RU2727087C1 - Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device - Google Patents
Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2727087C1 RU2727087C1 RU2019128918A RU2019128918A RU2727087C1 RU 2727087 C1 RU2727087 C1 RU 2727087C1 RU 2019128918 A RU2019128918 A RU 2019128918A RU 2019128918 A RU2019128918 A RU 2019128918A RU 2727087 C1 RU2727087 C1 RU 2727087C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- technical device
- spr
- antenna
- receiver
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 231100000897 loss of orientation Toxicity 0.000 claims description 3
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims 5
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
- G01C21/206—Instruments for performing navigational calculations specially adapted for indoor navigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/26—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for navigation in a road network
- G01C21/28—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 specially adapted for navigation in a road network with correlation of data from several navigational instruments
- G01C21/30—Map- or contour-matching
- G01C21/32—Structuring or formatting of map data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/38—Electronic maps specially adapted for navigation; Updating thereof
- G01C21/3804—Creation or updating of map data
- G01C21/3807—Creation or updating of map data characterised by the type of data
- G01C21/3826—Terrain data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/38—Electronic maps specially adapted for navigation; Updating thereof
- G01C21/3804—Creation or updating of map data
- G01C21/3807—Creation or updating of map data characterised by the type of data
- G01C21/383—Indoor data
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/38—Electronic maps specially adapted for navigation; Updating thereof
- G01C21/3804—Creation or updating of map data
- G01C21/3833—Creation or updating of map data characterised by the source of data
- G01C21/3841—Data obtained from two or more sources, e.g. probe vehicles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/15—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation specially adapted for use during transport, e.g. by a person, vehicle or boat
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к использованию SPR (радара подповерхностного зондирования) для навигации технических устройств, например, роботов.The present invention relates to the use of SPR (Subsurface Sensing Radar) for navigating technical devices such as robots.
Описание предшествующего уровня техникиDescription of the prior art
В настоящее время наблюдается большой интерес к различным сенсорам, которые могут быть использованы для навигации технических устройств, например, роботов, таких, например, как роботы-уборщики и т.п. Такие сенсоры могут помочь в планировании пути робота и в построении карт для движения в неизвестном пространстве, или для обновления карт для движения в известном пространстве с контролем текущего местоположения и пройденного пути робота. Разные сенсоры имеют разные ограничения, которые увеличивают вероятность потери местоположения.Currently, there is great interest in various sensors that can be used to navigate technical devices, for example, robots, such as, for example, cleaning robots, etc. Such sensors can assist in planning the robot's path and in building maps for movement in an unknown space, or for updating maps for movement in a known space, monitoring the current location and path of the robot. Different sensors have different limitations that increase the likelihood of losing location.
В уровне техники в качестве сенсоров для перемещающихся роботов используются лидары (LIDAR), основными недостатками которых являются ошибки в определении местоположения из-за наличия зон, которые лидар не воспринимает, или зон, которые лидар воспринимает как реальные из-за переотражения. Кроме того, лидары не воспринимают стеклянные поверхности, черные поверхности, низкопрофильные объекты.In the prior art, lidars (LIDAR) are used as sensors for moving robots, the main drawbacks of which are errors in positioning due to the presence of zones that the lidar does not perceive, or zones that the lidar perceives as real due to multiple reflections. In addition, lidars do not perceive glass surfaces, black surfaces, low-profile objects.
Из уровня техники (документ US 8949024 B2, опубликованный 03.02.2015) известно использование радара подповерхностного зондирования для определения того, находится ли транспортное средство на требуемой траектории движения. Полученные SPR-изображения сравниваются с SPR-изображениями, полученными ранее для области, которая, по меньшей мере, частично перекрывает область вдоль траектории движения транспортного средства. В некоторых вариантах осуществления сравнение включает в себя процедуру корреляции изображения. Однако, для успешного определения находится ли транспортное средство на требуемой траектории движения необходимо, чтобы транспортное средство хотя бы частично двигалось по той же траектории, по которой оно двигалось ранее для обучения радара. Кроме того, с помощью известного решения невозможно обнаружить низкопрофильные объекты или жидкости, разлитые на поверхности, а также невозможно определить тип поверхности.It is known in the art (document US 8949024 B2, published 02/03/2015) to use a subsurface sensing radar to determine if a vehicle is on a desired trajectory. The acquired SPR images are compared with previously acquired SPR images for an area that at least partially overlaps the area along the vehicle path. In some embodiments, the comparison includes an image correlation procedure. However, in order to successfully determine whether the vehicle is on the required trajectory, it is necessary that the vehicle at least partially moves along the same trajectory that it previously followed for training the radar. In addition, the known solution cannot detect low-profile objects or liquids spilled on the surface, and it is also impossible to determine the type of surface.
Из уровня техники известна антенна подповерхностного зондирования, документ RU 2622488 C1, дата публикации 15.06.2017. Известное решение относится к сверхширокополосным сверхвысокочастотным антеннам, в частности для применения в бесконтактных сверхширокополосных радарах, для 3D или 2D визуализации подповерхностных структур. Недостатком известного решения является невысокая эффективность традиционного радара, использующего антенну.A subsurface sensing antenna is known from the prior art, document RU 2622488 C1, publication date 06/15/2017. The known solution relates to ultra-wideband microwave antennas, in particular for use in non-contact ultra-wideband radars, for 3D or 2D visualization of subsurface structures. The disadvantage of the known solution is the low efficiency of a traditional radar using an antenna.
На данном этапе развития рассматриваемой области техники требуется дешевое, компактное и быстрое решение, позволяющее повысить стабильность и эффективность навигации робота в пространстве, и имеющее возможность работы при отсутствии камер, имеющее способность определять повторяющееся месторасположение, и имеющее возможность работы как в малых, так и в больших пространствах.At this stage of development of the considered field of technology, a cheap, compact and fast solution is required, which makes it possible to increase the stability and efficiency of the robot's navigation in space, and having the ability to work in the absence of cameras, having the ability to determine a repetitive location, and having the ability to work both in small and in large spaces.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Предлагается устройство SPR-сенсора, содержащее: по меньшей мере одну антенну; по меньшей мере один передатчик; по меньшей мере один приемник; микроконтроллер; причем каждая антенна имеет слой перераспределения токов и излучающий/принимающий слой, состоящий из двух симметричных элементов, причем каждый из элементов выполнен с возможностью переключения между излучающим и принимающим состоянием; причем каждый передатчик и каждый приемник расположены непосредственно на элементах. Причем каждая из по меньшей мере одной антенны является сверхширокополосной СВЧ-антенной. Причем излучающий/принимающий слой каждой из антенн представляет собой слой типа «бабочка». Причем по меньшей мере один приемник и по меньшей мере один передатчик располагаются на разных элементах по меньшей мере одной антенны. Причем по меньшей мере один приемник и по меньшей мере один передатчик располагаются на одном из элементов по меньшей мере одной антенны. Причем по меньшей мере одна пара приемник и передатчик располагается на одном из элементов по меньшей мере одной антенны, а еще по меньшей мере одна пара приемник и передатчик располагается на другом из элементов по меньшей мере одной антенны. Причем на одном элементе антенны располагается пара приемник и передатчик, а на другом элементе антенны только передатчик. Причем на одном элементе антенны располагается пара приемник и передатчик, а на другом элементе антенны только приемник.An SPR sensor device is proposed, comprising: at least one antenna; at least one transmitter; at least one receiver; microcontroller; moreover, each antenna has a layer of redistribution of currents and a radiating / receiving layer, consisting of two symmetrical elements, and each of the elements is configured to switch between the radiating and receiving state; with each transmitter and each receiver located directly on the elements. Moreover, each of the at least one antenna is an ultra-wideband microwave antenna. Moreover, the emitting / receiving layer of each of the antennas is a butterfly-type layer. Moreover, at least one receiver and at least one transmitter are located on different elements of at least one antenna. Moreover, at least one receiver and at least one transmitter are located on one of the elements of at least one antenna. Moreover, at least one pair of receiver and transmitter is located on one of the elements of at least one antenna, and at least one pair of receiver and transmitter is located on another of the elements of at least one antenna. Moreover, on one antenna element there is a pair of receiver and transmitter, and on the other antenna element only the transmitter. Moreover, on one antenna element there is a pair of receiver and transmitter, and on the other antenna element only the receiver.
