SE518395C2 - Närhetsavkännande system för en autonom anordning och ultraljudgivare - Google Patents

Description

25 30 518 2 därför resultera i vissa områdesbegränsningar i dess förmåga att detektera potentiella hinder.

Det finns därför ett önskemål att finna en förbättrad givare för närhetsavkänningssystemet som använder ljudradarsystemet i, till exempel, en automatisk polerings- eller dammsugningsoperation, för att då uppvisa en ännu bättre förmåga att finna en fri väg under utförande av operationen.

Den förbättrade apparaten skall även vara enkel och billig att tillverka och därmed i stånd att uppvisa ett för kunder tilltalande pris.

SAMMANFATTNING AV UPPFIN N IN GEN I enlighet med den föreliggande uppfinningen tillhandahålls ett närhets- avkännande system för en självnavigerande anordning, speciellt en damm- sugare eller dammrobot, som innefattar ett ljudradargivarsystem. Den föreliggande givaren uppvisar ett brett ljudradardiagram med hög direktivitet i framåtriktningen som resulterar i hög känslighet vid mottagaren, men även samtidigt en bred känslighet i en vertikal framåtriktning för detektion av hinder vid höjder som interfererar med den autonoma anordningens höjd.

Den föreliggande uppfinningen visar en förbättrad givare för ett närhets- avkänningssystem som använder ljudradarsändare. En autonom anordning försedd med ett antal motrordrivna hjul innefattar vidare ett antal element för närhetsnavigeringen och vägledningen av anordningen såsom ett mikroprocessorsystem och ett närhetsavkänningssystem innefattande åtminstone ett sändarelement och ett mottagarelement. Ett mekaniskt avkänningselement påverkar åtminstone en beröringsavkännare om anordningen gör kontakt med ett hinder i vägen för den rörliga anordningen.

Sändarelementet bildas av ultraljudsgivaren, vilken är utformad vid anordningens front. Anordningen utsänder ultraljudvägor från en första remsformad anordning med en smal vertikal fördelning inom en bred horisontal sektor, och en andra remsformad anordning som tillhandahåller en bredare vertikal fördelning inom en liknande bred horisontal sektor framför den autonoma anordningen. Mottagarelementet innefattar ett antal 10 15 20 25 30 3 mikrofonenheter försedda med hålpipor för ljudet och bildar en ingångsdel av ett mottagarsystem för mottagande av ekon från de utsända ultraljudvågorna reflekterade från föremål i den rörliga anordningens frarnåtväg.

Ett närhetsavkänningssystem för en autonom anordning i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet 1 och ytterligare utföringsformer fastställs av de beroende patentkraven 2 till 10.

En givare för närhetsavkänningssystemet i enlighet med den föreliggande uppfinningen fastställs av det oberoende patentkravet 11 och ytterligare utföringsformer fastställs av de oberoende patentkraven 12 till 19.

BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppñnningen kommer att beskrivas i form av en föredragen utföringsform genom att hänvisa till de medföljande ritningarna i vilka: FIG. 1 demonstrerar en vy uppifrån av en autonom anordning i form av en utföringsform som visar en dammsugarrobot utrustad i enlighet med den föreliggande uppfinningen, FIG. 2 visar en vy från sidan av den autonoma anordningen i enlighet med FIG. 1, FIG. 3 visar en vy framifrån av den autonoma anordningen vilket visar såndarelementet vid framsidan och två rader av mottagarsensorer, FIG. 4 illustrerar det dubbla givarelementet placerat bakom ett trådnät framtill på anordningen, FIG. 5 är ett förstorat horisontellt snitt av givarelementet enligt FIG. 4 genom en av sändarremsorna, 10 20 25 30 518 395 4 FIG. 6 illustrerar en förenklad sändardriv- och omkopplingskrets för givarelementet enligt FIG. 4, FIG. 7 illustrerar horisontala strålningsdiagram för de breda och smala remsformade ultraljudgivarna i FIG. 4, FIG. 8 illustrerar vertikala strålningsdiagram för det breda remsformade givarelementet i FIG. 4, och FIG. 8 illustrerar vertikala strålningsdiagram för det smala remsformade givarelementet.

