本發(fā)明涉及一種機(jī)器人避障掃描系統(tǒng)，尤其是涉及一種應(yīng)用于機(jī)器人的超聲3D掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

智能移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，避障是智能移動機(jī)器人最基本的功能。常見的移動機(jī)器人障礙物探測通常利用視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)。超聲波傳感器通過測量聲源與障礙物之間的往返時(shí)間得到它們之間的距離。與紅外傳感器相比，超聲波傳感器不僅可以探測到障礙物的存在，而且能得到障礙物與機(jī)器人之間的距離，更便于機(jī)器人做出避障決策和決定行走路線。與視覺傳感器相比，超聲波傳感器具有信息處理速度快、處理算法簡單，不受光線條件限制等優(yōu)點(diǎn)。與激光傳感器相比，超聲波傳感器成本低、硬件實(shí)現(xiàn)簡單，因此，超聲波傳感器作為一種典型的測距傳感器，目前已廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人避障、定位、環(huán)境建模等領(lǐng)域。

為了實(shí)現(xiàn)避障，傳感器必須能夠探測到機(jī)器人周圍的一個(gè)連續(xù)區(qū)域，區(qū)域越大，機(jī)器人對所在外部環(huán)境的認(rèn)知就越多，更有利于其行走路徑規(guī)劃，區(qū)域如果不連續(xù)也容易出現(xiàn)死角，增大機(jī)器人發(fā)生碰撞的可能性?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用一組多個(gè)超聲波傳感器分布在機(jī)器人機(jī)身前半部分或四周，但是由于其發(fā)散角度一定，存在多個(gè)盲區(qū)，對于動態(tài)障礙物可能會出現(xiàn)探測不到的情況而導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生碰撞損壞。也有采用超聲波傳感器與其他傳感器如紅外傳感器、視覺傳感器等結(jié)合來使用，但存在成本較高、硬件及控制系統(tǒng)較復(fù)雜等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種應(yīng)用于機(jī)器人的超聲3D掃描系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種應(yīng)用于機(jī)器人的超聲3D掃描系統(tǒng)，用于采集機(jī)器人所處環(huán)境中的障礙物信息，該系統(tǒng)包括超聲傳感器組、轉(zhuǎn)臺、超聲控制單元、電機(jī)組件、轉(zhuǎn)臺控制單元和掃描器控制單元，所述的超聲傳感器組包括多個(gè)超聲探頭，所述的超聲探頭均勻分布在轉(zhuǎn)臺外側(cè)，所述的超聲探頭均連接至超聲控制單元，所述的電機(jī)組件連接所述的轉(zhuǎn)臺，所述的轉(zhuǎn)臺控制單元連接所述的電機(jī)組件，所述的超聲控制單元和轉(zhuǎn)臺控制單元均連接至掃描器控制單元，所述的掃描器控制單元連接至機(jī)器人主控模塊；

掃描器控制單元給轉(zhuǎn)臺控制單元和超聲控制單元發(fā)出工作指令，轉(zhuǎn)臺控制單元控制電機(jī)組件工作，電機(jī)組件帶動轉(zhuǎn)臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，超聲控制單元控制超聲傳感器組中的超聲探頭進(jìn)行障礙物檢測并將檢測的障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元，進(jìn)而發(fā)送至機(jī)器人主控模塊。

所述的轉(zhuǎn)臺為球狀轉(zhuǎn)臺，所述的超聲探頭均勻分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。

所述的超聲探頭分布方式具體為：

以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個(gè)超聲探頭，所述的N個(gè)超聲探頭組成橫向超聲探頭組，將所述的N個(gè)超聲探頭拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，進(jìn)而共有M×N個(gè)超聲探頭分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。

所述的超聲探頭包括發(fā)射器、接收器和觸發(fā)控制器，所述的觸發(fā)控制器的IO口連接超聲控制單元，所述的觸發(fā)控制器還連接所述的發(fā)射器和接收器；

各超聲探頭通過觸發(fā)控制器的IO口觸發(fā)測距方式測量與環(huán)境中的障礙物的距離，并將該距離作為障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元。

所述的電機(jī)組件包括轉(zhuǎn)臺電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器和編碼器，所述的轉(zhuǎn)臺電機(jī)連接所述的轉(zhuǎn)臺，所述的轉(zhuǎn)臺電機(jī)還通過所述的編碼器連接所述的轉(zhuǎn)臺控制單元，所述的轉(zhuǎn)臺控制單元通過所述的電機(jī)驅(qū)動器連接所述的轉(zhuǎn)臺電機(jī)；

轉(zhuǎn)臺控制單元接收編碼器的指令進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換為控制電機(jī)運(yùn)行的控制信號，電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)控制信號驅(qū)動轉(zhuǎn)臺電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)臺水平方向360°旋轉(zhuǎn)。

