CN209765051U

CN209765051U - 一种旋转扫描超声波测距装置

Info

Publication number: CN209765051U
Application number: CN201721407137.4U
Authority: CN
Inventors: 王振华
Original assignee: Nanjing Science And Technology Ltd Of A Fanda Robot
Current assignee: Nanjing Science And Technology Ltd Of A Fanda Robot
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2027-10-27

Abstract

本实用新型提出一种旋转扫描超声波测距装置，包括基座模块和旋转扫描模块，旋转扫描模块安装在所述基座模块上；所述旋转扫描模块包括测距单元、通信单元，所述测距单元包括超声探头、超声波发射电路、超声波接收电路以及微处理器子单元；所述测距单元可以相对于所述基座模块进行360度旋转。本实用新型的一种旋转扫描超声波测距装置，采用单体的旋转扫描式超声波测距装置取代以往技术中的多个测距传感器，旋转扫描式超声波测距装置以扫描方式测量机器人四周障碍物距离及角度等数据，彻底解决了测量盲区及安装接线繁琐问题。装置结构简单，降低了以往测距装置的成本，适于推广应用。

Description

一种旋转扫描超声波测距装置

技术领域

本实用新型属于机器人测距技术领域，特别是一种旋转扫描超声波测距装置。

背景技术

移动机器人在移动过程中需要对障碍物进行感知以确定自身的位置来达到成功避障等，对于机器人而言，要感知周边的环境，需要依靠一系列的传感器相互协调作用。而不同的传感器都有各自的优缺点，到目前为止，尚未出现一种可以完全满足环境建模需要的传感器。所以对各传感器的信息融合是环境建模的有效手段，利用多种传感器获得冗余信息，以准确感知周围环境，为环境建模提供精确的数据。

在环境感知技术中，超声波测距占有重要地位。超声波传感器作为一种相对廉价的距离信息传感器，具有体积小，成本低，容易部署等优点；同时超声波传感器具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素干扰的优点。超声波测距方法是基于计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间或其他参数来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。其测距范围一般在0 .1米到10米之间，精度能达到毫米级别。因此超声波测距传感器被大量用在移动机器人上进行测距和避障。

而移动机器人在移动过程中需要对障碍物进行感知以确定自身的位置来达到避障和路径规划等，现有的避障技术采用的测距传感器一般是点对点的测距传感器，为了尽量减少测量盲区，提高测距的精确性，在实际使用中需要安装多个测距传感器来达到更好的效果。但仍不可完全避免盲区存在，且多个传感器增加了成本，安装接线也十分不便。

实用新型内容

本实用新型旨在于提出一种旋转扫描超声波测距装置，该测距装置可以保证测距模块进行高速连续360 度精确测距，只需安装单个超声波传感器即可满足测距功能，扫描方式测距更精准、更可靠，彻底解决了测量盲区及安装接线繁琐问题。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种旋转扫描超声波测距装置，包括基座模块和旋转扫描模块，旋转扫描模块安装在所述基座模块上；所述旋转扫描模块包括测距单元、通信单元，所述测距单元包括超声探头、超声波发射电路、超声波接收电路以及微处理器子单元；所述测距单元可以相对于所述基座模块进行360度旋转。

进一步的，所述基座模块包括驱动装置，所述旋转扫描模块与驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动扫描模块旋转。