BESKRIVNING AV EN BELYSANDE UTFÖRINGSFORM Allmänna egenskaper Figur 1 illustrerar i en tredimensionell vy uppifrån en belysande utförings- form av en automatisk dammsugaranordning 1, vilken av sig själv kommer att förflytta sig på ett golv och dammsuga ett rum. I den främre delen finns anordnat en ultraljudsändare 10. Sändaren består av remsformade ultra- ljudelement 21 och 22 som har en längd som täcker av storleksordningen 180° av den främre Omkretsen av anordningen som illustrerats i Figurerna 2 och 3. Som visas i Figur 2, är sändaren 10 med de remsformade elementen monterad över en undre första rad av mikrofonenheter 12. Över de rems- formade sändarelementen är lokaliserat en andra rad av mikrofonenheter 13. Ekoavkännarmikrofonerna 12 och 13 för ultraljud tillsammans med sändaren 10 bildar ett ultraljudradarsystem för anordningens navigation. I den belysande utföringsformen är sändaren nersänkt i en framåt riktad, rörlig stötfångarenhet 16. Stötfångaren styr en vänster och höger Stötfångar- beröringsavkännare, varvid endera påverkas om stötfängaren gör kontakt med ett föremål. I Figurerna 2 och 3 kan det ses att anordningen har två rakt motsatt placerade hjul 17, 18. Hjulen 17, 18 drivs vardera oberoende genom en separat motor lämpligen utrustad med en växellåda. De drivna hjulen 17 och 18 kommer att möjliggöra att anordningen också roterar runt sitt eget symmetricentrum eller runt endera hjulet 17, 18. På axeln från 10 15 20 25 30 518 3953: -f 5 vardera motorn som driver respektive hjul 17 och 18 är monterat en respektive kvadraturavkännare. Kvadratursignaler från avkännarna är kopplade till en inbyggd mikroprocessor som styr anordningen. Signalerna från dessa avkännare, eller ekvivalenta anordningar, kommer att användas för att erhålla en dödräkning för uppskattning av färdavstånd. Extra hjul stöder det bakre av anordningen. Anordningen är allmänt balanserad med en något större vikt på den bakre halvan av anordningen, som till exempel bär batterierna, så att den kommer alltid att förflytta sig med alla hjulen i kontakt med golvet. Beroende på detta balanserade kan anordningen lätt bestiga kanterna på mattor och liknande.

Ultraljudgivare I Figur 4 demonstreras en utföringsform av ultraljudgivaren som används för ultraljudsändaren 10 på den autonoma anordningens 1 framsida. Ultraljud- givaren består av två remsformade element 21 och 22 på ett basmaterial 11 som uppvisar en längd som täcker insidan av framsidans nätöppning på den autonoma anordningen 1. Basfolien 11 är vidare försedd med en del 24 som bär en kontakt för elektriska ledningar till givarelementen 21 och 22.

Figur 5 illustrerar en horisontell genomskärning av vardera av de två remsformade elementen 21 och 22. En pil indikerar sändningsriktningen i Figur 5. Ultraljudelementet som bildar den halcirkulära elektrostatiska givaren består av ett tunt membran 30 av metalliserad folie, till exempel en PET-folie eller liknande. Folien som bär ett tunt metalliskt skikt 31 bildar membranet framför ett tunt luftgap 32. Luftgapet separerar membranet från ett andra ledande skikt 34. Bärarbasmaterialet 35 med det ledande skiktet 34 är vidare på sin motsatta sida belagt med ett annat skikt 36. Det andra ledande skiktet kommer att verka som en ytterligare skärmning av baksidan av givarelementen vilket genom metallskikten 31 och 34 kommer att uppträda som en kondensator med PET-folien för membranet 30 och luftgapet 32 som ett dielektrikum. Det andra ytterligare ledande skiktet 36 är vidare belagt med ett isolerande dielektriskt skikt 37. Den metalliserade PET-folien skall lämpligen inte vara tjockare än 5 pm. I en föredragen 10 15 20 25 30 518 395 6 utföringsform är metallskiktet ett 5-100 nm guldskikt. Det mycket tunna luftgapet 32 är av stor betydelse för den föreliggande ultraljudgivarens prestanda, därför kommer grovheten i skiktet 34 att vara väsentlig för att bibehålla det tunna luftgapet 32.

Givarremsorna 21 och 22 drivs av en ultraljudgenerator styrd av en mikroprocessor 40. Figur 6 illustrerar ett förenklat schema över en utföringsform av ultraljudgeneratorn. I den belysande utföringsformen används en Motorola processor MC68332, men andra integrerade lågeffekts- mikroprocessorer kan användas genom lämplig anpassning av mjukvaran för den autonoma anordningen. CPU 40 i Figur 6 avlämnar en uppsättning fyrkantpulser vid en frekvens av 30 kHz till en drivanordning som består av en fälteffekttransistor. Fälteffekttransistorns drain-elektrod har sin spänningsmatning via primärlidningen på en transformator som har två sekundärlindningar vilka matar respektive ultraljudelement 21 och 22.

