CN212965416U

CN212965416U - 移动机器人

Info

Publication number: CN212965416U
Application number: CN202021441206.5U
Authority: CN
Inventors: 杨勇; 宫海涛; 马维斯
Original assignee: Shenzhen 3irobotix Co Ltd
Current assignee: Shenzhen 3irobotix Co Ltd
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-04-13
Anticipated expiration: 2030-07-20

Abstract

本实用新型公开了一种移动机器人，该移动机器人包括机器人主体、光源组件及传感器；光源组件安装于机器人主体的前端上，光源组件包括第一光源和第二光源；传感器设置于机器人主体上并用于接收处于第一位置的待测目标所反射的第一光源的光信号以测得第一位置与第一光源之间的第一相对距离和接收处于第二位置的待测目标所反射的第二光源的光信号以测得第二位置与第二光源之间的第二相对距离，第一光源的视场角与第二光源的视场角不同。本实用新型改进了移动机器人的测距装置，提高了探测能力，以避免移动机器人与障碍物产生碰撞。

Description

移动机器人

技术领域

本实用新型涉及测距传感器技术领域，尤其涉及一种移动机器人。

背景技术

现有移动机器人的面阵测距传感器有如下几种类型：(1)时间飞行(Time OfFlight)原理；(2)结构光原理；(3)双目原理。其中，以时间飞行原理为例，测距系统通常包括：传感器(相机\感光器件)和光源，首先，光源发出光脉冲(或幅值调制\频率调制的光)，同时，传感器开始计时，然后，光源发出的光被目标反射，经过透镜聚焦，在一段时间后，被传感器接收，同时，传感器停止计时。不同的目标距离不同，光从光源回到传感器的时间不同，根据光速和光的飞行时间，可测出不同目标的距离。

然而，面阵传感器由多个像素构成，光源发出的光有一定的视场角，通常会覆盖传感器的视场，传感器的每个像素接收经目标反射的光信号，并测算出相对距离。但是，目标距离越远，镜头接收到的能量越少，使得远距离目标测量精度过差。

基于此，如何提高移动机器人测距装置的测量精度成为了亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种移动机器人，旨在提高移动机器人的测量精度，以避免移动机器人与障碍物产生碰撞的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种移动机器人，所述移动机器人包括：

机器人主体；

光源组件，安装于所述机器人主体的前端上，所述光源组件包括第一光源和第二光源；以及

传感器，设置于所述机器人主体上并用于接收处于第一位置的待测目标所反射的所述第一光源的光信号以测得所述第一位置与所述第一光源之间的第一相对距离和接收处于第二位置的待测目标所反射的所述第二光源的光信号以测得所述第二位置与所述第二光源之间的第二相对距离，所述第一光源的视场角与所述第二光源的视场角不同。

在一实施例中，所述视场角包括纵向视场角和横向视场角；

所述第一光源的纵向视场角大于所述第二光源的纵向视场角。

在一实施例中，所述第一光源的纵向视场角为10°至30°。

在一实施例中，所述第二光源的纵向视场角为1°至10°。

在一实施例中，所述第一光源的横向视场角均为60°至180°；所述第二光源的横向视场角为60°至180°。

在一实施例中，所述第一光源的功率为0.3W至10W；所述第二光源的功率为0.3W至10W。

在一实施例中，所述第一光源的波长为780nm至1100nm；第二光源的波长为780nm至1100nm。

在一实施例中，所述第一光源为VCSEL激光器；所述第二光源为VCSEL激光器或边缘发射激光器。

在一实施例中，所述移动机器人包括设于所述机器人主体周壁上的壳体，所述光源组件与所述传感器分别安装于所述壳体内。

在一实施例中，所述移动机器人为扫地机器人。

本实用新型通过将该移动机器人的光源组件安装于机器人主体的前端上，光源组件包括第一光源和第二光源，传感器设置于机器人主体上并用于接收处于第一位置的待测目标所反射的第一光源的光信号以测得第一位置与第一光源之间的第一相对距离和接收处于第二位置的待测目标所反射的第二光源的光信号以测得第二位置与第二光源之间的第二相对距离，第一光源的视场角与第二光源的视场角不同，改进了移动机器人的测距装置，提高了探测能力，以避免移动机器人与障碍物产生碰撞。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为移动机器人一示例性技术中测距装置的技术原理图；