更进一步，所述驱动装置包括电机和减速机构，所述旋转扫描模块通过减速机构和电机机械连接。

进一步的，所述基座模块还包括供电单元，所述旋转扫描模块还包括受电单元，所述供电单元通过所述受电单元为所述旋转扫描模供电。

进一步的，所述供电单元包括供电电源和供电线圈，所述受电单元包括受电线圈，所述受电线圈与供电线圈相向设置。

进一步的，所述基座模块还包括底盘，所述供电单元和驱动装置均固定在所述底盘上。

更进一步，所述受电线圈围绕在所述旋转扫描模块中轴的周围。

进一步的，所述测距单元还包括温度检测电路。

进一步的，所述旋转扫描模块还包括角度及转速测量单元。

更进一步，所述角度及转速测量单元基于光栅测量或磁环测量。

本实用新型的一种旋转扫描超声波测距装置工作时，供电电源供电给供电线圈和电机，供电线圈利用电磁感应提供电力给旋转扫描模块，旋转扫描模块的受电单元获得供电并稳压降压后，为旋转扫描模块的其它单元供电。电机通过减速机构带动旋转扫描模块连续旋转，测距单元在360度连续旋转的每个时间点，主动发射超声波。当超声波在介质中传播遇到障碍物被反射回来，测距单元接收到被反射回来的回波信号，计算出超声波在介质中的传播时间，然后根据S= C *△t/2，计算出测距距离结果，其中C为声波速度，速度固定，△t为声波在介质中传播时间，由测距单元测量得到。测角度及速度的单元负责测量当前转动角度及转动速度；实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过通讯单元传输出去。

本实用新型的一种旋转扫描超声波测距装置，采用单体的旋转扫描式超声波测距装置取代以往技术中的多个测距传感器，旋转扫描式超声波测距装置以扫描方式测量机器人四周障碍物距离及角度等数据，彻底解决了测量盲区及安装接线繁琐问题。装置结构简单，降低了以往测距装置的成本，适于推广应用。

附图说明

图1为本实用新型旋转扫描超声波测距装置结构示意图；

图2是图1所示的旋转扫描超声波测距装置结构另一角度示意图；

图3是本实用新型旋转扫描超声波测距装置工作原理框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的一种旋转扫描超声波测距装置进行详细说明。需要说明的是，本文的“第一”、“第二”等仅为了区分相关的术语，并不表示重要性的高低。

如图1至3所示，本实用新型的一种旋转扫描超声波测距装置，包括基座模块1和旋转扫描模块2，旋转扫描模块2安装在基座模块1上；旋转扫描模块2包括测距单元21、通信单元25，测距单元21包括第一、二超声探头210、211、超声波发射电路212、超声波接收电路213以及微处理器子单元27,在本实施例中优选STC15W202S做微处理器，也可以在本申请中在满足本申请性能参数的情况下，可以根据使用场景的不同，以及工作量的承载信息的不同，可以适应性的更换为其它的芯片，包括51系列的单片机，PIC系列，以及ARM系列等。测距单元21可以相对于基座模块1进行360度旋转。测距单元21可以相对于基座模块1进行360度旋转的实际意义在于超声探头和超声波发射电路能够相对于基座模块1进行360度旋转。在本实施例中的实现方式是旋转扫描模块2可以相对于基座模块1进行360度旋转。

基座模块1包括底盘16、供电线圈14、供电电源13、电机11及减速机构12。供电线圈14、供电电源13 、电机11及减速机构12固定在底盘16 上。供电电源13 向各系统提供电源。旋转扫描模块2还包括受电单元24、用于测转动角度和转动速度的角度及转速测量单元26 。通信单元25采用无线通信单元。受电单元24 包括受电线圈241、降压及稳压电路240 。电机11 通过减速机构12 与旋转扫描模块2 机械连接。在基座模块1中，优选地，电机11为直流有刷电机，转速约300～3000rpm，扫描频率为5～50Hz。

旋转扫描模块2 设置在电机减速机构输出轴承15 上并通过电机11 与底盘16连接；受电线圈241 与供电线圈14 相向设置。

工作时，供电电源13 供电给供电线圈14 和电机11，供电线圈14 利用电磁感应提供电力给旋转扫描模块2，旋转扫描模块2 的受电单元24 获得供电并稳压后，为旋转扫描模块2 的其它单元供电。电机11 通过减速机构12 带动与轴承15 连接的旋转扫描模块2连续旋转，测距单元21在360度连续旋转的每个时间点，主动发射超声波，当超声波在介质中传播遇到障碍物被反射回来，测距单元接收到被反射回来的回波信号，计算出超声波在介质中的传播时间，然后根据S= C *△t/2，计算出测距距离结果，其中C为声波速度，为固定值，△t为声波在介质中传播时间，由测距单元测量得到。同时为了使测量结果不受介质温度影响，由测距单元21上的微处理器子单元27读取温度检测单元214的温度值，然后根据C=331.4+0.607T (m/s) 修正超声波的传播速度，实现温度补偿；其中，C为超声波的传播速度，T为温度检测单元测量的温度。角度及转速测量单元26 负责测量当前转动角度及转动速度；实时的测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过无线通信单元25 传输出去。

