CN210347953U - 基于电容式接近传感器的碰撞检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于传感器检测领域，具体涉及一种基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，包括振荡及信号处理PCB电路板，碰撞检测极板以及接触导体，所述碰撞检测极板通过连接线与振荡及信号处理PCB电路板相连；其中，当发生碰撞时，接触导体发生形变并靠近碰撞检测极板，使得碰撞检测极板与接触导体间的电容值增大，同时振荡及信号处理PCB电路板中频率产生变化，进而通过信号处理将变化频率转换为开关信号输出。仅需要粘贴铜箔便能使用，极大的缩减了结构的复杂度，系统可靠性得到加强，实际测试电容检测的有效检测距离超过10mm，提高了安装的容错率，更利于实际生产，后续信号处理电路使得整个电路抗干扰能力更强，更加有利于较长距离的信号传输。

Description

基于电容式接近传感器的碰撞检测系统

技术领域

本实用新型属于传感器检测领域，具体涉及一种基于电容式接近传感器的碰撞检测系统。

背景技术

碰撞检测主要针对机器人运行过程中遇到其他防碰撞传感器无法检测到的地面矮小障碍物进行避障设计，从而避免对机器人底盘或者其他部件造成损坏。

当机器人运动时，突然遇到的地面凸起，或者运动来的小物体等等，都需要进行预防性的对机器人保护。现有的技术方案采用较多的有两种示意图如图1所示：一是使用行程开关，即通过机器人自身底部的活动检测机构与低矮物体发生接触，进而触发行程开关以实现物体的检测；二是使用光电开关的方式，其通过安装于机器人底部活动件上的挡片检测是否发生碰撞。两种方式的机械机构都比较复杂且对结构安装精度的要求较高；行程开关采用纯机械式触发，其寿命周期有限且长时间使用易产生机械疲劳；光电开关虽采用非接触式检测，但其对碰撞活动检测机构的安装精度要求较高，现有碰撞检测传感器方案结构复杂，对机械结构安装精度要求高，所采用行程开关使用寿命不长，容易机械疲劳造成误触发。

实用新型内容

为克服以上现有技术的不足，本实用新型公开了一种基于电容式接近传感器的碰撞检测系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：提供一种基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，包括振荡及信号处理PCB电路板，碰撞检测极板以及接触导体，所述碰撞检测极板通过连接线与振荡及信号处理PCB电路板相连；

其中，当发生碰撞时，接触导体发生形变并靠近碰撞检测极板，使得碰撞检测极板与接触导体间的电容值增大，同时振荡及信号处理PCB电路板中频率产生变化，进而通过信号处理将变化频率转换为开关信号输出。

进一步地，所述振荡及信号处理PCB电路板包括多谐振荡电路以及信号处理电路、所述信号处理电路包括低通滤波器以及整形比较电路，其中，所述多谐振荡电路输入端连接有检测极板，其输出端依次连接低通滤波器以及整形比较电路，所述整形比较电路的输出端连接到主控制器。

进一步地，所述多谐振荡电路的第一三极管的集电极一方面接电源，另一方面连接到第一电阻后接回基极，第一三极管的基极连接到第二三极管的发射极；第二三极管的发射极接第六电阻后接地；第一三极管的发射极一方面接第二电阻后连接到第二三极管的基极，另一方面连接第三电阻后接地；第二三极管的基极一方面连接第四电阻后接地，另一方面连接到第一电容的一端，其另一端与第五电阻并联后连接到第三电容的一端连接到第二电容的一端，第二电容的另一端连接到多谐振荡电路的输出端。

进一步地，所述信号处理电路的输入端连接到第七电阻的一端，第七电阻的另一端一方面连接第四电容后接地，另一方面连接到第一运放的反相端，第一运放的同相端连接到第八电阻后接回第一运放的输出端；第九电阻和第十电阻并联后连接到第一运放的同相端；第一运放的输出端连接到第二运放的反相端；第二运放的同相端连接第五电容后接地；第二运放的输出端连接到第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端一方面连接到第十二电阻后接地，另一方面连接到第三三极管的基极；第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极开漏输出到主控制器。