图2为移动机器人另一示例性技术中测距装置的技术原理图；

图3为移动机器人一示例性技术中飞行时间传感器的技术原理图；

图4为移动机器人一示例性技术中飞行时间传感器的脉冲图；

图5为本实用新型移动机器人一实施例中横向视角的测距原理图；

图6为本实用新型移动机器人一实施例中纵向视角的测距原理图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	机器人主体	α<sub>1</sub>	第一纵向视场角
100	光源组件	β<sub>1</sub>	第一横向视场角
				200	传感器	α<sub>2</sub>	第二纵向视场角
300	壳体	β<sub>2</sub>	第二横向视场角
				20	待测目标	110	第一光源
120	第二光源

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，若本实用新型实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本实用新型实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

目前，移动机器人的面阵测距传感器有如下几种类型：(1)时间飞行(Time OfFlight)原理；(2)结构光原理；(3)双目原理。其中，以时间飞行原理为例，在一些示例性技术中，参考图1及图2，测距系统通常包括：光源100(单一光源)和传感器200(相机\感光器件)，首先，光源100发出光脉冲(或幅值调制\频率调制的光)，同时，传感器200开始计时，然后，光源100发出的光被目标反射，经过透镜聚焦，在一段时间后，被传感器200接收，同时，传感器200停止计时。不同的目标距离不同，光从光源100回到传感器200的时间不同，根据光速和光的飞行时间，可测出不同目标的距离。

时间飞行原理(Time of Flight)的测距传感器，目前常见的有直接型(dTOF)和间接型(iTOF)飞行时间传感器两种。其中，直接型飞行时间传感器的原理：光源发出具有一定特征的信号(如光强按照脉冲调制的光信号)，该信号在空间中传播，由目标反射后，返回到接受器件中。该信号传播的时间可由时间测量单元直接测出。若信号往返的飞行时间为t，光速为c，则目标的距离为：

参考图3及图4，间接型飞行时间传感器测距不直接测量信号的飞行时间，而是将时间信号转换成其他物理量进行测量，如常见的正弦调制的连续发光型间接型飞行时间测距传感器，其通过测量不同时刻光强电压信号，再计算出正弦信号的相位差，进而获得目标的距离。若相对于发射信号的零时刻，在0°、90°、180°、270°相位处，采集4次返回光信号对应的电压值，分别为V0、V90、V180、V270，则发射信号与返回信号的相位差计算公式如下：

目标距离的计算公式如下：

其中，c为光速，f为正弦调制信号的频率。

然而，面阵传感器由多个像素构成，光源100发出的光有一定的视场角，通常会覆盖传感器200的视场，传感器200的每个像素接收经目标反射的光信号，并测算出相对距离。但是，目标距离越远，镜头接收到的能量越少，使得远距离目标测量精度过差。

为了提升移动机器人的测量精度，以避免移动机器人与障碍物产生碰撞，本实用新型提出一种移动机器人，尤其是室内扫地机器人，此处不限。

参照图5及图6，在本实用新型一实施例中，该移动机器人包括机器人主体10、光源组件100及传感器200；光源组件100安装于机器人主体10的前端上，光源组件100包括第一光源110和第二光源120；传感器200设置于机器人主体10上并用于接收处于第一位置的待测目标20所反射的第一光源110的光信号以测得第一位置与第一光源110之间的第一相对距离和接收处于第二位置的待测目标20所反射的第二光源120的光信号以测得第二位置与第二光源120之间的第二相对距离，第一光源110的视场角与第二光源120的视场角不同。

在本实施例中，第一光源110和第二光源120均可以选择LED光源、垂直腔面发射激光器(VCSEL,Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)或边缘发射激光器(EEL,Edge-Emitting Semiconductor Lasers)，当然，也可采用更多光源的组合以测得不同位置的待测目标20的距离信息，此处，对光源的数量不做限定。在本实施例中，传感器200可以选用直接型(dTOF)和间接型(iTOF)飞行时间传感器200。需要说明的是，近距离的面阵光源可优选垂直腔面发射激光器，而远距离的面阵光源可优选垂直腔面发射激光器和边缘发射激光器，此处不限。

其中，垂直腔面发射激光器，又称垂直共振腔面射型激光，它是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，它以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。

