CN209471375U - 一种避障系统 - Google Patents

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王驰
张苏园
王子涵
费凯成
罗浩珏
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Abstract

本实用新型公开了一种避障系统,在避障系统的设备平台上,安装有动力轮、动力轮驱动器、传感器模块、避障模块和人机交互单元,上述各部件由电池供电;所述传感器模块和避障模块连接,用于收集环境障碍物信息;所述避障模块包括控制中心、传感器接口、通讯电路和电源模块;所述传感器模块通过传感器接口与控制中心相连,所述人机交互单元通过通讯电路与控制中心相连,所述动力轮驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过动力轮驱动器控制动力轮,实现避障操作。本实用新型采用模块化设计,有拓展能力:可拓展多种传感器进行数据的融合;具有完善的用户交互功能;通用性强、稳定性强。

Description

一种避障系统
技术领域
本实用新型涉及机器人避障领域,尤其涉及一种避障系统。
背景技术
避障使用的传感器多种多样,各有不同的原理和特点,目前常见的主要有视觉传感器、红外传感器、超声波传感器、激光传感器、毫米波雷达等。单目视觉则只能获取环境的二维图像信息,无法获取环境障碍物的深度信息,双目视觉,则存在实时性差、计算复杂等缺点。超声波或红外测距传感器存在探测范围有限,容易受环境影响,如温度、风速等,同时刷新速率低,多组同时使用时容易产生串扰,探测数据量较少,影响避障控制的精确度等缺陷。激光传感器距离测量技术具有较高的精度和速度,但对黑体或于透明材料,比如玻璃,就无能为力了。
而常用的避障解决方案依赖于平台,即根据平台的尺寸,形状等特点,使用不同的避障传感器获取信息,这是一种建模式的解决方案。虽然该方案的避障算法可能适用于多种情况,但由于通信协议,计算平台,参数固定等原因,这种方案往往不具备通用性,在付出大量时间精力后得到的方案仅能用于一种平台。
本实用新型使用多传感器融合方法,使用超声波和激光雷达作为主要避障传感器,并可以扩展其他诸如红外传感器,视觉传感器,姿态传感器,碰撞传感器以及扩展编码器等传感器,提升避障系统的可靠性,实现复杂环境条件下,空间物理信息的精确获取。使用多种通信协议实现对传感器的数据获取以及人机交互,解决本避障系统对于不同平台的适用性,并设计控制中心交互逻辑,实现一种通用和易用的避障系统。
实用新型内容
实用新型目的:为了解决现有技术存在的问题,本实用新型的目的在于提供一种能够在复杂环境条件下,精确获取空间物理信息的避障系统。
技术方案:一种避障系统,在避障系统的设备平台上,安装有动力轮、动力轮驱动器、传感器模块、避障模块和人机交互单元,上述各部件由电池供电;
所述传感器模块和避障模块连接,用于收集环境障碍物信息;
所述避障模块包括控制中心、传感器接口、通讯电路和电源模块;所述传感器模块通过传感器接口与控制中心相连,所述人机交互单元通过通讯电路与控制中心相连,所述动力轮驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过动力轮驱动器控制动力轮,实现避障操作。
所述传感器包括主要避障传感器和扩展避障传感器;所述主要避障传感器为激光雷达传感器和/或超声波传感器;所述扩展避障传感器包括红外传感器、视觉传感器、碰撞传感器、姿态传感器、扩展编码器中的至少一种。
还包括转向机构和转向驱动器;所述转向驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过转向驱动器控制转向机构,实现避障操作。
所述人机交互单元上设有音频模块、灯光模块、屏幕指示模块以及远程终端模块中的至少一种显示设备。
所述人机交互单元包括按键、摇杆、触摸模块和无线遥控模块中的至少一种输入设备。
所述避障模块还包括电量检测单元,该电量检测单元与电源模块为并联连接,并与控制中心相连。
有益效果:和现有技术相比,本实用新型具有如下进步:1、采用模块化设计,有拓展能力:可拓展多种传感器进行数据的融合;2、完善的用户交互:用户可使用不同的控制指令实现原始传感器数据输出,避障信息输出,参考运动指令输出;用户也可以设定避障范围,设备尺寸等参数;3、通用性强:兼容多种通信协议,可用于多种移动平台;4、稳定性强:使用多种传感器,从而避免单一传感器在特殊情况下的缺陷,提高系统稳定性。
附图说明
图1为避障系统基本构成;
图2为避障模块控制框图;
图3为传感器优先级输入输出;
图4为传感器融合和实时地图构建示意图;
图5为局部地图构建示意图;
