TWI588509B - 一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法 - Google Patents

Description

一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法

本發明涉及機器人設計製造領域，尤其涉及一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法。

目前有移動需求的機器人（例如掃地機器人）會通過物理開關、超聲波或者線紅外線感測器等測量裝置，實時推算機器人前進方是否存在障礙物，若檢測到障礙物則發送相關信號給控制器，來控制機器人改變線路線，以達到機器人不碰壁的目的，避免了機器人在行走過程中，遇到障礙物之後，其接下來的行走線路線失效。

但是這種障礙物感知方法只能針對相對於機體本身有限的角度進行測量，因爲感測器（如物理開關、超聲波感測器、線紅外線感測器）本身具有一定的體積，無法密布地安裝在機器人身上，導致測量結果具有較大的偏差，而且在障礙物處於測量盲區時，需要通過調整機器人機體姿態來彌補這種盲區測量缺陷，降低了機器人的移動效率。

鑒於上述問題，本發明提供一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法，用低成本的方式解决現有技術中機器人對環境障礙物感知能力上的盲區、效率與精度問題。

本發明解决上述技術問題所採用的技術方案爲：

提供一種障礙物識別裝置，其特徵在於，設置於可移動的機器人主體上，所述障礙物識別裝置包括：

水平轉動裝置，設置於所述機器人主體之上，以在水平方向上進行自轉；

相位差雷射感測器，設置在所述水平轉動裝置上，以獲取所述障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息；

處理器，設置於所述機器人主體上，且與所述相位差雷射感測器連接，以獲取並根據所述實時位置信息，修正所述機器人主體的移動路徑，以規避所述障礙物。

優選的，上述的障礙物識別裝置，其中，所述相位差雷射感測器包括：

雷射束發射器，以發出雷射束；

攝像頭，捕捉所述雷射束打在所述障礙物上漫反射的亮光點，以獲取所述障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息。

優選的，上述的障礙物識別裝置還包括：

存儲器，設置於所述機器人主體上，且與所述相位差雷射感測器以及所述處理器連接，以存儲所述實時位置信息，生成平面點雲圖，並將該平面點雲圖發送給處理器。

優選的，上述的障礙物識別裝置還包括：

光電開關，設置於所述機器人主體上，用以檢測所述水平轉動裝置的歸零位。

優選的，上述的障礙物識別裝置還包括：

驅動裝置，與所述水平轉動裝置連接，以驅動所述水平轉動裝置旋轉。

本發明還提供一種障礙物識別方法，基於上述的障礙物識別裝置，其特徵在於，適用於可移動機器人的環境障礙物識別檢測，所述障礙物識別方法包括以下步驟：

步驟1，將所述相位差雷射感測器安裝於所述水平轉動裝置上後，啓動所述水平轉動裝置旋轉，由光電開關實時捕獲所述水平轉動裝置轉動過程中到達歸零位置的時刻，根據兩個所述時刻差獲得所述水平轉動裝置轉動一周需要的時間S；

步驟2，使所述水平轉動裝置轉速慢慢加快，直到所述時間S達到一穩定值；

步驟3，啓動所述相位差雷射感測器以一設定檢測頻率開始工作，以獲取所述障礙物識別裝置周圍的障礙物的實時位置信息，並由處理器獲取並根據所述實時位置信息，修正所述主體機器人的移動路徑，以規避所述障礙物。

優選的，上述的障礙物識別方法，其中，所述相位差雷射感測器上還設置有雷射束發射器和攝像頭，所述步驟3還包括：

步驟31，所述雷射束發射器發出雷射束，所述攝像頭捕捉所述雷射束打在障礙物上漫反射的亮光點，以獲取所述障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息；

步驟32，所述相位差雷射感測器將所述實時位置信息發送給所述處理器；

步驟33，所述處理器根據接收到的所述實時位置信息，通過三角定位的方法測算出所述障礙物的距離。

優選的，上述的障礙物識別方法，其中，所述障礙物識別裝置還設置有存儲器，所述步驟32還包括：

步驟321，所述相位差雷射感測器獲取到所述實時位置信息後，將該實時位置信息發送給所述存儲器；

步驟322，所述存儲器根據接收到的所述實時位置信息生成平面點雲圖，並將該平面點雲圖發送給處理器。

優選的，上述的障礙物識別方法，其中，所述水平轉動裝置的穩定轉動周期S爲200ms。

優選的，上述的障礙物識別方法，其中，所述相位差雷射感測器的設定檢測頻率爲2000fps。

上述技術方案具有如下優點或有益效果：本發明的障礙物識別裝置及障礙物識別方法，可以使移動機器人具備高效實時的環境檢測的能力，可以提高機器人的移動效率，减少移動中的試錯成本。在光電開關進入歸零位置開始，直到下一次進入歸零位置結束，在這樣的一個周期S＝200ms的時間內，相位差雷射感測器獲得的測距的所有數據（樣本數c≈400f）依次按時間先後排序，則這些數據就是本周期S內對移動機器人水平方向360°的測距數據，精度可以達到360°/400f = 0.9°/f。如此循環往復，每秒可以檢測5次周邊環境，則可以實時地建立起以移動機器人爲中心的平面圖點雲數據，爲移動機器人的移動路徑提供精確的數據基礎。