Также предлагается техническое устройство, способное перемещаться, содержащее предлагаемый SPR-сенсор.Also proposed is a technical device capable of moving, containing the proposed SPR-sensor.
Предлагается способ определения местоположения технического устройства, содержащий этапы, на которых: излучают посредством элемента антенны SPR-сенсора в направлении поверхности, по которой движется техническое устройство, электромагнитное излучение в виде радиочастотного сигнала посредством передатчика SPR-сенсора; принимают посредством элемента антенны излучение, отраженное от структуры поверхности и/или ее подповерхностных структур, причем принятое излучение попадает на приемник SPR-сенсора, затем подают выходной сигнал приемника SPR-сенсора на микроконтроллер; формируют текущее изображение структуры поверхности и/или подповерхностных структур на основе выходного сигнала приемника SPR-сенсора посредством микроконтроллера; сравнивают полученное текущее изображение с сохраненным изображением из базы данных технического устройства, посредством микроконтроллера; если в ходе сравнения обнаружено, что имеется корреляция между текущим изображением, полученным SPR-сенсором, и сохраненным изображением из базы данных технического устройства, то местоположение технического устройства определяется на основе координат изображения из базы данных технического устройства; если в ходе сравнения обнаружено, что не имеется корреляции между текущим изображением, полученным SPR-сенсором, и сохраненным изображением из базы данных технического устройства, то микроконтроллер запрашивает предоставление соответствующих координат от других активных датчиков технического устройства; если другие активные датчики технического устройства не предоставляют соответствующие координаты, то техническое устройство информирует пользователя о потере ориентации; если другие активные датчики технического устройства предоставляют данные о соответствующих координатах, то добавляют полученное SPR-сенсором текущее изображение и текущие соответствующие координаты в базу данных технического устройства для использования при дальнейшей работе. Причем SPR-сенсор расположен на нижней поверхности технического устройства. Причем SPR-сенсор расположен на техническом устройстве под некоторым углом к поверхности. Причем SPR-сенсор расположен на передней поверхности технического устройства. Причем SPR-сенсор расположен на задней поверхности технического устройства. Причем способ дополнительно содержит этапы, на которых: в случае, если в ходе сравнения обнаружено, что не имеется корреляция и если другие активные датчики предоставляют текущие соответствующие координаты, то если изначально в базе данных технического устройства было изображение данного участка пути, а теперь изображение, полученное при прохождении того же участка, изменилось и не коррелирует с данными из базы данных, то микроконтроллер SPR-сенсора принимает решение, что структура поверхности на данном участке пути изменилась. Причем техническое устройство является роботом-уборщиком. Причем в случае, когда принято решение, что структура поверхности в данном участке пути изменилась, выдают команду роботу-уборщику «убрать загрязнение», причем робот-уборщик закончит исполнять команду «убрать загрязнение» в случае, если изображение данного участка пути опять станет коррелировать с изображением из базы данных.A method for determining the location of a technical device is proposed, comprising the steps of: emitting by means of an antenna element of an SPR-sensor in the direction of a surface along which a technical device is moving, electromagnetic radiation in the form of a radio-frequency signal by means of a transmitter of an SPR-sensor; receiving by means of the antenna element radiation reflected from the surface structure and / or its subsurface structures, and the received radiation falls on the receiver of the SPR sensor, then the output signal of the receiver of the SPR sensor is fed to the microcontroller; forming a current image of the surface structure and / or subsurface structures based on the output signal of the SPR sensor receiver by means of a microcontroller; compare the received current image with the saved image from the database of the technical device by means of a microcontroller; if during the comparison it is found that there is a correlation between the current image obtained by the SPR sensor and the stored image from the technical device database, then the location of the technical device is determined based on the coordinates of the image from the technical device database; if during the comparison it is found that there is no correlation between the current image received by the SPR sensor and the stored image from the technical device database, then the microcontroller requests the provision of corresponding coordinates from other active sensors of the technical device; if other active sensors of the technical device do not provide the corresponding coordinates, then the technical device informs the user about the loss of orientation; if other active sensors of the technical device provide data on the corresponding coordinates, then the current image received by the SPR sensor and the current corresponding coordinates are added to the database of the technical device for use in further work. Moreover, the SPR-sensor is located on the lower surface of the technical device. Moreover, the SPR-sensor is located on the technical device at a certain angle to the surface. Moreover, the SPR sensor is located on the front surface of the technical device. Moreover, the SPR-sensor is located on the back surface of the technical device. Moreover, the method additionally contains the stages at which: if during the comparison it is found that there is no correlation and if other active sensors provide the current corresponding coordinates, then if initially in the database of the technical device there was an image of this section of the path, and now the image, obtained during the passage of the same section has changed and does not correlate with the data from the database, then the microcontroller of the SPR sensor decides that the surface structure on this section of the path has changed. Moreover, the technical device is a robot cleaner. Moreover, in the case when it is decided that the surface structure in this section of the path has changed, they issue a command to the cleaning robot "remove pollution", and the robot cleaner will finish executing the command "remove pollution" if the image of this section of the path again begins to correlate with image from the database.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:The above and other features and advantages of the present invention are illustrated in the following description, illustrated by the drawings, in which the following is presented:
Фиг. 1а, 1b иллюстрирует конструкцию предлагаемого SPR-сенсора.FIG. 1a, 1b illustrates the design of the proposed SPR sensor.
Фиг. 2a, 2b показывает размещение предлагаемого SPR-сенсора на техническом устройстве.FIG. 2a, 2b show the placement of the proposed SPR sensor on a technical device.
Фиг. 3 иллюстрирует вариант алгоритма работы SPR-сенсора.FIG. 3 illustrates a variant of the SPR sensor operation algorithm.
Фиг. 4 иллюстрирует различные формы излучающих/принимающих слоев антенны.FIG. 4 illustrates various forms of antenna transmit / receive layers.
Фиг. 5 иллюстрирует «шахматное» расположение излучающего/принимающего слоев антенны.FIG. 5 illustrates the staggered arrangement of the antenna transmit / receive layers.
Фиг. 6a, 6b, 6c, 6d иллюстрирует варианты расположения приемника и передатчика.FIG. 6a, 6b, 6c, 6d illustrate options for the location of the receiver and transmitter.
Фиг. 7a, 7b, 7c, 7d иллюстрирует расположение SPR-сенсоров на техническом устройстве.FIG. 7a, 7b, 7c, 7d illustrate the arrangement of SPR sensors on a technical device.
