CN210850289U - 基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，主要包括机器人本体，机器人本体底盘前部装有防跌落传感器；机器人本体底部搭载有陀螺仪模块和电源供电模块；机器人本体中间部分搭载有温湿度传感器、细小颗粒物（PM2.5）传感器、甲醛传感器、一氧化碳传感器及可挥发性有机物传感器；机器人本体头部搭载有中央主控单元、语音模块、超宽带定位模块及智能调节模块；超带宽定位模块，用于实现室内定位；还安装了毫米波雷达，用于实现避障。本实用新型相比于传统的室内空气监测和净化设备，同时具备监测和净化功能，解决了现有室内空气监测和净化设备不具有自动导航的问题，实现监测、净化和导航一体化的功能。

Description

基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人

技术领域

本实用新型涉及室内环境监控技术领域，具体涉及一种基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人。

背景技术

现代建筑为了提高房屋的保温性能与安全性，密封化程度越来越高门窗可开启面积越来越小室外导致自然风无法进入室内，造成室内的空气不流通；加之装饰材料、家具、家用电器、清洁剂等不断释放出甲醛以及挥发性有机物等，造成室内空气污染。

目前，市面上出售的大多是空气监测仪或空气净化器，两者兼有的少之又少。而且现有的室内空气监测仪和空气净化器多为固定式，考虑到实际情况，人在室内的日常生活不可能在一个固定的位置，随身携带着空气监测和净化设备进行空气质量的监测和净化也很不方便，所以现有技术无法实现真正的智能移动监控系统。

目前的室内环境监控机器人存在很多不足之处，传统的室内定位方法精确度很低，避障效果一般、不能自主导航而且耗费成本较高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于研发一种基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，以解决上述背景技术提到的问题，实现室内精准定位导航，对室内空气进行监测和净化，实现移动式监测净化系统。

本实用新型采用的技术方案为：一种基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，主要包括机器人本体，其特征在于，所述机器人本体的底盘下部装有防跌落传感器；所述机器人本体底部搭载有陀螺仪模块、电机驱动模块和电源供电模块；所述机器人本体的中间部分搭载有传感器采集模块，所述传感器采集模块上装有温湿度传感器、细小颗粒物PM2.5传感器、甲醛传感器、一氧化碳传感器及可挥发性有机物传感器；所述机器人本体的头部安装有主控板、可触摸显示屏、超宽带定位模块及智能调节模块；所述主控板上装有中央主控模块、语音模块；所述机器人本体的前方安装有两个毫米波雷达；传感器采集模块、防跌落传感器、陀螺仪模块、可触摸显示屏、超宽带定位模块及智能调节模块分别通过通讯线连接至主控板；所述机器人本体的最下部装有滚轮。

进一步的，上述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的智能调节模块还包括镍网、风扇、遮光板及可调节扇叶；所述镍网内装有石墨相氮化碳；所述智能调节模块在传感器模块检测数据超过室内空气质量标准时控制遮光板打开并启动风扇，石墨相氮化碳通过光催化，吸收、降解空气中的有机物。风扇可促进室内空气流动，可实现净化室内空气的功能。

进一步的，上述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的超带宽定位模块包括3个用于接收的基站模块和1个用于发射的标签模块；标签模块为目标源，标签主动发射信号，所述基站模块接收到信号后通过超带宽定位模块内置的主控芯片的定位测距算法从而确定计算机器人与目标源的相对位置及距离，所述标签模块置于机器人头部，所述基站模块按照等边三角形排列，分别放置于机器人本体外的室内其他地方，使得机器人实现室内导航。

进一步的，所述的基站模块包括刻在PCB板上的用于接收信号的基站射频天线、基站射频芯片、基站CPU、基站指示灯和电源接口。

进一步的，所述的标签模块包括刻在PCB板上的用于发射信号的标签射频天线、标签射频芯片、标签CPU、标签指示灯、标签电源接口；标签射频天线为有源便携式模块，放置于机器人本体上。

