CN209911548U - 测距装置和自主移动机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种测距装置和自主移动机器人，测距装置包括基座和至少两个收发部件，每个收发部件包括发射单元、接收单元和计算单元。发射单元向目标对象发射波；接收单元接收从目标对象反射的波；计算单元基于波的发射和反射的波的接收来计算目标对象与测距装置之间的距离。收发部件被安装在基座上，各个收发部件的发射单元所发射的波与基座成不同的俯仰角度。根据本实用新型，能够以低成本的方式利用相同结构的单线LDS构造出多线LDS。

Description

测距装置和自主移动机器人

技术领域

本实用新型总体涉及距离测量领域，具体地涉及一种测距装置和自主移动机器人。

背景技术

测距装置是利用激光、红外线、超声波等来确定与目标对象之间的距离的一种传感器，例如利用激光束的激光距离传感器(LDS)，其被广泛地应用于自主移动机器人领域中，例如无人车、无人飞机、水下机器人、仓储机器人、扫地机器人等。LDS可以分为单线LDS和多线LDS，单线LDS 能够感知机器人周围的二维信息，而多线LDS能够测量出机器人周围的一定范围内的三维信息。虽然多线LDS感知的信息更加丰富，但是其生产工艺相对复杂，成本相对较高。

因此，需提供一种测距装置和自主移动机器人，其能够通过简单的工艺实现多线测距，并且成本较低。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述技术问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种测距装置，包括基座至少两个收发部件，每个所述收发部件包括：

发射单元，所述发射单元被配置为对目标对象发射波；

接收单元，所述接收单元被配置为接收从所述目标对象反射回的所述波；以及

计算单元，所述计算单元被配置为基于所述波的发射和反射的所述波的接收来计算所述目标对象与所述测距装置之间的距离，

其中，所述至少两个收发部件被安装在所述基座上，使得所述至少两个收发部件的发射单元所发射的波与所述基座成不同的俯仰角度自主移动机器人自主移动机器人。

优选地，所述至少两个收发部件被均匀地安装在所述基座的周围。

优选地，所述俯仰角度是根据所述测距装置的应用环境而预设定的。

优选地，所述俯仰角度的范围为-90°至90°。

优选地，收发部件中的第一收发部件被安装在所述基座的第一高度处，并且所述至少两个收发部件中的第二收发部件被安装在所述基座的第二高度处，所述第一高度不同于所述第二高度。

优选地，所述发射装置发射的波包括激光、红外线和超声波之一。

优选地，所述测距装置还包括控制器，所述控制器被配置为获取所述至少两个收发部件的所述计算单元所计算的距离，以及将所获取的距离传递到安装有所述测距装置的设备自主移动机器人。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种自主移动机器人，包括：

根据上述任意一项方案所述的测距装置。

优选地，所述自主移动机器人包括设备本体，所述测距装置的基座可旋转地安装在所述自主移动机器人的本体上。

优选地，所述自主移动机器人为清洁机器人或服务机器人。

根据本实用新型的测距装置和自主移动机器人，每一个收发部件均配置有一个计算单元，具有以下有益效果：

各收发部件具有相同的配置，通过以不同的角度将各收发模块安装在基座上，来实现多线探测，结构更加简单，成本低；由于各收发部件具有相同的配置，所以每个收发部件的装调可以使用相同的装调设备及装调方法，降低了装调复杂度，简化了装调过程；每个收发部件配备自己的计算单元，可以被单独校准，从而可以使用相同的校准设备及校准方法，降低了校准复杂度，使得校准更加方便；每个收发部件配备有各自的计算单元，可并行地计算相应的距离，数据处理的时间较短。

附图说明

为了使本实用新型的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本实用新型。可以理解这些附图只描绘了本实用新型的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本实用新型。

图1为根据本实用新型的一个优选实施方式的自主移动机器人的立体示意图；

图2为图1中的自主移动机器人的另一个立体示意图；

图3为图1中的自主移动机器人的再一个立体示意图；

图4为图1中的自主移动机器人上安装的测距装置的俯视示意图；

图5为测距装置的单个收发部件的示意图；以及

图6为该测距装置正视示意图。

具体实施方式

在下文的讨论中，给出了细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，本领域技术人员可以了解，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在特定的示例中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行详尽地描述。

参考图1至图6，本实施方式提供了一种测距装置和安装有测距装置的自主移动机器人。在图1-3中，自主移动机器人为扫地机器人，其可移动并能够清扫其经过或附近的区域。但是应当理解的是，本公开的实施例还可以用于其他清洁机器人(例如大型商场中使用的清洁机器人)或其他商用机器人(例如教育机器人、医疗辅助机器人等服务机器人)。

