高清扫效率和清扫覆盖面积，也提高所述机器人在红外检测障碍物方面的灵敏性。

需要说明的是可以在所述扫地机器人上装设6组所述障碍物检测装置，6组所述障碍物检测装置均匀地分布在所述扫地机器人的外壳301的前侧，从而更加全面地检测所述机器人横向上限定空间区域内的障碍物。以上实施例仅为充分公开而非限制本实用新型，凡是基于本实用新型构思且未经创造性劳动即可获得的等效技术特征的替换，应当属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种红外调制的障碍物检测装置，该障碍物检测装置分为接收解调机构和红外发射机构两层结构，接收解调机构设置有红外接收头，红外发射机构设置有红外发射管，红外发射机构位于接收解调机构的上层结构或下层结构，其特征在于，所述接收解调机构复用扫地机器人接收充电座信号的双目，其中所述双目为装设在所述接收解调机构中的单个或两个红外接收头；

所述红外接收头所在位置对应的上层结构或下层结构装设有所述红外发射机构的红外发射管，使得所述红外接收头既能接收经障碍物反射的红外发射管发出的已调制信号，又能接收充电座信号。

2.根据权利要求1所述障碍物检测装置，其特征在于，所述红外接收头的光轴线所在的平面和所述红外发射管的光轴线形成一个预定夹角，使得所述红外发射管的发射视角与所述红外接收头的接收视角交叉围成一个限定于所述障碍物检测装置正前方的预定距离范围内的检测区域，其中所述预定夹角是根据所述红外发射管所发出的已调制信号的功率和方向确定的。

3.根据权利要求2所述障碍物检测装置，其特征在于，所述预定距离范围设置为大于3厘米而小于5厘米。

4.根据权利要求1所述障碍物检测装置，其特征在于，发射自所述红外发射管的已调制信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到；其中，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

5.一种机器人，该机器人是一种可移动的机器人，其特征在于，该机器人的外壳前侧装设有一组或多组权利要求1至权利要求4任一项所述障碍物检测装置。