图6(a)、6(b)为智能优化行驶轨迹示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示,本实用新型的避障系统基本构成包括:人机交互单元、传感器模块、避障模块和电池,为了实现避障操作,本实用新型的避障系统还包含至少一个动力轮驱动器,和两个动力轮,或者包含至少一个动力轮驱动器、一个转向驱动器,一个动力轮和一个转向机构。各部件安装在避障系统平台上。
其中,传感器模块和避障模块连接,用于收集环境障碍物信息;如图2所示,避障模块包括控制中心、传感器接口、通讯电路和电源模块;传感器模块通过传感器接口与控制中心相连,人机交互单元通过通讯电路与控制中心相连,动力轮驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过动力轮驱动器控制动力轮,实现避障操作。
避障模块作为整个系统的控制核心,主要用于收集传感器信息,形成系统所处的空间位置信息,并根据各个传感器的信息变化,由控制中心计算得出系统当前的运动状态,通过控制各个驱动器,进行避障的操作。同时避障模块可以向人机交互单元反馈目前设备运行信息,可以根据人机交互单元反馈的信息来调整系统运动。
人机交互单元主要负责向使用者反馈避障系统的信息,反馈的方式可采用声音、灯光指示、屏幕指示、远程终端显示等。同时,使用者可以通过人机交互单元对系统进行控制,控制的方式可采用按键、摇杆、触摸或者无线遥控。
避障系统中的驱动器主要分为动力轮驱动器、转向驱动器、辅助设备驱动器。其中,动力轮驱动器主要负责驱动动力轮,为整个系统提供运动动力来源;当一个系统驱动两个及以上动力轮时,也可以为系统提供转向力。转向驱动器主要负责驱动转向机构,为系统提供转向力。辅助设备驱动器主要帮助系统驱动辅助设备,实现系统额外的辅助功能。
图2中,传感器模块主要分为两类:主要避障传感器和扩展避障传感器;其中,主要避障传感器由激光雷达和超声波传感器组成;作为环境信息的主要来源,激光雷达提供的信息精度高,刷新速率高,冗余信息少。使用多种通信协议将数据传输至控制中心,控制中心则根据激光雷达获取的传感器信息建立栅格地图或者极坐标地图从而建立起对周围环境初步认识,同时系统使用激光雷达获取环境中常出现的动态障碍物的信息。方案使用旋转激光雷达和固态激光雷达互为替代:对于体积小高度低的移动平台采用旋转激光雷达,而对于体积大较高或者是形态特殊的移动平台则使用固态激光雷达。即使大角度的3D激光雷达也仍然存在激光雷达普遍存在的检测盲区问题,对于这种情况,作为主要避障传感器的超声波传感器就会发挥辅助探测的功能。与此同时,当激光雷达发生故障时,超声波传感器能对周围环境存在的障碍物进行检测,避免紧急情况下事故的发生。使用超声波传感器获取障碍物距离的信息,并通过多种通信方式传输至控制中心中。扩展避障传感器包括红外传感器,视觉传感器,碰撞传感器,姿态传感器以及扩展编码器;考虑到红外传感器对于环境光线的要求,红外传感器仅作为一种辅助的扩展的避障传感器,使用视觉传感器向控制中心发送图像信息,使用单目摄像头完成目标识别、障碍物类型识别、场景识别等功能;使用景深摄像头或双目摄像头作为激光雷达的备用和替代,控制中心获取场景的景深信息,实现立体的场景构建,实现避障信息的输出;当出现不当使用避障信息或避障信息出错时,移动平台可能发生碰撞。当碰撞发生时,使用碰撞传感器检测碰撞的发生,控制中心接收到碰撞传感器检测到的碰撞发生信号时,通过通信接口发出运动控制指令,确保碰撞后不会发生进一步的事故。使用姿态传感器检测移动平台的姿态,将移动平台姿态信息与激光雷达或其他传感器的构图信息融合,可以实现对因安装误差或者运动平面的误差引起的地图偏差的矫正。同时在移动平台运行姿态不正常(如侧滑,倾翻)时,向控制中心提供姿态信息。针对非闭环移动平台,本系统提供扩展编码器,测量电机运行的速度,位置等信息,用以构成闭环,从而提高平台的移动性能。
传感器接口主要分为专用接口和通用接口。通用接口分为模拟量接口、数字量接口、通信接口,模拟量接口主要用于连接反馈模拟量的传感器,数字量接口主要用于连接反馈数字量信息的传感器,通信接口主要用于连接通过通信协议形式反馈信息的传感器。专用接口则是根据传感器的实际情况,通过多种接口组合的方式来实现传感器的信息收集。
本实用新型使用多种通信接口,完成各个传感器与控制中心之间的通信。考虑到不同的传感器通信协议往往不一致的问题,本系统提供通讯电路,通过软硬件的方式实现诸如CAN、RS232/485、USB、TTL串口等通信方式。传感器通过通信接口将数据发送至控制中心,用户也可以通过通讯电路完成与系统的交互,这包括通过通讯电路向控制中心发送用户指令来配置输出方式,修改参数以适应用户平台,检查系统状态和调试系统故障。与此同时,对通信模块本身的数据分析也可以作为对传感器和避障系统的调试手段。
电源模块主要负责提供系列电源24V、5V、3.3V电源,并控制其他设备的电源通断。电源模块同时具有接入外部电源的功能。当外部电源接入时使用外部电源供电,但外部电源断开时则使用自身电源供电。同时电源模块提供软启动方式用以配合用户平台完成整个系统的同时启动。同时避障模块具备电量检测单元,用于测量电池电量的剩余量。