图1和图2是根据一个示例性实施例示出的一种自主移动机器人的结构示意图，机器主体1和清洁系统外，自主移动机器人还包括感知系统、控制系统(图中未示出)、驱动系统、能源系统和人机交互系统。下面将对自主移动机器人的各主要部分进行详细说明。

机器主体1包括上封盖、前向部分13、后向部分14和底盘等。机器主体1具有近似圆形形状(前后都为圆形)，也可具有其他形状，包括但不限于前方后圆的近似D形形状。

感知系统包括位于机器主体1上方的测距装置11(后文将在图4-6中进行详细描述)、位于机器主体1的前向部分13的缓冲器、悬崖传感器和超声传感器、红外传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置。这些传感装置向控制系统提供机器的位置信息和运动状态信息。

清洁系统(即清洁单元)可以包括干式清洁部5和湿式清洁部2。湿式清洁部2主要作用是通过含有清洁液的清洁布4对被清洁表面(如地面) 进行擦拭。干式清洁部5主要作用是通过清扫刷等结构清扫被清洁表面的固定颗粒污染物。

作为干式清洁部5，主要的清洁功能源于滚刷61、尘盒、风机、出风口以及四者之间的连接部件。与地面具有一定干涉的滚刷61将地面上的垃圾扫起并卷带到滚刷61与尘盒之间的吸尘口前方，然后被风机产生并经过尘盒的有吸力的气体吸入尘盒。扫地机的除尘能力可用垃圾的清扫效率 DPU(Dust pick up efficiency)进行表征，清扫效率DPU受滚刷61的结构和材料影响，受吸尘口、尘盒、风机、出风口以及四者之间的连接部件所构成的风道的风力利用率影响，受风机的类型和功率影响。相比于普通的插电吸尘器，除尘能力的提高对于能源有限的清洁机器人来说意义更大。因为除尘能力的提高直接有效降低了对于能源的要求，也就是说原来充一次电可以清扫80平米地面的机器人，可以进化为充一次电清扫100平米甚至更多。并且减少充电次数的电池的使用寿命也会大大增加，使得用户更换电池的频率降低。更为直观和重要的是，除尘能力的提高是最为明显和重要的用户体验，用户会直接得出扫得是否干净/擦得是否干净的结论。干式清洁部5还可包含具有旋转轴的边刷62，旋转轴相对于地面成一定角度，以用于将碎屑移动到滚刷61的清扫区域中。

湿式清洁部2(例如湿式清洁盘)主要包括储液箱3和清洁布4等。储液箱3作为承载湿式清洁部2的其他部件的基础。清洁布4可拆卸地设置在储液箱3上。储液箱3内的液体流向清洁布4，清洁布4对滚刷61等清扫后的地面进行擦拭。

驱动系统用以驱动机器主体1及其上的部件移动，以进行自动行走和清扫。驱动系统包括驱动轮单元，驱动系统可基于距离和角度信息，例如 x、y及θ分量，发出驱动命令而操纵机器人跨越地面行驶。驱动轮单元可以同时控制左轮和右轮，为了更为精确地控制机器的运动，优选驱动轮单元分别包括左驱动轮单元和右驱动轮单元。左、右驱动轮单元沿着由机器主体1界定的横向轴对置(对称设置)。为了机器人能够在地面上更为稳定地运动或者具有更强的运动能力，机器人可以包括一个或者多个从动轮，从动轮包括但不限于万向轮。

驱动轮单元包括行走轮和驱动马达以及控制驱动马达的控制电路，驱动轮单元还可以连接测量驱动电流的电路和里程计。驱动轮单元可以可拆卸地连接到机器主体1上，方便拆装和维修。驱动轮可具有偏置下落式悬挂系统，以可移动方式紧固，例如以可旋转方式附接到机器主体1上，且接受向下及远离机器主体1偏置的弹簧偏置。弹簧偏置允许驱动轮以一定的着地力维持与地面的接触及牵引，同时机器人的清洁元件(如滚刷61 等)也以一定的压力接触地面。

机器主体1的前向部分13可承载缓冲器，在清洁过程中驱动轮单元推进机器人在地面行走时，缓冲器经由传感器系统，例如红外传感器，检测机器人的行驶路径中的一个或多个事件，机器人可通过由缓冲器检测到的事件，例如障碍物、墙壁，而控制驱动轮模块使机器人来对事件做出响应，例如远离障碍物。