Фиг. 8 иллюстрирует вариант алгоритма использования SPR-сенсора.FIG. 8 illustrates a variant of the algorithm for using an SPR sensor.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
В настоящем изобретении предлагается использовать SPR (радар подповерхностного зондирования) для помощи в осуществлении навигации способных двигаться технических устройств, в частности, роботов.The present invention proposes the use of an SPR (Subsurface Sensing Radar) to assist in navigating moving technical devices, in particular robots.
Предлагаемое изобретение можно использовать для любых объектов, движущихся по поверхности, при этом расстояние от нижней части (или от антенны радара) объекта до поверхности, по которой движется объект, составляет не более нескольких сантиметров, поэтому объектом может быть, в том числе, и машина, движущаяся по дороге, но качество навигации будет тем лучше, чем меньше расстояние между антеннами радара и поверхностью, и чем стабильнее это расстояние, то есть не меняется в течение движения. Поэтому лучше всего изобретение работает для движущихся внутри помещения объектов, например, таких как, роботы-пылесосы, любые другие передвигающиеся роботы.The proposed invention can be used for any objects moving on the surface, while the distance from the bottom (or from the radar antenna) of the object to the surface along which the object is moving is no more than a few centimeters, so the object can be, among other things, a car moving along the road, but the quality of navigation will be the better, the smaller the distance between the radar antennas and the surface, and the more stable this distance, that is, it does not change during the movement. Therefore, the invention works best for indoor moving objects, such as robotic vacuum cleaners, any other moving robots.
Если способное двигаться техническое устройство работает при плохих условиях окружающей среды (например, отключение света, большая площадь поверхности и т. д.), добавление предлагаемого SPR-сенсора к этому техническому устройству, например, такому как робот-пылесос, в качестве дополнительного датчика, позволяет устранить недостатки или сбои датчиков, уже имеющихся в устройстве, например, таких датчиков, как лидары и камеры. С помощью предлагаемого SPR-сенсора получают, в том числе, радиоизображение подповерхностной структуры поверхности, по которой движется техническое устройство. Электромагнитные волны проникают сквозь поверхность, по которой движется техническое устройство, и отражаются от различных структур поверхности или структур, расположенных под этой поверхностью. Для этого используется импульсный SPR-сенсор с частотой излучения до 10 ГГц. Чем выше частота, на которой работает SPR-сенсор, тем меньше проникновение излучения под поверхность, то есть, электромагнитные волны, проникая сквозь поверхность, по которой движется техническое устройство, отражаются либо от элементов структуры упомянутой поверхности, либо от различных неоднородностей, расположенных под упомянутой поверхностью, в том числе коммуникаций, таких как, например, проводка, трубы и т.п. Таким образом, с помощью предлагаемого SPR-сенсора, техническое устройство может ориентироваться в пространстве (например, обнаруживать свое месторасположение) за счет наличия карты коммуникаций, расположенных под поверхностью, по которой движется техническое устройство, или за счет наличия карты структурных особенностей поверхности, по которой движется техническое устройство. То есть, предлагаемый SPR-сенсор предоставляет данные, которые эффективно дополняют, а иногда и заменяют, данные других активных датчиков технического устройства, что является эффективной помощью при осуществлении навигации технического устройства в режиме реального времени.If a movable technical device operates under poor environmental conditions (e.g. blackout, large surface area, etc.), adding the proposed SPR sensor to this technical device, such as a robot vacuum cleaner, as an additional sensor, Eliminates deficiencies or failures of sensors already in the device, such as sensors such as lidars and cameras. With the help of the proposed SPR-sensor, a radio image of the subsurface structure of the surface, along which the technical device moves, is obtained. Electromagnetic waves penetrate the surface on which the technical device moves and are reflected from various surface structures or structures located under this surface. For this, a pulsed SPR sensor with a radiation frequency of up to 10 GHz is used. The higher the frequency at which the SPR sensor operates, the less radiation penetration under the surface, that is, electromagnetic waves, penetrating through the surface along which the technical device moves, are reflected either from the structural elements of the said surface, or from various inhomogeneities located under the said surface, including communications such as, for example, wiring, pipes, etc. Thus, using the proposed SPR sensor, a technical device can orient itself in space (for example, detect its location) due to the presence of a communication map located under the surface along which the technical device moves, or due to the presence of a map of the structural features of the surface along which the technical device is moving. That is, the proposed SPR sensor provides data that effectively complements and sometimes replaces the data of other active sensors of a technical device, which is an effective aid in real-time navigation of a technical device.
Необходимо заметить, что при движении техническое устройство избегает столкновения со стенами, стульями и другими объектами на поверхности, благодаря работе других активных датчиков технического устройства, таких как, например, лидар и/или камера.It should be noted that when moving, the technical device avoids collisions with walls, chairs and other objects on the surface, thanks to the operation of other active sensors of the technical device, such as, for example, a lidar and / or a camera.
Использование предлагаемого SPR-сенсора позволяет обнаруживать низкопрофильные объекты (объекты, имеющие малую высоту), в том числе разлитые жидкости, распознавать конфигурацию структуры поверхности, по которой движется устройство, а также распознавать подповерхностные структуры. То есть, по сравнению с известным уровнем техники значительно повышается эффективность работы технического устройства. Предлагаемое изобретение позволяет повысить эффективность и чувствительность SPR-сенсора и уменьшить габаритные размеры SPR-сенсора, а также повышается эффективность навигации технического устройства, содержащего предлагаемый SPR-сенсор.The use of the proposed SPR sensor allows detecting low-profile objects (objects with a low height), including spilled liquids, recognizing the configuration of the surface structure along which the device moves, and also recognizing subsurface structures. That is, in comparison with the prior art, the efficiency of the technical device is significantly increased. The proposed invention improves the efficiency and sensitivity of the SPR sensor and reduces the overall dimensions of the SPR sensor, and also increases the efficiency of navigation of the technical device containing the proposed SPR sensor.
Необходимо заметить, что к известным в уровне техники SPR радарам относятся и радары GPR (георадиолокатор), основная особенность которых в том, что GPR-радары согласованы для работы с поверхностями с высокой диэлектрической проницаемостью (например, грунт с высоким содержанием воды). Предлагаемое изобретение применимо ко всем видам SPR радаров, включая GPR-радары.It should be noted that the known in the prior art SPR radars include GPR (ground penetrating radar), the main feature of which is that the GPR radars are coordinated to work with surfaces with high dielectric constant (for example, soil with a high water content). The present invention is applicable to all types of SPR radars, including GPR radars.
Особенность предлагаемого SPR-сенсора состоит в том, что SPR-сенсор содержит компоненты SPR-радара, антенну и микроконтроллер. Причем компоненты SPR-радара располагаются непосредственно на антенне. Такое расположение компонентов SPR-сенсора позволяет избежать паразитных наводок, поскольку расстояние между компонентами SPR-радара и антенной является минимальным.The peculiarity of the proposed SPR-sensor is that the SPR-sensor contains the components of the SPR-radar, an antenna and a microcontroller. Moreover, the components of the SPR radar are located directly on the antenna. This arrangement of the SPR sensor components avoids spurious interference, since the distance between the SPR radar components and the antenna is minimal.