进一步地，所述第七电阻和第四电容构成低通滤波电路，用于将多谐振荡电路输出的振荡信号处理为平缓的直流信号。

进一步地，检测极板未产生碰撞信号时，信号处理电路的输入直流信号小于1.3V；当产生碰撞信号时，信号处理电路的输入直流信号大于1.3V。

进一步地，所述第一运放和第二运放构成电压比较器，检测极板未产生碰撞信号时，电压比较器输出低电平；当产生碰撞信号时，电压比较器输出高电平。

进一步地，当电压比较器输出信号为高电平时，经过第三三极管将输出信号通过开漏输出转换为电流信号输出。

进一步地，所述接触导体为柔性的铜箔，铜箔粘贴于机器人底盘正前方的柔性材料内部。

该实用新型的有益效果是：通过采用电容式接近传感器方案，仅需要粘贴铜箔便能使用，极大的缩减了结构的复杂度，系统可靠性得到加强，实际测试电容检测的有效检测距离超过10mm，提高了安装的容错率，更利于实际生产，而且可通过调节传感器的个别元件调节检测范围及灵敏度，灵活性更高，更加利于多样化应用，后续信号处理电路使得整个电路抗干扰能力更强，更加有利于较长距离的信号传输。

附图说明

图1为现有的碰撞检测方案的结构框图；

图2为本实用新型基于电容式接近传感器的碰撞检测示意图；

图3为本实用新型基于电容式接近传感器的碰撞检测系统框图；

图4为本实用新型中多谐振荡电路的电路连接图；

图5为本实用新型中信号处理电路的电路连接图。

具体实施方式

本实用新型提供一种基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，本实用新型的碰撞检测传感器采用电容接近原理，其检测结构示意图如图2所示；传感器由三部分构成，分别是：1)振荡及信号处理PCB电路板；2)碰撞检测极板；3)接触导体。碰撞检测极板为一个面积与振荡及信号处理PCB电路板尺寸一致的整块覆铜PCB板，其通过连接线与振荡及信号处理PCB电路板相连；接触导体为柔性的铜箔，铜箔粘贴于机器人底盘正前方的柔性材料内部；未发生碰撞时，铜箔与极板的距离较远，两者极间电容为固定值；当发生碰撞时，柔性材料带动其内壁的铜箔发生形变并靠近检测极板，此时由于极板与铜箔的距离减小，碰撞检测极板与接触导体间的电容值增大，从而对振荡电路产生影响，振荡电路中电容的充放电时间发生变化，使得振荡频率发生变化，进而通过信号处理电路将如上的振荡变化的频率转换为开关信号输出。

图3所示为碰撞检测系统框图，其系统框图包括碰撞检测极板，多谐振荡电路，低通滤波电路，整形比较电路以及主控制器，所述多谐振荡电路，低通滤波电路以及整形比较电路依次电连接，所述多谐振荡电路的信号输入端与碰撞检测极板相连，整形比较电路的信号输出端与主控制器连接；其中，碰撞检测极板在检测到有外部碰撞并产生碰撞信号，多谐振荡电路接收所述碰撞信号并转化为开关信号输出，经过低通滤波器的处理后传输至整形比较电路再次处理为开关信号输出至主控制器。

多谐振荡电路的电路图如图4所示，该电路的三极管13的集电极一方面接电源，另一方面连接到电阻12后接回基极，三极管13的基极连接到三极管15的发射极；三极管15的发射极接电阻20后接地；三极管13的发射极一方面接电阻14后连接到三极管15的基极，另一方面连接电阻22后接地；三极管15的基极一方面连接电阻16后接地，另一方面连接到电容17的一端，其另一端与电阻19并联后连接到电容18的一端，随后连接到电容21的一端，电容21的另一端连接到多谐振荡电路的输出端。

该振荡电路主要由13和15两个NPN三极管构成的多谐振荡。当电路上电后，三极管13导通、15截止，电容18进行充电，当电容18的充电电压超过0.7V时，三极管15开始导通，三极管15导通后将三极管13的基级拉低，此时三极管13截止、15开始导通，电容18进行放电，当18放电完成，三极管15截止，此时便又进入上电时的状态，如此循环往复，电容18通过不停的充放电形成周期性振荡。图中电容17为检测极板附着的电容，当碰撞发生时，电容17的容值增大，由此引起电容18的充电时间延长，导致振荡信号的周期减小。图中21为隔直电容，产生的振荡信号通过21传输到后续的信号处理电路。