控制系统设置在机器主体1内的电路主板上，包括与非暂时性存储器，例如硬盘、快闪存储器、随机存取存储器，通信的计算处理器，例如中央处理单元、应用处理器，应用处理器根据激光测距装置反馈的障碍物信息利用定位算法，例如SLAM，绘制机器人所在环境中的即时地图。并且结合缓冲器、悬崖传感器和超声传感器、红外传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪、里程计等传感装置反馈的距离信息、速度信息综合判断扫地机当前处于何种工作状态，如过门槛，上地毯，位于悬崖处，上方或者下方被卡住，尘盒满，被拿起等等，还会针对不同情况给出具体的下一步动作策略，使得机器人的工作更加符合主人的要求，有更好的用户体验。进一步地，控制系统能基于SLAM绘制的即时地图信息规划最为高效合理的清扫路径和清扫方式，大大提高机器人的清扫效率(将在后文详细描述)。

能源系统包括充电电池，例如镍氢电池和锂电池。充电电池可以连接有充电控制电路、电池组充电温度检测电路和电池欠压监测电路，充电控制电路、电池组充电温度检测电路、电池欠压监测电路再与单片机控制电路相连。主机通过设置在机身侧方或者下方的充电电极与充电桩连接进行充电。如果裸露的充电电极上沾附有灰尘，会在充电过程中由于电荷的累积效应，导致电极周边的塑料机体融化变形，甚至导致电极本身发生变形，无法继续正常充电。

人机交互系统包括主机面板上的按键，按键供用户进行功能选择；还可以包括显示屏和/或指示灯和/或喇叭，显示屏、指示灯和喇叭向用户展示当前机器所处状态或者功能选择项；还可以包括手机客户端程序。对于路径导航型清洁设备，在手机客户端可以向用户展示设备所在环境的地图，以及机器所处位置，可以向用户提供更为丰富和人性化的功能项。

为了更加清楚地描述机器人的行为，进行如下方向定义：机器人可通过相对于由机器主体1界定的如下三个相互垂直轴的移动的各种组合在地面上行进：前后轴X(即沿机器主体1的前向部分13和后向部分14方向的轴线)、横向轴Y(即垂直于轴X且与轴X在同一水平面的轴)及中心垂直轴Z(垂直于轴X和轴Y所组成的平面的轴)。沿着前后轴X的前向驱动方向标示为“前向”，且沿着前后轴X的后向驱动方向标示为“后向”。横向轴Y实质上是沿着由驱动轮单元的中心点界定的轴心在机器人的右轮与左轮之间延伸。

机器人可以绕Y轴转动。当机器人的前向部分向上倾斜，后向部分向下倾斜时为“上仰”，且当机器人的前向部分向下倾斜，后向部分向上倾斜时为“下俯”。另外，机器人可以绕Z轴转动。在机器人的前向方向上，当机器人向X轴的右侧倾斜为“右转”，当机器人向X轴的左侧倾斜为“左转”。

尘盒以机械抠手卡接的方式安装在容纳腔中，抠手被抠住时卡件收缩，抠手放开时卡件伸出卡在容纳腔中容纳卡件的凹槽中。

为了明确自主移动机器人所处的环境，从而进一步控制其行进轨迹，自主移动机器人设置有测距装置11。测距装置11可以通过基座可旋转地安装在自主机器人的本体上，用于测量自主移动机器人周围的目标对象(例如墙体、障碍物)与自主移动机器人之间的距离，这种距离信息可以用于构建环境地图以及确定自主移动机器人所处的位置。下面结合图4-图6来描述测距装置11。

图4示出了根据本公开实施例的测距装置11。如图所示，测距装置11 包括基座7和安装在基座7上的多个收发部件75，在本实施方式中，收发部件75可以为例如图4中所示的四个收发部件，即第一收发部件71、第二收发部件72、第三收发部件73、第四收发部件74。也就是说，收发部件75可以为后文所述的各个具体的收发部件的统称。应该理解的是，虽然图4中示出了第一收发部件71、第二收发部件72、第三收发部件73、第四收发部件74，但是测距装置11可以包括更多或更少的收发部件，而不仅仅限于四个。如图5所示，多个收发部件75中的每一个收发部件(例如第一收发部件71)包括发射单元T、接收单元R和计算单元。发射单元T 被配置为向目标对象发射波，例如红外线、激光或超声波。接收单元R被配置为接收从目标对象反射的波，例如从目标对象反射的红外线、激光或超声波。计算单元被配置为基于波的发射和反射的波的接收来计算目标对象与测距装置11之间的距离，例如基于发射时间和接收时间之间的时间差以及波的传播速度来计算距离。