Антенна, используемая для создания предлагаемого SPR-сенсора, представляет собой сверхширокополосную микроволновую антенну, раскрытую в документе RU 2622488 C1, дата публикации 15.06.2017, содержащую по меньшей мере два проводящих слоя: излучающий/принимающий слой типа «бабочка», содержащий по меньшей мере два симметричных излучающих/принимающих элемента, и слой перераспределения токов. Как показано на фигуре 1b антенна выполнена по печатной технологии, излучающий/принимающий слой 1 имеет форму «бабочки», слой 2 перераспределения токов показан в виде прямоугольника, причем приемный тракт антенны расположен между излучающими/принимающими элементами антенны, причем приемный тракт представляет собой две точки, по одной на каждом из излучающих/принимающих элементов, расположенные как можно ближе к центру антенны, через ключ эти точки подключены к приемнику Rx и передатчику Tx, чтобы осуществлять попеременно прием и передачу сигнала, что минимизирует габариты SPR-сенсора и позволяет избежать паразитные наводки.The antenna used to create the proposed SPR sensor is an ultra-wideband microwave antenna disclosed in document RU 2622488 C1, publication date 06/15/2017, containing at least two conductive layers: a transmitting / receiving layer of the "butterfly" type, containing at least two symmetrical emitting / receiving elements, and a layer of current redistribution. As shown in figure 1b, the antenna is made using printed technology, the emitting / receiving layer 1 has a butterfly shape, the current redistribution layer 2 is shown in the form of a rectangle, and the receiving path of the antenna is located between the emitting / receiving elements of the antenna, and the receiving path is two points , one on each of the transmitting / receiving elements, located as close as possible to the center of the antenna, through the key these points are connected to the Rx receiver and the Tx transmitter in order to alternately receive and transmit a signal, which minimizes the dimensions of the SPR sensor and avoids spurious interference ...
На фигуре 1а видно, что приемник Rx и передатчик Tx SPR-сенсора располагаются непосредственно на антенне, а именно, под двумя симметричными излучающими/принимающими элементами антенны, причем каждый из упомянутых элементов антенны выполнен с возможностью переключения между излучающим состоянием и принимающим состоянием. На фигуре 1 показан вариант, когда упомянутые элементы антенны выполнены в форме двух симметричных треугольников с приемным трактом в центре, причем в одном из вариантов, показанном на фигуре 1, приемник Rx и передатчик Tx SPR-сенсора крепятся на диэлектрический слой 2 перераспределения токов антенны (фигура 1b), причем приемник Rx (фигура 1a) крепится на диэлектрический слой 2 платы антенны под приемной стороной «бабочки» (под элементом антенны, переключенным для работы «на прием»), что в комплексе образует приемник SPR-сенсора; а передатчик Tx крепится на диэлектрический слой платы антенны (под элементом антенны, переключенным для работы «на излучение»), что в комплексе образует передатчик SPR-сенсора. Как показано на фигуре 6(a, b, c, d) комбинация и расположение передатчика и приемника могут быть любые, поскольку симметричные элементы антенны могут переключаться между состоянием излучения и состоянием приема.Figure 1a shows that the receiver Rx and the transmitter Tx of the SPR sensor are located directly on the antenna, namely, under two symmetrical emitting / receiving antenna elements, each of said antenna elements being configured to switch between the emitting state and the receiving state. Figure 1 shows a variant when said antenna elements are made in the form of two symmetrical triangles with a receiving path in the center, and in one of the variants shown in figure 1, the Rx receiver and the Tx transmitter of the SPR sensor are attached to the dielectric layer 2 of the antenna current redistribution ( Figure 1b), wherein the Rx receiver (Figure 1a) is attached to the dielectric layer 2 of the antenna board under the receiving side of the "butterfly" (under the antenna element switched to work "to receive"), which together forms the SPR sensor receiver; and the Tx transmitter is mounted on the dielectric layer of the antenna board (under the antenna element switched to work "for radiation"), which together forms the transmitter of the SPR sensor. As shown in FIG. 6 (a, b, c, d), the combination and arrangement of the transmitter and receiver can be any, since the symmetrical antenna elements can switch between the emission state and the receive state.
Как показано на фигуре 2 a, b, конструкцию SPR-сенсора можно прикреплять к нижней поверхности способного двигаться технического устройства (далее - робота), таким образом, что излучающий/принимающий слой антенны, под которым расположены приемник Rx и передатчик Tx SPR-сенсора, оказывается ориентированным к поверхности (фигура 2a), по которой движется робот.As shown in figure 2 a, b, the structure of the SPR sensor can be attached to the lower surface of a movable technical device (hereinafter referred to as a robot), so that the transmitting / receiving layer of the antenna, under which the Rx receiver and the Tx transmitter of the SPR sensor are located, turns out to be oriented towards the surface (figure 2a) along which the robot is moving.
Благодаря такому расположению приемника Rx и передатчика Tx предлагаемый SPR-сенсор имеет компактные габаритные размеры, что является большим преимуществом при использовании SPR-сенсора, например, в роботах-пылесосах. Кроме того, так как приемник находится в области приемного элемента антенны, а передатчик находится в области передающего элемента антенны, поскольку излучающий/принимающий слой антенны может переключаться между состоянием приема и излучения, то характеристики согласования сигналов и соотношения сигнал-шум улучшаются по сравнению с обычными SPR-радарами, известными из уровня техники.Due to this arrangement of the Rx receiver and the Tx transmitter, the proposed SPR sensor has a compact overall dimensions, which is a great advantage when using the SPR sensor, for example, in robotic vacuum cleaners. In addition, since the receiver is in the region of the receiving element of the antenna and the transmitter is in the region of the transmitting element of the antenna, since the transmitting / receiving layer of the antenna can be switched between the receiving and the emission state, the signal matching performance and the signal-to-noise ratio are improved over conventional SPR radars known from the prior art.
На фигуре 2 показан вид (a) робота сбоку и вид (b) робота снизу. SPR-сенсор прикреплен к нижней части робота, направленной к поверхности, по которой движется робот.Figure 2 shows a side view (a) of the robot and a bottom view (b) of the robot. The SPR sensor is attached to the bottom of the robot facing the surface on which the robot is moving.
Антенна может быть приемно/передающей или иметь раздельные приемный и передающий элементы, антенна также может иметь один или более излучающих/принимающих элементов, например, в качестве сверхширокополосной антенны в настоящем изобретении можно использовать антенную решетку c несколькими излучающими и принимающими элементами. Описанная конфигурация является минимальной. Благодаря предлагаемому расположению элементов формируется более высокоэффективный и высокочувствительный SPR-сенсор, поскольку расположение передатчика и приемника SPR-сенсора на антенне исключает необходимость переходов, линий питания и согласующих схем в устройстве SPR-сенсора. Кроме того, расположение излучающих/принимающих элементов антенны, приемника и передатчика в одной зоне значительно уменьшает размер SPR-сенсора, что удобно для встраивания такого компактного SPR-сенсора в компактное техническое устройство, например, в небольшого домашнего робота.An antenna can be a receiving / transmitting or have separate receiving and transmitting elements, the antenna can also have one or more transmitting / receiving elements, for example, an antenna array with several transmitting and receiving elements can be used as an ultra-wideband antenna in the present invention. The configuration described is minimal. Thanks to the proposed arrangement of elements, a more highly efficient and highly sensitive SPR sensor is formed, since the location of the transmitter and receiver of the SPR sensor on the antenna eliminates the need for transitions, power lines and matching circuits in the SPR sensor device. In addition, the arrangement of the transmitting / receiving elements of the antenna, receiver and transmitter in the same area significantly reduces the size of the SPR sensor, which is convenient for embedding such a compact SPR sensor in a compact technical device, for example, in a small home robot.