进一步的，所述的滚轮内侧设直流电机，直流电机与机器人本体内底部搭载的电机驱动模块相连。

进一步的，所述的毫米波雷达检测障碍物的距离并传送至中央主控模块，所述中央主控模块根据接收到的障碍物距离信息控制所述电机驱动模块，驱动机器人规避障碍物。

进一步的，所述中央主控模块主要用于收集信息、处理数据、协调系统中的每个功能模块预计要完成的任务；所述中央主控模块包括通信电路、采集电路和中央处理系统；所述通信电路与所述超宽带定位模块、所述传感器采集模块、所述智能调节模块及所述毫米波雷达进行通信，用于信息的收集与传送；所述采集电路负责采集电机运动中的速度值；所述中央处理系统与所述通信电路和采集电路连接，所述中央主控模块根据所述射频信号时间差计算信号源方向以及根据所述障碍物距离信息控制所述机器人导航及规避障碍。

进一步的，所述语音模块用于提醒用户当前室内空气质量，通过JQ8900-16P型号的芯片来完成。

进一步的，防跌落模块包括防跌落传感器，所述防跌落传感器布置于机器人本体的底盘前部，用于检测地面是否有凹坑，防止机器人跌倒，防跌落传感器采用VL6180X型号的传感器。

进一步的，所述陀螺仪模块布置于机器人内部，用于检测地面是否平坦，是否正在上下坡，陀螺仪模块采用MPU6050型号的传感器。

进一步的，所述电源供电模块主要产生12V、5V、3.3V三种不同的电压，用于所述各模块中芯片工作所需电压。电源为24V锂电池，电源供电系统由各降压芯片及分压电路组成，便于生成上述各种电压。

进一步的，所述触摸显示屏显示当前室内温湿度，PM2.5、一氧化碳浓度，甲醛、可挥发性有机物含量及系统时间。

工作原理：所述传感器采集模块采集室内空气质量，当所述传感器采集模块检测室内空气污染超过室内空气质量标准时，启动所述智能调节模块净化室内空气。所述触摸显示屏显示室内温湿度，PM2.5、一氧化碳浓度，甲醛、可挥发性有机物含量及系统时间。所述的标签模块发射射频信号，所述基站模块接收射频信号并传送至所述中央主控模块。所述中央主控模块检测所述超宽带定位模块传送的射频信号的相对时间差，并根据所述时间差计算信号源方向，从而控制所述电机驱动模块，驱动机器人行进，本实用新型所述超宽带定位模块采用信号到达时间差法(Time Difference of Arrival，TDOA)进行室内精确定位，信号到达时间差法是通过计算标签信号到达两个及多个基站之间所需时间的差值。毫米波雷达检测障碍物的距离并传送至所述中央主控单元，中央主控单元根据距离信息分析障碍物的远近，及时对于所述机器人的行走路径进行调整。

本实用新型的有益效果是：相比于传统的室内空气监测和净化设备，同时具备监测和净化功能，解决了现有室内空气监测和净化设备不具有自动导航的问题，实现监测、净化和导航一体化的功能。具有移动监测、光催化净化、定位准确、自动导航、灵活性强、可实时控制等特点。

附图说明

图1是本实用新型结构示意图。

图2是本实用新型正面试图。

图3是本实用新型主控板俯视图。

图4是超宽带定位结构示意图。

图5是超宽带模块结构框图。

图6是本实用新型的系统框图。

在图中：1、机器人本体；2、透气孔；3、触摸显示屏；4、毫米波雷达；5、防跌落传感器；6、锂电池；7、电源接口；8、陀螺仪模块；9、电源供电模块；10、电机驱动模块；11、温湿度传感器；12、一氧化碳传感器；13、甲醛传感器；14、可挥发性有机物传感器；15、PM2.5传感器；16、开关；17、电源指示灯；18、中央主控模块；19、传感器采集模块；20、超宽带定位模块；21、语音模块；22、可调节扇叶；23、风扇；24、智能调节模块；25、镍网；26、遮光板；27、直流电机；28、主控板；29、喇叭；30、标签CPU；31、标签射频天线；32、标签射频芯片；33、标签指示灯。

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但并不用于限制实用新型。对于本领域的技术人员，在不脱离本实用新型思想、方法的前提下，还可以做出一些改进和补充，这些应当理解，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