下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明，但是不作爲本發明的限定。

如圖1所示，本發明的障礙物識別裝置，設置於移動機器人3本體上，較佳的安裝於移動機器人的頂部。該障礙物識別裝置包括：

相位差雷射感測器1，其上設置有攝像頭（圖中未示出）和雷射束發射器（圖中未示出），雷射束發射器用以發出雷射束，相位差雷射感測器1接收攝像頭捕捉到的雷射束打在物體上漫反射的亮光點相對於攝像頭的位置，通過三角定位的方法測算出障礙物與相位差雷射感測器1之間的距離。這種相位差雷射感測器的測距具有精度高、測距時間短、採樣頻率高的特點。

其中，三角定位法的原理是利用探測到的兩個或者兩個以上障礙物與相位差雷射感測器1的不同距離數據，運用三角幾何原理確定障礙物的位置。

水平轉動裝置（本實施例中該水平轉動裝置爲電機）2，相位差雷射感測器1安裝在該電機2的轉動軸上。電機2的轉子在水平面方向順時針或逆時針轉動，相位差雷射感測器1的連接信號線由滑環結構連通到電子2的定子同一端。

光電開關（圖中未示出），設置於機器人3上，用以檢測電機2的歸零位。

存儲器（圖中未示出），設置於機器人3上，且與相位差雷射感測器1連接，該存儲器用以存儲障礙物的實時位置信息，生成平面點雲圖。

處理器（圖中未示出），設置於機器人3上，且與相位差雷射感測器1和存儲器連接，用以接收存儲器發送的平面點雲圖，並根據平面點雲圖上的障礙物信息修正機器人3的移動路徑，以規避障礙物。

下面結合一具體實施例對本發明的一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法作詳細說明。

本發明的障礙物識別裝置，可安裝於各種移動機器人本體上，實現移動機器人高效實時的環境障礙物檢測能力，可以提高機器人的移動效率，减少移動中的試錯成本。本實施例將該障礙物識別裝置安裝在一掃地機器人3的頂部，其整個運作過程經歷以下步驟，則可以實現高精度的環境障礙物檢測：

在掃地機器人3啓動清潔工作前，先進行周圍環境檢測，即

啓動電機2以低速度開始轉動，光電開關實時捕獲電機2轉動過程中到達歸零位置（該歸零位置爲一預設定的位置，可設定爲機器人圓周的任一位置）的時刻，由電機2進入歸零位置記錄時刻1，到下一次電機2進入歸零位置結束記錄時刻2，則由時刻2和時刻1之間的時間差獲得電機2轉動一周需要的時間S。

接著，控制電機2轉速慢慢加快，知道電機轉動周期S達到一穩定值（該穩定值可根據實際需要設定，本實施例設定該穩定值S=200ms），隨後穩定轉速，使電機2以200ms每轉的速度穩定轉動。

進一步的，啓動相位差雷射感測器1以最高檢測頻率（以保證能採集最多周圍物體的數據，於實際運用中可根據不同需求設定不同的檢測頻率，本實施例中設定該最高檢測頻率爲2000fps）開始工作。相位差雷射感測器1不斷發射雷射束，通過攝像頭捕捉雷射束打在物體上漫反射的亮光點相對於攝像頭的位置，通過三角定位的方法測算出障礙物與相位差雷射感測器1的距離。在電機2轉動的一個周期S=200ms內，總共可以獲得樣本數c約爲400f的距離數據，這些距離數據按照時間先後排序，可以實現對機器人3水平方向360度的測距，精度可達到360°/400f = 0.9°/f。

這樣循環往復測距，每秒可檢測5次周邊環境，則存儲器可以建立起以機器人爲中心的平面圖點雲數據，獲得周圍環境的平面點雲圖，由處理器計算出機器人即將移動的路徑上，第一個會遇到的障礙物的位置，進而修正原有的移動路徑，規劃新的路徑繞開剛才第一個障礙物，然後繼續在平面點雲圖上計算新路徑上會遇到的第一個障礙物，再修改路徑，如此往復，最終得出一條完全不會碰撞障礙物的路徑。這一方法爲機器人的精準移動提供精確的數據基礎，掃地機器人即可按照此路徑，執行掃地工作。