Еще одна особенность предлагаемого SPR-сенсора состоит в том, что SPR-сенсор детектирует структуру поверхности и/или подповерхностную структуру, расположенную под поверхностью, по которой движется робот. Под структурой поверхности понимается структура объема подстилающей поверхности, по которой движется робот, содержащий SPR-сенсор. Например, SPR-сенсор может детектировать неоднородности поверхности, состоящей из, например, плитки, линолеума, паркета, ламината и т.п., за счет получаемых данных диэлектрической проницаемости пола в объеме на некоторой глубине, и путем сравнения этих данных с данными из базы данных, SPR-сенсор может определять местоположение робота, что упрощает навигацию робота в пространстве.Another feature of the proposed SPR sensor is that the SPR sensor detects the surface structure and / or subsurface structure located below the surface on which the robot moves. The surface structure is understood as the structure of the volume of the underlying surface on which the robot, containing the SPR sensor, moves. For example, an SPR sensor can detect irregularities in a surface consisting of, for example, tiles, linoleum, parquet, laminate, etc., due to the obtained data of the dielectric constant of the floor in a volume at a certain depth, and by comparing this data with data from the database data, the SPR sensor can determine the location of the robot, which makes it easier for the robot to navigate in space.
Принцип работы SPR-сенсора состоит в следующем. Когда робот, на нижней части которого расположен SPR-сенсор, движется по поверхности в режиме ознакомления для составления карты структуры поверхности или карты подповерхностной структуры, электромагнитный сигнал, излучаемый антенной, отражается от структур поверхности или подповерхностных структур, по которой передвигается робот, принимается антенной, далее попадает в приемник, далее выходной сигнал приемника попадает в микроконтроллер, который формирует радиограмму (или радиоизображение) из полученных данных. При накоплении некоторого количества сигналов (при этом большее количество сигналов дает большую точность, но работать можно и с одним) полностью формируется радиоизображение поверхности, то есть, например, навигационная карта, которая может быть записана в память (базу данных) робота. Из карты получают информацию на какой глубине и в каких участках под поверхностью или на поверхности есть особенности, то есть неоднородности или объекты (например, проводка, проложенный трубопровод), причем координаты таких особенностей определяют с помощью датчиков, одометра, камеры или других активных датчиков робота. Необходимо отметить, что составленная навигационная карта может быть использована только для поверхности, на которой она снималась, то есть очевидно, что для каждой новой поверхности должна быть своя навигационная карта.The principle of operation of an SPR sensor is as follows. When the robot, on the bottom of which the SPR sensor is located, moves on the surface in familiarization mode to draw up a surface structure map or subsurface structure map, the electromagnetic signal emitted by the antenna is reflected from the surface structures or subsurface structures on which the robot is moving, is received by the antenna. then it enters the receiver, then the output signal of the receiver enters the microcontroller, which forms a radiogram (or radio image) from the received data. With the accumulation of a certain number of signals (moreover, a greater number of signals gives greater accuracy, but you can work with one), the radio image of the surface is completely formed, that is, for example, a navigation map that can be written into the memory (database) of the robot. Information is obtained from the map at what depth and in which areas under the surface or on the surface there are features, that is, discontinuities or objects (for example, wiring, a laid pipeline), and the coordinates of such features are determined using sensors, an odometer, a camera or other active sensors of the robot ... It should be noted that the compiled navigation map can only be used for the surface on which it was filmed, that is, it is obvious that for each new surface there should be its own navigation map.
При движении робота в рабочем режиме SPR-сканер снимает текущее радиоизображение структуры поверхности или подповерхностной структуры поверхности и сравнивает его с сохраненным радиоизображением, координаты которого известны из базы данных, определяя, в режиме реального времени, положение робота в системе координат, связанной с поверхностью, по которой движется робот. Другие активные датчики робота получают информацию о местоположении различными способами, причем SPR-сенсор может использовать для своей работы координаты от этих других активных датчиков робота и сохраненные в базе данных робота.When the robot moves in working mode The SPR scanner takes the current radio image of the surface structure or subsurface surface structure and compares it with the saved radio image, the coordinates of which are known from the database, determining, in real time, the position of the robot in the coordinate system associated with the surface along which the robot is moving. Other active robot sensors obtain position information in various ways, and the SPR sensor can use coordinates from these other active robot sensors and stored in the robot's database for its operation.
Причем если SPR-сенсор получает в данный момент времени в данном месте радиоизображение, то в базу данных робота могут поступать данные, касающиеся того, что полученное радиоизображение соответствует известным координатам. Если SPR-сенсору не удалось получить радиоизображение, то в базу данных поступают данные, касающиеся того, что для этого места с известными координатами радиоизображение не получено.Moreover, if the SPR-sensor receives a radio image at a given time in a given place, then the robot's database can receive data concerning the fact that the received radio image corresponds to known coordinates. If the SPR sensor failed to obtain a radio image, then the database receives data indicating that no radio image was received for this place with known coordinates.
Алгоритм использования SPR-сенсора для помощи в осуществлении навигации робота показан на фигуре 3. На фигуре 3 применяются следующие обозначения:The algorithm for using an SPR sensor to assist in the implementation of robot navigation is shown in Figure 3. In Figure 3, the following notation is used:
x, y, z - координаты местоположения робота; x, y, z - coordinates of the robot's location;
g - изображение от SPR-сенсора; g - image from the SPR sensor;
t c - максимальное время ожидания для получения изображения и/или координат; t c - maximum waiting time for obtaining an image and / or coordinates;
C - критический параметр системы, под которым понимается какой-либо качественный показатель работоспособности системы, например, заряд батареи робота; C is a critical parameter of the system, which is understood as any qualitative indicator of the system's performance, for example, the battery charge of the robot;
t - время ожидания; t is the waiting time;
S(x,y,z) - координаты от других сенсоров, отличных от SPR-сенсора; S (x, y, z) - coordinates from other sensors other than the SPR sensor;
DB (g, (x,y,z)) - динамически формируемая база данных, формируется с течением времени; DB (g, (x, y, z)) - dynamically generated database, formed over time;
g (x,y,z) - координаты текущего местоположения робота; g (x, y, z) - coordinates of the robot's current location;
Нет изображения - означает, что SPR не получает изображение или имеется изображение с шумом (ниже порога); No image - means that the SPR is not receiving an image or there is an image with noise (below the threshold);
Активный датчик - это любой тип бортовых активных датчиков робота, например, LiDAR, ультразвуковой, оптический, камера, UMI, датчик одометра и т. д. An active sensor is any type of on-board active robot sensors such as LiDAR, ultrasonic, optical, camera, UMI, odometer sensor, etc.
После старта робота SPR-сенсор начинает снимать текущие радиоизображения (далее изображения) структуры поверхности или подповерхностной структуры, по которой движется робот.After the start of the robot, the SPR sensor begins to take current radio images (hereinafter images) of the surface structure or subsurface structure along which the robot is moving.