如图1—图3、以及图6所示，本实用新型是这样来实现的，一种基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，包括机器人本体1、透气孔2、触摸显示屏3、毫米波雷达4、防跌落模块5、锂电池6、电源接口7、陀螺仪模块8、电源供电模块9、电机驱动模块10、温湿度传感器11、一氧化碳传感器12、甲醛传感器13、可挥发性有机物传感器14、PM2.5传感器15、开关16、电源指示灯17、中央主控模块18、传感器采集模块19、超宽带定位模块20、语音模块21、可调节扇叶22、风扇23、智能调节模块24、镍网25、遮光板26、直流电机27、主控板28、喇叭29、标签CPU30、标签射频天线31、标签射频芯片32和标签指示灯33。所述机器人本体1为各种模块载体，所述机器人本体1底盘前部装有防跌落模块5，所述机器人本体1内底部搭载有陀螺仪模块8、电源供电模块9和电机驱动模块10，所述机器人本体1内中间部分搭载有传感器采集模块19，所述传感器采集模块19上装有温湿度传感器11、细小颗粒物PM2.5传感器15、甲醛传感器13、一氧化碳传感器12及可挥发性有机物传感器14，所述传感器采集模块19用于检测室内空气质量；所述机器人本体1内头部搭载有主控板28、可触摸显示屏3、超宽带定位模块20及智能调节模块24，所述超宽带定位模块20用于实现室内定位和导航，所述主控板28上装有中央主控模块18、语音模块19；所述机器人本体1前方安装有两个毫米波雷达4，所述智能调节模块24由可调节扇叶22、风扇23、镍网25、遮光板26和直流电机27组成，所述超宽带模块29由标签CPU30、标签射频天线31、标签射频芯片32、标签指示灯33组成。

所述智能调节模块24包括镍网25、风扇23、遮光板26及可调节扇叶22；所述镍网25内装有石墨相氮化碳，传感器模块19检测数据超过室内空气质量标准时，所述智能调节模块24将遮光板26打开并启动风扇23，石墨相氮化碳通过光催化，吸收、降解空气中的有机物，风扇23可促进室内空气流动，可实现净化室内空气的功能。

如图4，图5所示，所述超带宽定位模块20包括3个用于接收的基站模块和1个用于发射的标签模块；标签模块为目标源，标签主动发射信号，所述基站模块接收到信号后通过超带宽定位模块20内置的主控芯片的定位测距算法从而计算机器人与目标源的相对位置及距离，所述标签模块置于机器人本体1内头部，所述基站模块按照等边三角形排列，分别放置于机器人本体1外的室内其他地方，使得机器人实现室内定位导航。所述的超带宽定位模块20主要是用来完成机器人室内定位导航，由于机器人移动的特点，所以选用无线通信进行数据传输，主要是无线模块具有不受方向制约且超宽带无线通信抗干扰性强、性能稳定等优点。

所述基站模块包括刻在PCB板上的基站射频天线、基站射频芯片、基站CPU、基站指示灯和电源接口；基站射频天线用于接收信号。

所述标签模块包括刻在PCB板上的标签射频天线31、标签射频芯片32、标签CPU30、标签指示灯33、标签电源接口；标签射频天线31用于发射信号，是有源便携式模块，放置于机器人本体1的头部。

所述机器人本体1的最下部装有滚轮。所述滚轮内侧设直流电机27，直流电机27与机器人本体1内底部搭载的电机驱动模块10相连。

所述毫米波雷达4检测障碍物的距离并传送至所述中央主控模块，所述中央主控模块18根据接收到的障碍物距离信息控制所述电机驱动模块10，驱动机器人规避障碍物。

如图6所示，所述中央主控模块18主要用于收集信息、处理数据、协调系统中的每个功能模块预计要完成的任务；所述中央主控模块19包括通信电路、采集电路和中央处理系统；所述通信电路与所述超宽带定位模块20及所述毫米波雷达4进行通信，用于信息的收集与传送；所述采集电路负责采集电机运动中的速度值；所述中央处理系统与所述通信电路和采集电路连接，所述中央主控模块18根据所述射频信号时间差计算信号源方向以及根据所述障碍物距离信息控制所述机器人导航及规避障碍。

所述语音模块21用于提醒用户当前室内空气质量，通过JQ8900-16P型号的芯片来完成。

防跌落模块包括防跌落传感器5，所述防跌落传感器5布置于机器人本体1的底盘前部，用于检测地面是否有凹坑，防止机器人跌倒，防跌落传感器采用VL6180X型号的传感器。