本实施例中，角度及转速测量单元26 可以基于光栅测量，也可以基于磁环测量；无线通讯单元采用的传输协议为Zigbee；减速机构12 为金属箱减速齿轮组传动机构。本实施例中，受电线圈241 优选设置在旋转扫描模块2 的中轴所在区域上，便于始终保持与供电线圈14 相向设置。

本实施例中，测距单元21包括超声波探头210和211、超声波发射电路212、超声波接收电路213、温度检测单元214及微处理器子单元27。当需要测距时微处理器子单元27通过软件方式实现方波发射任务，发送8个40kHz 的方波至方波功率放大电路，方波经功率放大后传输至超声波探头210转化成超声波信号发射出去，此超声波在介质传播过程中，遇到障碍物反射回来；超声波接收探头211收到反射回波信号，把反射回波信号（即反射回来的超声波信号）转化成电信号，此电信号传输至超声波接收电路212的滤波放大电路进行处理，处理后的电信号与基准信号进行比较，把比较结果输出至微处理器子单元27作为判断是否收到反射回波信号的依据。一般基准信号设为0，当接收到反射回波信号时，其经过处理后的电信号必然大于0，因此，通过判断是否大于0的判断结果来确认是否收到反射回波信号，由此，计算得到时间差。

当发出超声波信号时，会有一个时间点t₁，当确认收到反射回波信号时，也有一个时间点t₂，微处理器子单元27计算两者之间的时间差t₂-t₁，即△t。因控制电路发出方波信号与超声波发射探头发出超声波之间的时间间隔极小，可以忽略；超声波接收探头接收到反射回波信号与信号比较电路确认收到反射回波信号之间的时间间隔极小，因此，也可以忽略。

温度检测单元214将其检测到的当前环境温度T发送给微处理器子单元27，微处理器子单元27根据上述公式和温度T，得到修正后的超声波的传播速度C；再根据修正后的超声波的传播速度C和△t，计算得到距离S，即测距结果。测距结果与当前转动角度及当前转动速度组合成为一组数据，最后通过无线通信单元25传输出去。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种旋转扫描超声波测距装置，包括基座模块，其特征在于，还包括旋转扫描模块，旋转扫描模块安装在所述基座模块上；所述旋转扫描模块包括测距单元、通信单元，所述测距单元包括超声探头、超声波发射电路、超声波接收电路以及微处理器子单元；所述测距单元可以相对于所述基座模块进行360度旋转；所述测距单元还包括温度检测电路。

2.根据权利要求1所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述基座模块包括驱动装置，所述旋转扫描模块与驱动装置连接，所述驱动装置用于驱动扫描模块旋转。

3.根据权利要求2所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述驱动装置包括电机和减速机构，所述旋转扫描模块通过减速机构和电机机械连接。

4.根据权利要求2所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述基座模块还包括供电单元，所述旋转扫描模块还包括受电单元，所述供电单元通过所述受电单元为所述旋转扫描模供电。

5.根据权利要求4所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述供电单元包括供电电源和供电线圈，所述受电单元包括受电线圈，所述受电线圈与供电线圈相向设置。

6.根据权利要求5所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述受电线圈围绕在所述旋转扫描模块中轴的周围。

7.根据权利要求4所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述基座模块还包括底盘，所述供电单元和驱动装置均固定在所述底盘上。

8.根据权利要求1所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述旋转扫描模块还包括角度及转速测量单元。

9.根据权利要求8所述的旋转扫描超声波测距装置，其特征在于，所述角度及转速测量单元基于光栅测量或磁环测量。