Как видно из фигуры 3, если SPR-сенсор имеет возможность получить изображение, то микроконтроллер SPR-сенсора сравнивает полученное изображение с изображением g из базы данных (DB) робота. Если в ходе сравнения обнаруживается, что произошла корреляция между изображением, полученным SPR-сенсором, и изображением g из базы данных робота, то местоположение робота g (x,y,z) определяется на основе координат изображения из базы данных робота DB (g, (x,y,z)), то есть робот принял решение о местоположении. Так как робот продолжает движение, то цикл начинается заново, чтобы опять определить местоположение. Если изображение не получено SPR-сенсором, например, структура поверхности (металлический пол или совершенно однородный) не позволяют сформировать изображение, так как сигнал выглядит в этом случае как шум (поскольку радиограмма состоит из максимумов и минимумов сигнала, если уровень сигнала низкий, то эти максимумы и минимумы не будут различимы по сравнению с собственным шумом устройства), или корреляции между изображением, полученным SPR-сенсором, и изображением с координатами из базы данных робота нет, то SPR-сенсор обращается к другим активным на текущий момент датчикам робота, при этом сигнал для обращения посылает микроконтроллер после принятия решения о том, что изображение не получено или нет корреляции, и запрашивает необходимые данные, то есть соответствующие координаты, от других активных датчиков робота S (x,y,z). Если другие активные датчики робота могут в данный момент предоставить свои данные о текущих координатах робота, то SPR-сенсор (его микроконтроллер) добавляет свое полученное текущее изображение и соответствующие ему координаты, которые получены от других датчиков робота, в базу данных: g+S(x,y,z) → DB(g, (x,y,z)). Необходимо заметить, что база данных формируется из данных как SPR-сенсора, так и данных (в том числе координат от) остальных активных датчиков робота, причем база данных может быть заложена в программном обеспечении робота, либо «в облаке» данных, с которым робот связывается по Wi-Fi. Полученные данные будут использоваться при дальнейшей работе SPR-сенсора и других датчиков робота, то есть база данных может пополняться. Таким образом, с помощью данных SPR-сенсора дополнительно пополняется база данных робота, что делает навигацию робота в реальном режиме времени более эффективной и точной. Если другие активные датчики робота не могут в данный момент предоставить свои данные о соответствующих координатах, то SPR-сенсор не может получить требуемую информацию. Если время ожидания информации от других активных датчиков робота превышает максимальное время ожидания (t > tc), и/или если какой-либо качественный показатель C работоспособности системы (например, заряд батареи) становится критическим (C не OK), то робот останавливается и ожидает внешних воздействий от пользователя, либо робот информирует пользователя какими-либо световыми или звуковыми сигналами о потере ориентации. Если время ожидания информации от других активных датчиков робота не превышает максимальное время ожидания (t < tc), и если все качественные показатели C работоспособности системы не являются критичными (C - OK), то робот продолжает движение и SPR-сенсор продолжает сканировать структуру поверхности или подповерхностную структуру.As can be seen from figure 3, if the SPR-sensor has the ability to acquire an image, then the microcontroller of the SPR-sensor compares the received image with the image g from the database (DB) of the robot. If the comparison reveals that there is a correlation between the image received by the SPR sensor and the image g from the robot's database, then the robot's location g (x, y, z) is determined based on the coordinates of the image from the robot's database DB (g, ( x, y, z)), that is, the robot has made a position decision. As the robot continues to move, the cycle starts over to determine the location again. If the image is not received by the SPR sensor, for example, surface structure (metal floor or completely homogeneous) do not allow to form an image, since the signal looks like noise in this case (since the radiogram consists of signal maxima and minima, if the signal level is low, these maxima and minima will not be distinguishable compared to the intrinsic noise of the device ), or there is no correlation between the image received by the SPR sensor and the image with coordinates from the robot's database, then the SPR sensor turns to other currently active sensors of the robot, and the microcontroller sends a signal for addressing after deciding that the image is not received or there is no correlation, and requests the necessary data, that is, the corresponding coordinates, from other active sensors of the robot S (x, y, z). If other active sensors of the robot can at the moment provide their data on the current coordinates of the robot, then the SPR-sensor (its microcontroller) adds its received current image and the corresponding coordinates, which are received from other sensors of the robot, to the database: g + S ( x, y, z) → DB (g, (x, y, z)). It should be noted that the database is formed from the data of both the SPR sensor and data (including coordinates from) the rest of the active sensors of the robot, and the database can be embedded in the robot's software, or "in the cloud" of data with which the robot communicates over Wi-Fi. The data obtained will be used in the further operation of the SPR sensor and other sensors of the robot, that is, the database can be updated. Thus, with the help of the SPR sensor data, the robot's database is additionally replenished, which makes the robot's navigation in real time more efficient and accurate. If the other active sensors of the robot cannot currently provide their data on the corresponding coordinates, then the SPR sensor cannot receive the required information. If the waiting time for information from other active sensors of the robot exceeds the maximum waiting time (t> tc), and / or if any qualitative indicator C of the system performance (for example, battery charge) becomes critical (C is not OK), then the robot stops and waits for external influences from the user, or the robot informs the user with any light or sound signals about loss of orientation. If the waiting time for information from other active sensors of the robot does not exceed the maximum waiting time (t <tc), and if all the quality indicators C of the system performance are not critical (C - OK), then the robot continues to move and the SPR sensor continues to scan the surface structure or subsurface structure.
Если SPR-сенсор не может получить изображение структуры поверхности или подповерхностной структуры, по которой движется робот, или получает изображение с отношением сигнал-шум ниже порогового, причем пороговое значение является динамическим и определяется средним значением шума сигнала и корректируется в процессе работы робота, то SPR-сенсор обращается к другим активным датчикам робота и требует необходимые данные об координатах, которые воспринимают другие активные датчики в данный момент времени. При получении от других активных датчиков робота данных о координатах, микроконтроллер SPR-сенсора сохраняет их в базе данных. При дальнейшей работе робот продолжает движение и SPR-сенсор использует обновленную базу данных.If the SPR sensor cannot obtain an image of the surface structure or subsurface structure along which the robot is moving, or receives an image with a signal-to-noise ratio below the threshold, and the threshold value is dynamic and is determined by the average signal noise value and is corrected during the operation of the robot, then the SPR -sensor refers to other active sensors of the robot and requires the necessary data on the coordinates, which are perceived by other active sensors at a given time. When receiving coordinate data from other active sensors of the robot, the microcontroller of the SPR sensor stores them in the database. During further work, the robot continues to move and the SPR sensor uses the updated database.
Необходимо заметить, что SPR-сенсор исследует структуру поверхности или подповерхностную структуру под собой, поэтому расстояние от сенсора до исследуемой поверхности определяется высотой клиренса движущегося механизма (робота), в то время как лидар и камера, встроенные в робот, анализируют пространство вокруг робота, при это лидар имеет ограниченную дальность действия, а камера плохо работает в условиях низкой освещенности. Предлагаемый SPR-сенсор, прикрепленный к роботу, может использоваться, например, в помещении, в котором отсутствует освещение (то есть, когда не может быть использована камера), или в помещении, где имеются зеркальные поверхности (которые вводят в заблуждение лидары), или в случае, когда площадь помещения является слишком большой, то есть, когда не могут работать другие активные датчики робота, поскольку SPR-сенсор анализирует только структуру поверхности или подповерхностную структуру с помощью радиосигнала.It should be noted that the SPR sensor examines the surface structure or subsurface structure underneath, so the distance from the sensor to the investigated surface is determined by the clearance height of the moving mechanism (robot), while the lidar and camera built into the robot analyze the space around the robot, when this lidar has a limited range and the camera does not perform well in low light conditions. The proposed SPR sensor attached to a robot can be used, for example, in a room with no lighting (that is, when the camera cannot be used), or in a room where there are mirrored surfaces (which mislead lidars), or in the case when the area of the room is too large, that is, when other active sensors of the robot cannot work, since the SPR sensor only analyzes the surface structure or subsurface structure using a radio signal.