Endera av ultraljudsändarelementen kommer att ta emot den elektriska drivsignalen, vilken kommer att dubblas till en 60 kHz ultraljudsignal eftersom givarelementet likriktar. Alltså kommer den alstrade ljudet att vara två gånger frekvensen för ingångssignalen. I den belysande utföringsformen består signalen av tre perioder av 30 kHz med en driftcykel av 40% alstrad från processorenhet för tid (TPU, Time Processor Unit) i mikroprocessorn.

Denna TPU går då i en mod som hänvisas till som köad utmatningsmod (QOM, Queued Output Mode). Mikroprocessorn 40 kommer att ansluta till jord antingen styrsignalen TXNEN- till omkopplaren 42 för element 21, TXN för en smal vertikal sändning eller styrsignalen TXWEN- till omkopplaren 44 för det breda vertikala sändningselementet 22, TXW. Ändring av programmeringen av funktionsparametrarna för QOM kan variera frekvens, driftcykel och antal pulser i den utsända pulsskuren.

Den fysiska horisontella formen av ett elementband för givaren alstrar ett strälníngsdiagram med en bred horisontell fördelning. Figur 7 illustrerar ett diagram för den horisontella fördelningen av ultraljudvågor från sändaren 10. Både den smala och bredare remsan får en liknande horisontell 10 15 20 25 30 518 395 = 7 fördelning. Figur 8 illustrerar en vertikal fördelning av ultraljudet sänt från den bredare remsan. Anledningen för den komprimerade loben är att den bredare remsan verkar som en vertikal grupp av sändarelement. De olika stora loberna i diagrammet illustrerar den vertikala loben vid olika horisontella vinklar från den centrala framåtriktningen av trådnätet 10 vid riktningar vinkelräta mot det halvcirkelformade trådnätet.

Figur 9 illustrerar motsvarande vertikala strålningsdiagrarn för den smala remsgivaren. Även den maximala framåteffekten kommer att bli lägre för den smala remsan som alstrar den bredare vertikala fördelningen. Med andra ord är strålningsdiagrammet enligt Figur 9 lämpligt för närfältsnavigation i kombination med både de lägre och övre raderna av avkänningsmikrofoner 12 och 13, medan strålningen enligt Figur 8 är utmärkt för avkänning av mer avlägsna föremål huvudsakligen med användning av den undre raden av avkänningselement 12.

Avkännare för detektion av ultraljud utsänt genom ultraljudgivaren kan typiskt vara mikrofoner av kondensatormikrofontyp (electret condenser microphone). En naken mikrofon är nästan utan riktverkan. Därför i enlighet med teknikens ståndpunkt monteras ultraljudavkänningsmikro- fonerna bakom en anordning som innehåller ett par vertikala ljudpipor för att erhålla önskad riktverkan. Med detta arrangemang med sändning och mottagning kommer ekon från golvet eller marken liksom, till exempel, skarpkantande mattor och liknande att kraftigt undertryckas. Detta ger en mycket mer förenklad detektion av föremål i zonen nära anordningen, där ekon från ett golv eller mark och anordningen själv är starkast.

Det kommer att vara uppenbart för fackmannen att den föreliggande givaren kan modifieras och ändras på många sätt utan att avvika från omfattningen av den föreliggande uppfinningen, som definieras av de bifogade patent- kraven .

Claims (19)

10 I5 20 25 30 518 395 ' " 8 PATENTKRAV

1. Nârhetsavkännande system för en autonom anordning (1) försedd med motordrivna hjul och innefattande ett ultraljudsändande element och mottagningselement som är anslutna till en mikroprocessor som styr den autonoma anordningens förflyttning med hjälp av ekosignaler från sändarelementet mottagna av mottagarelementen, kännetecknat av att sändarelementet (10) utgör en dubbel ultraljudgivare som innehåller två separat drivna remsformade element som bildar en enda halvcirkulär enhet placerad vid en framsida av den autonoma anordningen, ett första remsformat element av ultraljudgivaren bildar en första utsträckt bred ñlmremsa (21) som alstrar en horisontellt bred och vertikalt smal stråle vid en optimal akustisk utmatningsnivå, ett andra remsformat element av ultraljudgivaren bildar en andra utsträckt smal remsa (22) som alstrar en horisontellt bred och vertikalt bred stråle, varvid mottagningselementen är anordnade för att ta emot signaler utsända av ultraljudgivaren och reflekterade från den autonoma anord- ningens omgivning.

2. System enligt krav 1, kännetecknat av att en första rad av undre mottagningselement (12) och en andra rad av övre mottagningselement (13) är anordnade för att ta emot signaler utsända av ultraljudgivaren och reflekterade från den autonoma anordningens omgivning.