控制中心通过通信接口读取传感器数据和用户指令,并按照用户指令要求发出相对应的信息如障碍物信息,传感器原始数据,系统状态等或者配置相应的参数如平台尺寸,避障范围等;同时,系统提供可拓展的人机交互设备,并借此实现用户指令的读取和相应信息的展示。控制中心内置现有的地图生成算法,用户可以通过参数配置使用该方法,也可以在平台中使用自己的算法。
基于上述避障系统,本实用新型可实现避障系统主要功能和避障系统用户交互,具体包括如下内容:
避障系统主要功能的实现方法包括数据融合、局部地图构建、空间建模、路径规划和信息输出。
传感器数据融合:避障系统通过多传感器融合实现周围环境信息的获取。控制中心获取多传感器信息后,通过融合方法,输出标准格式的环境信息,为实现数据的融合,避障系统将传感器信息将分为以下优先级:为实现例如紧急刹车等功能提供信息的传感器为高优先级传感器,包括:姿态传感器,碰撞传感器,扩展编码器等;提供当前环境的障碍物距离、类别等信息的传感器为低优先级传感器,包括:超声波传感器,红外传感器,双目/景深摄像头,激光雷达传感器,单目摄像头等,其输入输出示意如图3所示。
根据传感器的不同特点,以高优先级传感器提供的信息作为紧急情况的判定信息,而以激光雷达数据作为主要的实时地图构建数据,超声波传感器,红外传感器,双目/景深摄像头,单目摄像头获取的障碍物信息作为地图信息的修正。
用户可以指定不同的平台模型来计算某一时刻平台的位置姿态线速度角速度信息,包括:差分驱动型平台,前轮导向型平台或后轮导向型平台。
平台的位置由编码器累加得到;平台的姿态可由编码器计算得到;平台的姿态由姿态传感器组成的惯性导航单元(IMU)直接测量得到:IMU可直接测量出当前平台的姿态,可由欧拉角或四元数表示;线速度和角速度信息可基于编码器读数计算得到;线速度和角速度信息可由IMU测量得:IMU内置的加速度计可积分得到先速度,陀螺仪可得到角速度数据。
如图4所示,雷达(图示圆框)信息作为主要的地图构建信息,而在特定方向上,由于超声波传感器(A所指),红外传感器等获取的小范围内的距离信息更为精确,此时控制中心将对两种信息进行综合比较,从而在特定范围中修正激光雷达的数据,提高实时构图的可靠性和准确性。
局部地图构建方法:使用多传感器融合获得实时地图信息之后,结合里程计,系统将带有时间,位置信息的新的多幅地图,通过坐标变换的方式结合为一幅新的局部地图,并对新地图进行特征分析,控制中心将局部地图信息输出。
如图5所示,避障系统在某一时刻中通过多传感器融合的方法获取实时地图,在用户指定的下一时刻中以相同方式获取第二幅实时地图。根据平台自带或避障系统搭载的扩展编码器融合姿态传感器信息计算里程信息,获取两个时刻系统的位置变化情况,并使用坐标变换的方式将两幅图合成为一幅地图,拟合重合的部分,扩展剩下的部分,重复多个时刻,获取这段时间内避障系统周围的局部环境信息,从而建立当前环境下的局部地图。
根据平台尺寸的空间建模方法:控制中心结合用户给定的运动信息,(如速度,方向信息)和用户设置的平台尺寸等相关信息,构建出小车的空间模型,包括计算平台的最小转向距离(最小回转半径),最小换向宽度等。用户也可以直接将这些参数设置在控制器中,以便于为接下来的路径规划获取足够的信息。
路径规划方法:用户给定运动的方向,速度等信息,控制中心结合局部地图的特征对于即将可能发生的平台运动情况进行修正,输出相应的组合运动指令,从而进行路径规划。
图6(a)给出一种移动机器人平台常遇到的问题,即通过狭窄空间(如门框,电梯);这种情况下,如按照单一的用户指令,在不当的位置转向,平台没有获取足够的转向半径,就会出现移动平台前部卡住或后部卡主的情况。
控制中心将会检测到实时地图中某些特征(如拐角,可通过的窄缝),根据用户设置的移动平台尺寸参数,计算出最佳转向路线,并结合用户指令,如指向狭缝方向的指令,规划出最佳的运动路径,向平台发出参考的运动信息,如图6(b)中,控制中心提供给平台一个与用户控制的运动方向有偏移的运动方向以获取最佳转向半径,从而使移动平台通过狭缝。
紧急情况下的处理:为保证安全行驶,在一些紧急情况下避障系统将作出紧急的应对措施。系统将这些情况分为四种优先级,即:第一优先级:严重的系统错误;第二优先级:影响系统运行的错误;第三优先级:影响系统稳定精准运行的错误;第四优先级:检测到干扰系统运行的因素。在产生紧急情况是,系统如表1所示为系统故障响应优先级,同时采取紧急刹车的基础措施;当低优先级传感器失效时,高优先级传感器会根据环境情况,采取鉴定的应急避障动作;同时系统会根据各个优先级等级采取部分额外措施。
表1
参数输入和信息输出:将与用户交互的行为分为四种情况,即用户对系统相关的参数设置,输出模式的选择,交互模式的选择和系统状态输出。表2所示为用户交互逻辑。
表2