進一步的，在移動過程中，可實時地掃描周圍環境，擴充平面點雲圖，進而在遇到新發現的障礙物時實時修正機器人的預定路徑，同時執行掃地工作。

綜上所述，本發明公開了一種障礙物識別裝置及障礙物識別方法，可以使移動機器人具備高效實時的環境檢測的能力，可以提高機器人的移動效率，减少移動中的試錯成本。在光電開關進入歸零位置開始，直到下一次進入歸零位置結束，在這樣的一個周期S＝200ms的時間內，相位差雷射感測器獲得的測距的所有數據（樣本數c≈400f）依次按時間先後排序，則這些數據就是本周期S內對移動機器人水平方向360°的測距數據，精度可以達到360°/400f = 0.9°/f。如此循環往復，每秒可以檢測5次周邊環境，則可以實時地建立起以移動機器人爲中心的平面圖點雲數據，爲移動機器人的精準移動提供精確的數據基礎。

本領域技術人員應該理解，本領域技術人員在結合現有技術以及上述實施例可以實現所述變化例，在此不做贅述。這樣的變化例並不影響本發明的實質內容，在此不予贅述。

以上對本發明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結構應該理解爲用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情况下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改爲等同變化的等效實施例，這並不影響本發明的實質內容。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬本發明技術方案保護的範圍內。

1‧‧‧相位差雷射感測器
2‧‧‧電機
3‧‧‧機器人

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特徵、外形和優點將會變得更加明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。並未可以按照比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。

圖1是本發明一種障礙物識別裝置設置於機器人上的示意圖。

1‧‧‧相位差雷射感測器

2‧‧‧電機

3‧‧‧機器人

Claims (9)

1. 一種障礙物識別方法，基於一種障礙物識別裝置，適用於可移動機器人的環境障礙物識別檢測，所述障礙物識別裝置，設置於可移動的機器人主體上，所述障礙物識別裝置包括：水平轉動裝置，設置於所述機器人主體之上，以在水平方向上進行自轉；相位差雷射感測器，設置在所述水平轉動裝置上，以獲取障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息；處理器，設置於所述機器人主體上，且與所述相位差雷射感測器連接，以獲取並根據所述實時位置信息，修正所述機器人主體的移動路徑，以規避所述障礙物；所述障礙物識別方法包括以下步驟：步驟1，將所述相位差雷射感測器安裝於所述水平轉動裝置上後，啟動所述水平轉動裝置旋轉，由光電開關實時捕獲所述水平轉動裝置轉動過程中到達歸零位置的時刻，根據兩個所述時刻差獲得所述水平轉動裝置轉動一周需要的時間S；步驟2，使所述水平轉動裝置轉速慢慢加快，直到所述時間S達到一穩定值；步驟3，啟動所述相位差雷射感測器以一設定檢測頻率開始工作，以獲取所述障礙物識別裝置周圍的障礙物的實時位置信息，並由處理器獲取並根據所述實時位置信息，修正所述主體機器人的移動路徑，以規避所述障礙物。
2. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述相位差雷射感測器上還設置有雷射束發射器和攝像頭，所述步驟3還包括： 步驟31，所述雷射束發射器發出雷射束，所述攝像頭捕捉所述雷射束打在障礙物上漫反射的亮光點，以獲取所述障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息；步驟32，所述相位差雷射感測器將所述實時位置信息發送給所述處理器；步驟33，所述處理器根據接收到的所述實時位置信息，通過三角定位的方法測算出所述障礙物的距離。
3. 根據專利申請範圍第2項所述的障礙物識別方法，所述障礙物識別裝置還設置有存儲器，所述步驟32還包括：步驟321，所述相位差雷射感測器獲取到所述實時位置信息後，將該實時位置信息發送給所述存儲器；步驟322，所述存儲器根據接收到的所述實時位置信息生成平面點雲圖，並將該平面點雲圖發送給處理器。
4. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述水平轉動裝置的穩定轉動周期S為200ms。
5. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述相位差雷射感測器的設定檢測頻率為2000fps。
6. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述相位差雷射感測器包括：雷射束發射器，以發出雷射束；攝像頭，捕捉所述雷射束打在所述障礙物上漫反射的亮光點，以獲取所述障礙物相對於所述機器人主體的實時位置信息。
7. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述障礙物識別裝置還包括：存儲器，設置於所述機器人主體上，且與所述相位差雷射感測器以及所述處理器連接，以存儲所述實時位置信息，生成平面點雲圖，並將該平面點雲圖發送給處理器。
8. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述障礙物識別裝置還包括：光電開關，設置於所述機器人主體上，用以檢測所述水平轉動裝置的歸零位。
9. 根據專利申請範圍第1項所述的障礙物識別方法，所述障礙物識別裝置還包括：驅動裝置，與所述水平轉動裝置連接，以驅動所述水平轉動裝置旋轉。