3. System enligt krav 1, kännetecknat av att det första (21) och det andra (22) remsformade elementet i ultraljudgivaren utgör kapacitans- filmgivare som använder som ett membran en metalliserad folie (30) som uppvisar ett tunt skikt av storleksordningen 5 pm eller mindre och ett tunt luftgap (32) framför ett andra metallskikt (34). 10 15 20 25 30 518 395 9

4. System enligt krav 3, kännetecknat av att de remsformade elementens (21, 22) metalliserade folieskikt i ultraljudgivaren är ett tunt skikt av en miljöbetingat stabil metall.

5. System enligt krav 3, kännetecknat av att de remsformade elementens metalliserade folie (30) i ultraljudgivaren är försedd med ett guldskikt (31).

6. System enligt krav 5, kännetecknat av att det metalliserade folieskiktet av guld är av storleksordningen 5- 100 nm.

7. System enligt krav 3, kännetecknat av att det andra metallskiktet utgör ett första ledande skikt (34) på ett basmaterial försett pä en motsatt sida med ett andra ledande skikt (36) överdraget med ett dielektriskt skikt (37), varvid det andra ledande skiktet verkar som en elektrisk skärmning av givarens baksida.

8. System enligt krav 1, kännetecknat av att sändareelementet (10) styrt av mikroprocessorn arbetar i ett ultraljudfrekvensområde runt 60 kHz därmed undvikande allmänt brus alstrat till exempel av persondator- skärmar.

9. System enligt krav 2, kännetecknat av att de undre mottagarelementen (12) och övre mottagarelementen (13) utgör ultraljudmikrofonenheter försedda hålpipor för att ytterligare förbättra ett direktivitetsdiagram för varje ultraljudmikrofonenhet.

10. System enligt krav 2, kännetecknat av att en ultraljudmikrofon (12a) i den första raden av mottagningselement är placerad riktad mot en sida av den autonoma anordningen för att användas i en väggföljningsoperation. 10 15 20 25 30 518 395 10

11. Ultraljudgivare för ett närhetsavkännande system, kännetecknad av ett första remsformat element (21) i en ultraljudgivare, som drivs av en ultraljudgenerator, bildar en första utsträckt bred ñlmremsa som alstrar en horisontell bred och vertikal smal sträle vid en optimal akustisk signalniväutmatning, ett andra remsformat element (22) i en ultraljudgivare, som drivs av ultraljudgeneratorn, bildar en andra utsträckt smal filmremsa som alstrar en horisontell bred och vertikal bred stråle, varvid det första remsformade elementet (21) och det andra remsformade elementet (22) bildar en integrerad sändaranordning (11).

12. Ultraljudgivare enligt krav 11, kännetecknad av att det första remsformade elementet (21) och andra remsformade elementet (22) bildar en integrerad sändaranordning (1 1) som är placerad över en första rad av undre mottagarelement (12) och under en andra rad av övre mottagarelement (13) som tar emot signaler utsända av ultraljudsändaren (10) och reflekterade från den autonoma anordningens omgivningar.

13. Ultraljudgivare enligt krav 11, kännetecknad av att det första (21) och det andra (22) remsformade elementet i ultraljudgivaren utgör kapacitansfilmgivare med ett membran av en metalliserad folie (30) som uppvisar ett tunt skikt (31) av storleksordningen 5 pm eller mindre och ett tunt luftgap (32) framför det andra metallskiktet (34). krav 11, kännetecknad av att de remsformade elementens metalliserade folieskikt i ultraljudgivaren är ett

14. Ultraljudgivare enligt skikt av en miljöbetingat stabil metall. krav 11, kännetecknad av att de remsformade elementens metalliserade folie (30) i ultraljudgivaren är försedd med ett guldskikt (31).

15. Ultraljudgivare enligt 10 15 11 enligt krav 15, kännetecknad av att det

16. Ultraljudgivare metalliserade folieskiktet av guld är av storleksordningen 5- 100 nm.

17. Ultraljudgivare enligt krav 11, kännetecknad av att det andra metallskiktet (34) utgör ett första ledande skikt på ett basmaterial (35) försett på en motsatt sida med ett tredje skikt (36) som utgör ett ledande skikt överdraget med ett dielektriskt skikt (37), varvid det tredje skiktet (36) verkar som en elektrisk skärmning av givarens baksida.

18. Ultraljudgivare enligt krav 11, kännetecknad av att ett remsformat element i taget drivs av ultraljudgeneratorn med hjälp av ett par omkopplare (42, 44) styrda av en mikroprocessor (40) även använd för bearbetning av signaler erhållna genom närhetsavkänningssystemet.

19. Ultraljudgivare enligt krav 11, kännetecknad av att det första remsformade elementet (21) och det andra remsformade elementet (22) täcker en främre närhetsavkänningsvinkel av mer än 150 grader, och upp till storleksordningen 180 grader.