Claims (6)

1.一种避障系统,其特征在于:在避障系统的设备平台上,安装有动力轮、动力轮驱动器、传感器模块、避障模块和人机交互单元,上述各部件由电池供电;
所述传感器模块和避障模块连接,用于收集环境障碍物信息;
所述避障模块包括控制中心、传感器接口、通讯电路和电源模块;所述传感器模块通过传感器接口与控制中心相连,所述人机交互单元通过通讯电路与控制中心相连,所述动力轮驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过动力轮驱动器控制动力轮,实现避障操作。
2.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于:所述传感器包括主要避障传感器和扩展避障传感器;所述主要避障传感器为激光雷达传感器和/或超声波传感器;所述扩展避障传感器包括红外传感器、视觉传感器、碰撞传感器、姿态传感器、扩展编码器中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于:还包括转向机构和转向驱动器;所述转向驱动器通过机电连接与控制中心相连,控制中心获取用户指令和环境障碍物信息后,通过转向驱动器控制转向机构,实现避障操作。
4.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于:所述人机交互单元上设有音频模块、灯光模块、屏幕指示模块以及远程终端模块中的至少一种显示设备。
5.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于:所述人机交互单元包括按键、摇杆、触摸模块和无线遥控模块中的至少一种输入设备。
6.根据权利要求1所述的避障系统,其特征在于:所述避障模块还包括电量检测单元,该电量检测单元与电源模块为并联连接,并与控制中心相连。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111024060A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 西北工业大学 基于光学和声学系统的载运工具导航系统、方法、设备及可读存储介质

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