所述陀螺仪模块8布置于机器人本体1内部，用于检测地面是否平坦，是否正在上下坡，陀螺仪模块8采用MPU6050型号的传感器。

所述电源供电模块9主要产生12V、5V、3.3V三种不同的电压，用于所述各模块中芯片工作所需电压。电源为24V锂电池，电源供电系统由各降压芯片及分压电路组成，便于生成上述各种电压。

本实用新型所述超宽带定位模块采用信号到达时间差法(Time Difference ofArrival，TDOA)进行室内精确定位，信号到达时间差法是通过计算标签信号到达两个及多个基站之间所需时间的差值。

其中，上述检测方式具体为中央主控模块检测三个基站模块接收同一个标签发射的射频信号的相对时间差；所述的机器人是采用两个直流电机驱动，电机驱动模块负责控制整个机载系统的运动状态，车轮的转动与速度的改变主要是通过电机驱动芯片与PWM脉冲编码输出单元控制车轮行进方向以及转动差，驱动芯片与PWM脉冲编码输出单元设于电机驱动模块内，从而实现机器人的前进、后退及转向。

通过上述方式，本实用新型可实现室内空气质量监测、净化室内空气、精确定位导航、精确避开障碍物等功能，真正克服了现有室内监测和净化设备非智能化的缺点。

Claims (10)

1.基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，主要包括机器人本体，其特征在于，所述机器人本体的底盘下部装有防跌落传感器；所述机器人本体底部搭载有陀螺仪模块、电机驱动模块和电源供电模块；所述机器人本体的中间部分搭载有传感器采集模块，所述传感器采集模块上装有温湿度传感器、细小颗粒物PM2.5传感器、甲醛传感器、一氧化碳传感器及可挥发性有机物传感器；所述机器人本体的头部安装有主控板、可触摸显示屏、超宽带定位模块及智能调节模块；所述主控板上装有中央主控模块、语音模块；所述机器人本体的前方安装有两个毫米波雷达；传感器采集模块、防跌落传感器、陀螺仪模块、可触摸显示屏、超宽带定位模块及智能调节模块分别通过通讯线连接至主控板；所述机器人本体的最下部装有滚轮。

2.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的智能调节模块还包括镍网、风扇、遮光板及可调节扇叶；所述镍网内装有石墨相氮化碳；所述智能调节模块在传感器模块检测数据超过室内空气质量标准时控制遮光板打开并启动风扇，石墨相氮化碳通过光催化，吸收、降解空气中的有机物。

3.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的超带宽定位模块包括3个用于接收的基站模块和1个用于发射的标签模块；标签模块为目标源，标签主动发射信号，所述基站模块在接收到信号后通过超带宽定位模块内置的主控芯片的定位测距算法从而确定计算机器人与目标源的相对位置及距离，所述标签模块置于机器人头部，所述基站模块按照等边三角形排列，分别放置于机器人本体外的室内其他地方。

4.根据权利要求3所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的基站模块包括刻在PCB板上的用于接收信号的基站射频天线、基站射频芯片、基站CPU、基站指示灯和电源接口。

5.根据权利要求3所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的标签模块包括刻在PCB板上的用于发射信号的标签射频天线、标签射频芯片、标签CPU、标签指示灯、标签电源接口；标签射频天线为有源便携式模块，放置于机器人本体上。

6.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述主控板上中央主控模块包括通信电路、采集模块和中央处理系统，所述通信电路与所述超宽带定位模块、传感器采集模块、智能调节模块及所述毫米波雷达进行通信；所述采集模块负责采集电机的速度值；所述语音模块用于提醒用户室内空气质量。

7.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述触摸显示屏显示当前室内温湿度，PM2.5、一氧化碳浓度，甲醛、可挥发性有机物含量及系统时间。

8.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的滚轮内侧设直流电机，直流电机与机器人本体内搭载的电机驱动模块相连；所述毫米波雷达检测障碍物的距离并传送至中央主控模块，所述中央主控模块根据接收到的障碍物距离信息控制所述电机驱动模块，驱动机器人规避障碍物。

9.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的防跌落模块包括防跌落传感器，所述防跌落传感器布置于机器人本体的底盘前部，防跌落传感器采用VL6180X型号的传感器。

10.根据权利要求1所述的基于超带宽的室内环境监测及智能调节机器人，其特征在于，所述的可挥发性有机物传感器采用IAQ-CORE-C型号传感器。

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