Как показано на фигуре 4, излучающие/принимающие элементы антенны типа «бабочка», которые составляют топологию антенны, могут иметь различные формы. SPR-сенсор может быть установлен непосредственно в печатную плату устройства, при этом печатная плата устройства может налагать ограничения на габариты и форму антенны типа «бабочка». На фигуре 4 представлены: ромбический тип антенны, полиэдрический тип антенны, округлый тип антенны, произвольный тип антенны. На фигуре 4 показаны примеры антенны с горизонтальной поляризацией, то есть антенна излучает электромагнитное поле, в котором вектор электрического поля горизонтален плоскости движения робота.As shown in FIG. 4, the transmitting / receiving elements of the butterfly antenna that make up the antenna topology can have various shapes. The SPR sensor can be installed directly into the PCB of the device, and the PCB of the device can impose restrictions on the size and shape of the butterfly antenna. Figure 4 shows: rhombic antenna type, polyhedral antenna type, round antenna type, arbitrary antenna type. Figure 4 shows examples of horizontally polarized antennas, that is, the antenna emits an electromagnetic field in which the electric field vector is horizontal to the plane of motion of the robot.
На фигуре 5 проиллюстрировано «шахматное» расположение нижнего излучающего слоя СВЧ-антенны. При таком расположении нижнего слоя СВЧ-антенны возникает перпендикулярная поляризация излученного сигнала, то есть антенна излучает электромагнитное поле, в котором вектор электрического поля перпендикулярен плоскости движения робота.Figure 5 illustrates the staggered arrangement of the lower radiating layer of the microwave antenna. With this arrangement of the lower layer of the microwave antenna, perpendicular polarization of the emitted signal occurs, that is, the antenna emits an electromagnetic field in which the electric field vector is perpendicular to the plane of the robot's motion.
Необходимо отметить, что приемник Rx и передатчик Tx могут располагаться как в области разных излучающих элементов антенны, так и в области одного из элементов антенны. Кроме того, одна пара приемник Rx и передатчик Tx может располагаться в области одного излучающего элемента антенны, а еще одна пара приемник Rx и передатчик Tx может располагаться в области другого излучающего элемента антенны. В другом варианте осуществления в области излучающего/принимающего элемента СВЧ-антенны может располагаться пара приемник Rx и передатчик Tx, а в области другого излучающего/принимающего элемента антенны только передатчик Tx. Еще в одном варианте осуществления в области одного излучающего элемента антенны может располагаться пара приемник Rx и передатчик Tx, а в области другого излучающего элемента антенны - только приемник. Приемлема любая конфигурация.It should be noted that the Rx receiver and the Tx transmitter can be located both in the area of different radiating elements of the antenna, and in the area of one of the antenna elements. In addition, one pair of Rx receiver and Tx transmitter can be located in the area of one radiating element of the antenna, and another pair of Rx receiver and Tx transmitter can be located in the area of another radiating element of the antenna. In another embodiment, a pair of Rx receiver and Tx transmitter may be located in the region of the radiating / receiving element of the microwave antenna,and in the area of the other radiating / receiving element of the antenna, only the Tx transmitter. In yet another embodiment, in the region of one radiating element of the antenna, a pair of Rx receiver and Tx transmitter can be located,and in the area of the other radiating element of the antenna - only the receiver. Any configuration is acceptable.
На фигуре 6 (a, b, c, d) показано, что SPR-сенсор может содержать несколько антенн, в области излучающих/принимающих элементов которых могут располагаться приемники и передатчики в любой последовательности и в любом количестве.Figure 6 (a, b, c, d) shows that the SPR sensor can contain several antennas, in the region of the emitting / receiving elements of which receivers and transmitters can be located in any sequence and in any number.
На фигуре 7 (a, b, c, d) показано, что SPR-сенсоры (позиция 3) могут быть расположены под некоторым углом к поверхности, по которой движется робот, например, спереди или сзади робота (фигура 7 a и b). На фигуре 7c показано расположение SPR-сенсора на нижней части робота, при этом антенна может ориентироваться перпендикулярно перемещению робота. На фигуре 7d показан вариант, когда несколько SPR-сенсоров прикреплены к роботу, здесь необходимо заметить, что к роботу можно прикреплять любое необходимое количество SPR-сенсоров.Figure 7 (a, b, c, d) shows that the SPR sensors (position 3) can be located at an angle to the surface on which the robot moves, for example, in front or behind the robot (figure 7 a and b). Figure 7c shows the location of the SPR sensor on the bottom of the robot, whereby the antenna can be oriented perpendicular to the movement of the robot. Figure 7d shows a variant where several SPR sensors are attached to the robot, it should be noted here that any required number of SPR sensors can be attached to the robot.
Альтернативный вариант алгоритма использования SPR-сенсора проиллюстрирован на фигуре 8. Такой алгоритм направлен на детектирование низкопрофильных объектов, например, таких как жидкости, которые разлиты на поверхности.An alternative version of the algorithm for using the SPR sensor is illustrated in figure 8. This algorithm is aimed at detecting low-profile objects, such as liquids, which are spilled on the surface.
Основное отличие от алгоритма, изображенного на фигуре 3, состоит в том, что если изображение не получено SPR-сенсором, например, структура пола (металлический пол или совершенно однородный) не позволяют сформировать изображение, так как сигнал выглядит в этом случае как шум, или корреляции между изображением, полученным SPR-сенсором, и координатами из базы данных нет (то есть на месте с известными координатами, имеющем изображение структуры поверхности, вдруг появилась разлитая жидкость, то есть корреляция между координатами и изображением нарушена), то SPR-сенсор обращается к другим активным датчикам робота и запрашивает необходимые данные, которые активные датчики робота предоставляют в данный момент (соответствующие координаты). В этом случае включается выбор одного из режимов:The main difference from the algorithm shown in figure 3 is that if the image is not received by the SPR sensor, for example, the floor structure (metal floor or completely uniform) does not allow the formation of the image, since the signal in this case looks like noise, or there is no correlation between the image obtained by the SPR sensor and the coordinates from the database (that is, at a place with known coordinates that has an image of the surface structure, a spilled liquid suddenly appeared, that is, the correlation between the coordinates and the image is broken), then the SPR sensor turns to other active sensors of the robot and requests the necessary data that the active sensors of the robot provide at the moment (corresponding coordinates). In this case, the choice of one of the modes is activated:
I РЕЖИМ - если другие активные датчики робота могут предоставить данные о текущих координатах робота в данный момент времени, то, в случае, если изначально в базе данных не было изображения данного участка пути и/или его координат, то, получив данные (координаты) от других активных датчиков, робот сохраняет их базе данных;I MODE - if other active sensors of the robot can provide data on the current coordinates of the robot at a given time, then, if initially the database did not have an image of this section of the path and / or its coordinates, then, having received data (coordinates) from other active sensors, the robot saves them to the database;
II РЕЖИМ - если другие активные датчики робота могут предоставить данные о текущих координатах робота данного участка пути, то, в случае, если изначально в базе данных робота было изображение данного участка пути и его координаты, а теперь изображение, полученное при прохождении того же участка, изменилось и не коррелирует с данными из базы данных (то есть с сохраненным изображением и соответствующими этому сохраненному изображению координатами), то SPR-сенсор принимает решение, что поверхность в данном месте изменилась, далее поступает команда роботу - убрать загрязнение. После того, как загрязнение убрано, робот продолжает работу.MODE II - if other active sensors of the robot can provide data on the current coordinates of the robot of this section of the path, then, if initially in the database of the robot there was an image of this section of the path and its coordinates, and now the image obtained when passing the same section, has changed and does not correlate with the data from the database (that is, with the saved image and the coordinates corresponding to this saved image), then the SPR-sensor decides that the surface in this place has changed, then the robot is instructed to remove the pollution. After the dirt has been removed, the robot continues to work.