所述的超聲控制單元和轉(zhuǎn)臺控制單元均通過藍(lán)牙模塊通信連接所述的掃描器控制單元。

所述的掃描器控制單元通過RS485串口通信連接所述的機(jī)器人主控模塊。

該系統(tǒng)的工作流程具體為：

步驟一：機(jī)器人開機(jī)后系統(tǒng)初始化，轉(zhuǎn)臺位置校零；

步驟二：轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，所有超聲探頭同時(shí)觸發(fā)，并且計(jì)時(shí)開始，采樣開始；

步驟三：超聲控制單元將接收到的所有超聲探頭的回波信號發(fā)送給掃描器控制單元，轉(zhuǎn)臺控制單元通過藍(lán)牙將轉(zhuǎn)臺當(dāng)前時(shí)刻旋轉(zhuǎn)角度信息發(fā)送給掃描器控制單元；

步驟四：掃描器控制單元根據(jù)超聲探頭的回波信號計(jì)算出每個(gè)超聲探頭的障礙物距離信息，根據(jù)轉(zhuǎn)臺角度信息計(jì)算得到所有超聲探頭的探頭角度信息，然后存儲當(dāng)前時(shí)刻信息、障礙物距離信息和探頭角度信息；

步驟五：在下一個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)步驟三～步驟四；

在上述過程中，每隔一定時(shí)間間隔掃描器控制單元將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人主控模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用轉(zhuǎn)臺外側(cè)的超聲傳感器組實(shí)時(shí)探測機(jī)器人所處環(huán)境中的障礙物信息，為機(jī)器人進(jìn)行室內(nèi)3D建模提供有效信息，保證移動機(jī)器人及時(shí)快速避障和安全行走，成本較低、實(shí)時(shí)性高、靈活穩(wěn)定、可靠性高；

(2)超聲探頭在轉(zhuǎn)臺外側(cè)的分布方式實(shí)現(xiàn)了一定高度空間的橫向360°無死角探測障礙物，在探頭數(shù)量最少的情況下保證盲區(qū)最小，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所處環(huán)境中的障礙物信息的探測；

(3)超聲探頭通過IO口觸發(fā)測距方式測量超聲探頭與障礙物之間距離的測量，實(shí)現(xiàn)障礙物的有效定位，提高機(jī)器人避障的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的超聲3D掃描系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明超聲探頭排列示意俯視圖；

圖3為本發(fā)明超聲探頭排列示意側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明超聲3D掃描系統(tǒng)的障礙物探測范圍示意圖。

圖中，1為超聲傳感器組，2為轉(zhuǎn)臺，3為超聲控制單元，4為電機(jī)組件，5為轉(zhuǎn)臺控制單元，6為掃描器控制單元，7為機(jī)器人主控模塊，41為轉(zhuǎn)臺電機(jī)，42為電機(jī)驅(qū)動器，43為編碼器，8為藍(lán)牙模塊，9為RS485串口，10為電源管理模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種應(yīng)用于機(jī)器人的超聲3D掃描系統(tǒng)，用于采集機(jī)器人所處環(huán)境中的障礙物信息，該系統(tǒng)包括超聲傳感器組1、轉(zhuǎn)臺2、超聲控制單元3、電機(jī)組件4、轉(zhuǎn)臺控制單元5和掃描器控制單元6，超聲傳感器組1包括多個(gè)超聲探頭，超聲探頭均勻分布在轉(zhuǎn)臺2外側(cè)，超聲探頭均連接至超聲控制單元3，電機(jī)組件4連接轉(zhuǎn)臺2，轉(zhuǎn)臺控制單元5連接電機(jī)組件4，超聲控制單元3和轉(zhuǎn)臺控制單元5均連接至掃描器控制單元6，掃描器控制單元6連接至機(jī)器人主控模塊7；掃描器控制單元6給轉(zhuǎn)臺控制單元5和超聲控制單元3發(fā)出工作指令，轉(zhuǎn)臺控制單元5控制電機(jī)組件4工作，電機(jī)組件4帶動轉(zhuǎn)臺2進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，超聲控制單元3控制超聲傳感器組1中的超聲探頭進(jìn)行障礙物檢測并將檢測的障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元6，進(jìn)而發(fā)送至機(jī)器人主控模塊7。超聲控制單元3和轉(zhuǎn)臺控制單元5均通過藍(lán)牙模塊8通信連接掃描器控制單元6。掃描器控制單元6通過RS485串口9通信連接機(jī)器人主控模塊7。超聲控制單元3、轉(zhuǎn)臺控制單元5和掃描器控制單元6均設(shè)置電源管理模塊10。

本實(shí)施例中，轉(zhuǎn)臺2為球狀轉(zhuǎn)臺，超聲探頭均勻分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。超聲探頭分布方式具體為：以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準(zhǔn)面，在該基準(zhǔn)面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個(gè)超聲探頭，N個(gè)超聲探頭組成橫向超聲探頭組，將N個(gè)超聲探頭拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，進(jìn)而共有M×N個(gè)超聲探頭分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。如圖2所示為超聲探頭排列示意俯視圖，圖中畫出了基準(zhǔn)面上的N個(gè)超聲探頭，N個(gè)超聲探頭形成半徑為R_H的圓周，N個(gè)超聲探頭記作超聲探頭11、超聲探頭12、超聲探頭13……、超聲探頭1N，同理第M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組記作超聲探頭M1、超聲探頭M2、超聲探頭M3……、超聲探頭MN。本實(shí)施例中設(shè)置了3組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，即上述M＝3，因此圖3為本發(fā)明超聲探頭排列示意側(cè)視圖。