信号处理电路的电路图如图5所示，其输入端连接到电阻35的一端，电阻35的另一端一方面连接电容36后接地，另一方面连接到运放38的反相端，运放38的同相端连接到电阻37后接回第一运放的输出端；电阻32和电阻33并联后连接到运放38的同相端；运放38的输出端连接到运放39的反相端；运放39的同相端连接电容34后接地；运放39的输出端连接到电阻41的一端，电阻41的另一端一方面连接到电阻42后接地，另一方面连接到三极管43的基极；三极管43的发射极接地，三极管43的集电极开漏输出到主控制器。

振荡产生的信号进入信号处理电路，此部分电路包含两部分，分别是低通滤波器和电压比较器。图中35和36构成低通滤波器；38和39构成双运算放大器，此处将运算放大器作为电压比较器使用。图中31为12V电源，40为运放去耦电容，电阻37为运放38的输出上拉电阻，32和33构成分压电路，经过34去耦电容为两个比较器提供参考电压，所使用的参考电压值为1.3V。振荡信号经过低通滤波后得到平缓的直流信号，未产生碰撞信号时，信号处理电路的输入直流信号小于1.3V，经过两级比较器后输出低电平；当产生碰撞信号时，比较器的直流输入信号幅度大于1.3V，经过两级比较器后输出高电平。比较器输出信号经过限流电阻41与三极管43的基级相连，42为基级下拉电阻，当比较器输出信号为高电平时，经过三极管43将输出信号通过开漏输出转换为电流信号，抗干扰能力更强，更加有利于较长距离的信号传输。

Claims (9)

1.基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，包括振荡及信号处理PCB电路板，碰撞检测极板以及接触导体，所述碰撞检测极板通过连接线与振荡及信号处理PCB电路板相连；

其中，当发生碰撞时，接触导体发生形变并靠近碰撞检测极板，使得碰撞检测极板与接触导体间的电容值增大，同时振荡及信号处理PCB电路板中频率产生变化，进而通过信号处理将变化频率转换为开关信号输出。

2.如权利要求1所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述振荡及信号处理PCB电路板包括多谐振荡电路以及信号处理电路、所述信号处理电路包括低通滤波器以及整形比较电路，其中，所述多谐振荡电路输入端连接有检测极板，其输出端依次连接低通滤波器以及整形比较电路，所述整形比较电路的输出端连接到主控制器。

3.如权利要求2所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述多谐振荡电路的第一三极管的集电极一方面接电源，另一方面连接到第一电阻后接回基极，第一三极管的基极连接到第二三极管的发射极；第二三极管的发射极接第六电阻后接地；第一三极管的发射极一方面接第二电阻后连接到第二三极管的基极，另一方面连接第三电阻后接地；第二三极管的基极一方面连接第四电阻后接地，另一方面连接到第一电容的一端，其另一端与第五电阻并联后连接到第三电容的一端连接到第二电容的一端，第二电容的另一端连接到多谐振荡电路的输出端。

4.如权利要求2所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述信号处理电路的输入端连接到第七电阻的一端，第七电阻的另一端一方面连接第四电容后接地，另一方面连接到第一运放的反相端，第一运放的同相端连接到第八电阻后接回第一运放的输出端；第九电阻和第十电阻并联后连接到第一运放的同相端；第一运放的输出端连接到第二运放的反相端；第二运放的同相端连接第五电容后接地；第二运放的输出端连接到第十一电阻的一端，第十一电阻的另一端一方面连接到第十二电阻后接地，另一方面连接到第三三极管的基极；第三三极管的发射极接地，第三三极管的集电极开漏输出到主控制器。

5.如权利要求4所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述第七电阻和第四电容构成低通滤波电路，用于将多谐振荡电路输出的振荡信号处理为平缓的直流信号。

6.如权利要求5所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，检测极板未产生碰撞信号时，信号处理电路的输入直流信号小于1.3V；当产生碰撞信号时，信号处理电路的输入直流信号大于1.3V。

7.如权利要求4所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述第一运放和第二运放构成电压比较器，检测极板未产生碰撞信号时，电压比较器输出低电平；当产生碰撞信号时，电压比较器输出高电平。

8.如权利要求7所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，当电压比较器输出信号为高电平时，经过第三三极管将输出信号通过开漏输出转换为电流信号输出。

9.如权利要求1所述的基于电容式接近传感器的碰撞检测系统，其特征在于，所述接触导体为柔性的铜箔，铜箔粘贴于机器人底盘正前方的柔性材料内部。

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