При использовании SPR-сенсора повышается эффективность навигации робота, благодаря дополнительным навигационным данным, получаемым при использовании предлагаемого варианта алгоритма работы SPR-сенсора.When using the SPR sensor, the robot's navigation efficiency increases due to the additional navigation data obtained when using the proposed version of the SPR sensor algorithm.
Структура поверхности, обнаруженная посредством предлагаемого SPR-сенсора, может использоваться в качестве как дополнительной, так и основной навигационной информации в случае отказа других датчиков робота. Предлагаемый SPR-сенсор не чувствителен к свету, присутствию людей и домашних животных, изменению положения мебели и т. д., поэтому в случае необходимости предлагаемый SPR-сенсор может заменить датчики робота, такие как лидар и/или камера.The surface structure detected by the proposed SPR sensor can be used as both additional and basic navigation information in case of failure of other sensors of the robot. The proposed SPR sensor is insensitive to light, the presence of people and pets, changes in the position of furniture, etc., therefore, if necessary, the proposed SPR sensor can replace robot sensors such as a lidar and / or a camera.
Благодаря предлагаемому SPR-сенсору роботом-пылесосом может определяться состояние поверхности, например, наличие на поверхности грязи, разлитых жидкостей и т.п., в этом случае робот может начать уборку и отмывание и будет производить эти манипуляции до тех пор, пока SPR-сенсор не обнаружит, что загрязнение исчезло. SPR-сенсор будет детектировать загрязнение до тех пор, пока радиоизображение от конкретного места не будет максимально совпадать с исходным радиоизображением от этого места.Thanks to the proposed SPR sensor, the robot vacuum cleaner can determine the state of the surface, for example, the presence of dirt, spilled liquids, etc. on the surface, in this case, the robot can start cleaning and washing and will perform these manipulations until the SPR sensor will not find that the pollution has disappeared. The SPR sensor will detect contamination until the radio image from a specific location matches the original radio image from that location as closely as possible.
Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.While the invention has been described in connection with some illustrative embodiments, it should be understood that the spirit of the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, the spirit of the invention is intended to include all alternatives, corrections, and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.
Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.In addition, the invention retains all equivalents of the claimed invention even if the claims are changed in the course of consideration.
Claims (34)
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019128918A RU2727087C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
| KR1020200112547A KR20210031828A (en) | 2019-09-13 | 2020-09-03 | Electronic device including sensor and path planning method of the electronic device |
| US17/018,382 US11867798B2 (en) | 2019-09-13 | 2020-09-11 | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019128918A RU2727087C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2727087C1 true RU2727087C1 (en) | 2020-07-17 |
Family
ID=71616679
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019128918A RU2727087C1 (en) | 2019-09-13 | 2019-09-13 | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210031828A (en) |
| RU (1) | RU2727087C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU209842U1 (en) * | 2020-11-27 | 2022-03-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий | MOBILE DEVICE FOR SEARCHING VICTIMS IN SNOW BLOCKS AND AVALANCHES |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8949024B2 (en) * | 2012-10-25 | 2015-02-03 | Massachusetts Institute Of Technology | Vehicle localization using surface penetrating radar |
| RU160453U1 (en) * | 2015-11-10 | 2016-03-20 | Сергей Эдуардович Шипилов | 3D georadiograph |
| RU2622488C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-06-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Subsurface sensing antenna |
| US20180217251A1 (en) * | 2017-01-27 | 2018-08-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and system for localization of a vehicle using surface penetrating radar |
-
2019
- 2019-09-13 RU RU2019128918A patent/RU2727087C1/en active
-
2020
- 2020-09-03 KR KR1020200112547A patent/KR20210031828A/en unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8949024B2 (en) * | 2012-10-25 | 2015-02-03 | Massachusetts Institute Of Technology | Vehicle localization using surface penetrating radar |
| RU160453U1 (en) * | 2015-11-10 | 2016-03-20 | Сергей Эдуардович Шипилов | 3D georadiograph |
| RU2622488C1 (en) * | 2016-04-06 | 2017-06-15 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Subsurface sensing antenna |
| US20180217251A1 (en) * | 2017-01-27 | 2018-08-02 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and system for localization of a vehicle using surface penetrating radar |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU209842U1 (en) * | 2020-11-27 | 2022-03-23 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий | MOBILE DEVICE FOR SEARCHING VICTIMS IN SNOW BLOCKS AND AVALANCHES |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210031828A (en) | 2021-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11867798B2 (en) | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device | |
| US10353053B2 (en) | Object detection using radar and machine learning | |
| US9182763B2 (en) | Apparatus and method for generating three-dimensional map using structured light | |
| WO2017181642A1 (en) | Systems and methods for radar-based localization | |
| CN110520754A (en) | For using surface penetrating radar to carry out the method and system of vehicle location | |
| RU2720140C1 (en) | Method for self-position estimation and self-position estimation device | |
| US20110248880A1 (en) | Apparatus and method of recognizing presence of objects | |
| CN110537102A (en) | For carrying out the method for object classification using polarimetric radar data and being suitable for this equipment | |
| US11828610B2 (en) | Roadway information detection sensor device/system for autonomous vehicles | |
| JP2020034550A (en) | Determining material category based on polarization of received signals | |
| Adams | Coaxial range measurement-current trends for mobile robotic applications | |
| US9581687B2 (en) | Detecting an underground object | |
| RU2727087C1 (en) | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device | |
| CN110471086A (en) | A kind of radar survey barrier system and method | |
| CN111999744A (en) | Unmanned aerial vehicle multi-azimuth detection and multi-angle intelligent obstacle avoidance method | |
| KR100581086B1 (en) | Method and apparatus for mobile robot localization using led of rfid tag | |
| US20200064481A1 (en) | Autonomous mobile device, control method and storage medium | |
| JP7466820B2 (en) | Radar device, radar system, and object determination method | |
| CN112826377A (en) | Recharging alignment method and device of sweeper and sweeper | |
| KR20150122694A (en) | Method and device for determining a detection range of a traffic route | |
| WO2023083198A1 (en) | Echo signal processing method and apparatus, device, and storage medium | |
| US20220373672A1 (en) | Multipath classification in radar detections | |
| KR20180010879A (en) | A 3-D underwater location estimating method using a half power beam width | |
| JP2002122670A (en) | Inter-vehicle distance measuring method | |
| Glira et al. | 3D mobile mapping of the environment using imaging radar sensors |