超聲探頭包括發(fā)射器、接收器和觸發(fā)控制器，觸發(fā)控制器的IO口連接超聲控制單元3，觸發(fā)控制器還連接發(fā)射器和接收器；各超聲探頭通過觸發(fā)控制器的IO口觸發(fā)測距方式測量與環(huán)境中的障礙物的距離，并將該距離作為障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元6。超聲控制單元3給出最少10μs的高電平信號，探頭自動發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，當(dāng)檢測到有信號返回時(shí)，通過IO口輸出一個(gè)高電平給超聲控制單元3，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間t。掃描器控制單元6中的計(jì)算處理模塊可根據(jù)t計(jì)算出障礙物的距離s，s＝vt/2，其中v為聲波在空氣中的傳播速度。

電機(jī)組件4包括轉(zhuǎn)臺電機(jī)41、電機(jī)驅(qū)動器42和編碼器43，轉(zhuǎn)臺電機(jī)41連接轉(zhuǎn)臺2，轉(zhuǎn)臺電機(jī)41還通過編碼器43連接轉(zhuǎn)臺控制單元5，轉(zhuǎn)臺控制單元5通過電機(jī)驅(qū)動器42連接轉(zhuǎn)臺電機(jī)41；轉(zhuǎn)臺控制單元5接收編碼器43的指令進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換為控制電機(jī)運(yùn)行的控制信號，電機(jī)驅(qū)動器42根據(jù)控制信號驅(qū)動轉(zhuǎn)臺電機(jī)41進(jìn)行相應(yīng)動作，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)臺2水平方向360°旋轉(zhuǎn)。機(jī)器人周圍一定范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測是通過轉(zhuǎn)臺2旋轉(zhuǎn)及超聲探頭分布來實(shí)現(xiàn)的，因此轉(zhuǎn)臺2需要進(jìn)行水平360°旋轉(zhuǎn)。

機(jī)器人縱向區(qū)域的掃描結(jié)構(gòu)依靠縱向探頭間形成一定夾角實(shí)現(xiàn)，由于縱向探頭不掃描，所以縱向盲區(qū)在機(jī)器人初始位置時(shí)存在。依靠此結(jié)構(gòu)，機(jī)器人在行走過程中可以360°無死角靜態(tài)避障，但若遇到動態(tài)障礙物，障礙物也可能進(jìn)入該盲區(qū)，檢測不出來。橫向通過轉(zhuǎn)臺2水平360°旋轉(zhuǎn)及超聲探頭分布可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周圍s_max距離范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測掃描，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對動態(tài)障礙的有效避讓及地圖構(gòu)建提供有效信息，s_max取決于所采用的超聲探頭最大探測距離。

綜上所述，本發(fā)明超聲3D掃描系統(tǒng)的障礙物探測范圍如附圖4所示，圖4(a)為水平探測范圍，圖4(b)為垂直探測范圍，陰影部分為有效探測范圍，圖4(b)中H為超聲探頭縱向區(qū)域的掃描的高度。

該系統(tǒng)的工作流程具體為：

步驟一：機(jī)器人開機(jī)后系統(tǒng)初始化，轉(zhuǎn)臺2位置校零；

步驟二：轉(zhuǎn)臺2開始旋轉(zhuǎn)，所有超聲探頭同時(shí)觸發(fā)，并且計(jì)時(shí)開始，采樣開始；

步驟三：超聲控制單元3將接收到的所有超聲探頭的回波信號發(fā)送給掃描器控制單元6，轉(zhuǎn)臺控制單元5通過藍(lán)牙將轉(zhuǎn)臺2當(dāng)前時(shí)刻旋轉(zhuǎn)角度信息發(fā)送給掃描器控制單元6；

步驟四：掃描器控制單元6根據(jù)超聲探頭的回波信號計(jì)算出每個(gè)超聲探頭的障礙物距離信息，根據(jù)轉(zhuǎn)臺2角度信息計(jì)算得到所有超聲探頭的探頭角度信息，然后存儲當(dāng)前時(shí)刻信息、障礙物距離信息和探頭角度信息；

步驟五：在下一個(gè)采樣時(shí)刻重復(fù)步驟三～步驟四；

在上述過程中，每隔一定時(shí)間間隔掃描器控制單元6將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給機(jī)器人主控模塊7，其中，每一采樣時(shí)刻記錄的數(shù)據(jù)格式為：“時(shí)間序號：探頭序號：探頭角度：障礙物距離”，探頭序號為8位整型值，時(shí)間序號、探頭角度和障礙物距離均為64位整型值，即long類型值。如處理后發(fā)現(xiàn)某探頭探測范圍內(nèi)無障礙物，則障礙物距離信息記錄為全零。