多个收发部件75的发射单元T所发射的波与基座7成不同的俯仰角度。如图5所示，第一收发部件71与基座7所成的俯仰角度θ₁不同于第二收发部件72与基座7所成的俯仰角度θ₂。由于俯仰角度的不同，各收发部件75所发射的波可以到达不同的高度，从而能够实现多维度的距离测量。由此，通过设置不同的俯仰角度，可以利用结构相同的收发部件75 构造出多线LDS，不仅结构简单，而且成本较低。

在一些实施例中，发射单元T所发射的波与基座7所呈的俯仰角度的范围可以为-90°至90°(若波是大致向上或斜向上地发射的，那么波的发射角度为正值；若波是大致向下或斜向下地发射的，那么波的发射角度为负值)。俯仰角度可以根据测距装置11的应用环境而预设定。例如，如果关注地面状况，可以设置较多的负数度数；如果关注前方或上方目标，则可以设置较多的正数度数。

在一些实施例中，各个收发部件75围绕基座7的轴线均匀地排布在基座7的周围。例如，在图4所示的例子中，四个收发部件75中每相邻的两个收发部件可以间隔90°的角距离。这样能够实现测距装置11旋转时的动平衡，从而能够保证测距装置11稳定地旋转。

在一些实施例中，可以将多个收发部件75中的第一收发部件71和第二收发部件72设置在第一高度处，而将第三收发部件73和第四收发部件 74设置在第二高度处，第一高度不同于第二高度。这样能够在基座7上设置更多的收发部件，从而实现更多线的距离测量。

在一些实施例中，测距装置11还可以包括控制器，其可以获取所有收发部件75的计算单元所确定的距离，并进行汇总，然后传递到安装有该测距装置11的设备，例如图1-3中所示的自主移动机器人。自主移动机器人进而可以根据汇总的距离信息确定所处环境的地图，并确定自身的位置。

在一些实施例中，测距装置11的基座7可以可旋转地安装在自主移动机器人的本体上，从而实现对自主移动机器人360度范围内的多线测距。这样的设置使得测距装置11能够全方位、多角度地探测位于各个方位、各个高度位置处的目标对象的位置，从而对自主移动机器人所处的环境有进一步的全方位的把控。

如上面所描述的，本公开的实施例能够以简单的方式实现多线测距。进一步地，本公开的测距装置11还便于校准和调装。在距离测量领域中，校准的目的是消除系统误差，而该系统误差主要来源于电子器件、光学部件的差异性以及装配公差等。对应地，校准方法为测量这种固定偏差，形成误差修正表，从而在实际测量过程中对测量值进行误差修正。装调的目的是使系统的光学效率最大化，以达到最佳性能。在本公开的实施例中，测距装置11上的各收发部件75具有相同的配置，通过以不同的俯仰角度将各收发部件75安装在基座7上，来实现多线探测。从而每个收发部件 75的装调可以使用相同的装调设备及装调方法，降低了装调复杂度，简化了装调过程。每个收发部件75配备自己的计算单元，可以被单独校准，可以使用相同的校准设备及校准方法来校准每个收发部件75，降低了校准复杂度，使得校准更加方便。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其他特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本实用新型已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施方式范围内。

Claims (10)

1.一种测距装置，其特征在于，包括基座和至少两个收发部件，每个收发部件包括：

发射单元，被配置为向目标对象发射波；

接收单元，被配置为接收从所述目标对象反射的所述波；以及

计算单元，被配置为基于所述波的发射和反射的所述波的接收来计算所述目标对象与所述测距装置之间的距离，

其中，所述至少两个收发部件被安装在所述基座上，使得所述至少两个收发部件的发射单元所发射的波与所述基座成不同的俯仰角度。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述至少两个收发部件被均匀地安装在所述基座的周围。

3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述俯仰角度是根据所述测距装置的应用环境而预设定的。

4.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于所述俯仰角度的范围为-90°至90°。

5.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述至少两个收发部件中的第一收发部件被安装在所述基座的第一高度处，并且所述至少两个收发部件中的第二收发部件被安装在所述基座的第二高度处，所述第一高度不同于所述第二高度。

6.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述波包括激光、红外线和超声波之一。

7.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，所述测距装置还包括控制器，所述控制器被配置为获取所述至少两个收发部件的所述计算单元所计算的距离，以及将所获取的距离传递到安装有所述测距装置的设备。

8.一种自主移动机器人，其特征在于，包括：

根据权利要求1-7中任意一项所述的测距装置。

9.根据权利要求8所述的自主移动机器人，其特征在于，所述测距装置的所述基座可旋转地安装在所述自主移动机器人的本体上。

10.根据权利要求8所述的自主移动机器人，其特征在于，所述自主移动机器人为清洁机器人或服务机器人。

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