值得一提的是，视场角一般包括纵向视场角和横向视场角，在本实施例中，第一光源110的纵向视场角大于第二光源120的纵向视场角。

本实用新型组合光源测距传感器的测距原理在于，以室内移动机器人为例，通常需要测量较远的待测目标20(如墙面)来确定机器人在房间中的位置，同时，需要测量近距离的待测目标20，避免机器人与其他物体发生碰撞。对于远距离目标测量，若要测量完整的三维信息，需要传感器200光源发出较高功率的光信号，才能获得比较精确的距离信息。但高功率的光源会带来功耗大、发热多、成本高的问题。所以，远距离测量，为了降低对光源的功率要求，本实用新型选择使用某一个方向(如纵向)视场角较小的光源。该种光源获得的场景三维信息不够完整，但可用于机器人的室内定位。近距离测量，对光源的功耗要求低，为了探测到更大的范围，本实用新型选择横向及纵向角度都较大的光源，以探测更大的范围，提升避障的性能。

光源的功率的选择可以参考以下公式：

其中，Et为光源的发光效率，Et为光接收器件的效率，Pt为目标接收到的光源发出光功率，R为目标的反射率，r为接收器件的接收孔径大小，d为目标的距离，Pr为接收器件最终接收到的光功率。在实际应用中，我们可以根据接收器件所需要的光功率和目标距离，计算光源所需的光功率。

可以理解的是，在本实用新型的技术方案中，由于将该移动机器人的光源组件100安装于机器人主体10的前端上，光源组件100包括第一光源110和第二光源120，传感器200设置于机器人主体10上并用于接收处于第一位置的待测目标20所反射的第一光源110的光信号以测得第一位置与第一光源110之间的第一相对距离和接收处于第二位置的待测目标20所反射的第二光源120的光信号以测得第二位置与第二光源120之间的第二相对距离，第一光源110的视场角与第二光源120的视场角不同，本实用新型改进了移动机器人的测距装置，提高了探测能力，以避免移动机器人与障碍物产生碰撞。

为了测得处于第一位置(近距离)的待测目标20的距离信息和处于第二位置(远距离)的待测目标20的距离信息，以便移动机器人及时规划行走路线，从而避免移动机器人与障碍物产生碰撞，并减少整个测距系统的功耗，在一实施例中，主要参考图6，该移动机器人的第一光源110的纵向视场角可设置为10°至30°(即图6中的第一纵向视场角α₁)，第二光源120的纵向视场角为1°至10°(即图6中的第二纵向视场角α₂)。

进一步地，结合图5，在本实施例中，第一光源110的横向视场角均可设置为60°至180°(即图5中的第一横向视场角β₁)；第二光源120的横向视场角也可设置为60°至180°(即图5中的第二横向视场角β₂)，即β₁＝β₂。

需要说明的是，在本实施例中，第一光源110的波长可设置为780nm至1100nm；第二光源120的波长也可设置为780nm至1100nm。此外，在本实施例中，第一光源110的功率可为0.3W至10W；第二光源120的功率也可为0.3W至10W。显然，根据上述合理地组合光源参数设置，使得第一光源110与第二光源120的功耗均为较低值，极大地减少了移动机器人的测距系统的功率损耗，提升了产品续航能力。

需要强调的是，在一些实施例中，该移动机器人可包括设于机器人主体10周壁上的壳体300，光源组件100与传感器200分别安装于壳体300内。如此设置，使得整个测距系统更为一体化，便于拆卸和组装。当然，在其他实施例中，也可将光源组件100和传感器200分别直接设置于机器人主体10的周壁上，此处，不限定光源组件100与传感器200的具体安装方式。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种移动机器人，其特征在于，所述移动机器人包括：

机器人主体；

2.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述视场角包括纵向视场角和横向视场角；

3.如权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述第一光源的纵向视场角为10°至30°。

4.如权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述第二光源的纵向视场角为1°至10°。

5.如权利要求2所述的移动机器人，其特征在于，所述第一光源的横向视场角均为60°至180°；所述第二光源的横向视场角为60°至180°。

6.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述第一光源的功率为0.3W至10W；所述第二光源的功率为0.3W至10W。

7.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述第一光源的波长为780nm至1100nm；第二光源的波长为780nm至1100nm。

8.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述第一光源为VCSEL激光器；所述第二光源为VCSEL激光器或边缘发射激光器。

9.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述移动机器人包括设于所述机器人主体周壁上的壳体，所述光源组件与所述传感器分别安装于所述壳体内。

10.如权利要求1所述的移动机器人，其特征在于，所述移动机器人为扫地机器人。