一种复合障碍物扫描仪及其扫描方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及定位导航技术和机器人领域，尤其是涉及一种复合障碍物扫描仪及其 扫描方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们在日常生活中，对智能设备的要求 也越来越高。机器人作为协助或者替代人类工作的智能机器，早已广泛地应用于工业生产 领域；近年来，有些服务机器人甚至已经进入到人们的家庭中，为人们的生活提供便利。
[0003] 服务机器人行业在最近几年内发展迅猛，出现了如娱乐休闲机器人、残障辅助机 器人、专业清洁机器人、物流用途机器人等颇具新颖性和实用性的服务机器人，改善了人们 的生活。目前，尽管机器人行业发展进步明显，但是现有的可移动的机器人存在一个技术瓶 颈，就是定位导航问题。现有的机器人定位导航技术主要有以下几种：1、基于碰撞式的接触 导航方法；这种方法将碰撞传感器安装到机器人中，当机器人发生碰撞时，碰撞传感器会获 得信号，并将信号传送给机器人主体，从而改变机器人的行驶路径；这种方法中，机器人需 要被物体碰撞后才能感知障碍物，容易损坏一些易碎物品，并且不够智能；2、基于全局GPS 的导航方法；如文献CN102478657A公开了一种自助导航机器人系统，通过接收GPS信号， 对机器人提供导航信息，实现对机器人的运行控制；在此系统中，GPS虽然可以提供机器人 的详细位置信息，但是却无法判定机器人行径路上的障碍物(如石头、树木等)，因而无法让 机器人绕过障碍前行；3、基于超声波传感器、红外线传感器或激光传感器的导航方法；如 文献CN104536447A公开了一种室内机器人导航装置，通过发射和接收超声波的信号来测 量机器人与障碍物之间的距离，从而判断障碍物所在位置，并采取规避措施对障碍物进行 避让。
[0004] 目前，在室内的环境中，如果采用超声波对机器人进行定位，能使定位精度达到一 个很高的水平，但超声波定位技术仍然存在以下两方面的问题： 一、 在机器人行走路径上扫描障碍物方面；如文献CN104536447A所公开的一种室内 机器人导航装置，依旧存在以下几点缺陷：1、没有办法辨别障碍物的大小；在使用机器人 时，如果前方的障碍物过小，则不会对机器人造成障碍，而文献CN104536447A中所述的方 法无法辨别障碍物大小，导致机器人遇到微小物件也会将其作为障碍物绕开，做了许多无 用功；2、没有办法辨别障碍物是否是人；通常，在室内使用机器人时，无法避免的会遇到人 和物品，而人一般是移动的，物品一般是固定的，机器人规避人和物体所采用的方式应该是 不尽相同的，文献CN104536447A中所述的方法无法辨别障碍物是否是人，导致机器人在 遇到人时依旧采用固有的规避方法，很有可能无法正确地避开人，从而发生机器人与人之 间的碰撞； 二、在定位超声波路径方面；首先需要一个光速级的同步信号(如无线信号）来实现测 距时间上的同步，然后通过收到的超声波信标的数据解算出机器人当前的位置情况。而在 通常的使用过程中，机器人与超声波信标之间通常会存在有障碍物，使得超声波在传输过 程中遇到阻碍，但是这种方式会导致在解算机器人当前位置时，数据存在一定的偏差；因 而，当机器人与超声波信标之间存在障碍物时，需要系统内另外一个超声波信标对机器人 进行定位；在实现超声波信标之间的调换前，必须借助一种扫描仪，用于判定障碍物的大小 及障碍物是否是人，因为在调换时，障碍物如果过小，则不会影响超声波的传输，障碍物如 果是会运动的人，机器人的避让办法可以为等待或者打招呼请其离开，与避让固定物体的 方法不一致。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是，克服现有技术的上述不足，而提供一种复合障碍物扫描仪及其 扫描方法，具有能识别障碍物和障碍物的大小和能判定障碍物是否为人的特点。
[0006] 本发明的技术方案是：一种复合障碍物扫描仪，包括同步旋转系统和控制处理系 统；其中： 同步旋转系统包括复合传感器座、伺服电机、支架、旋转编码器和旋转搭载头；伺服电 机安装在支架上；复合传感器座通过旋转搭载头安装在伺服电机的上端，伺服电机的下端 安装有独立的旋转编码器；复合传感器座上安装有超声波收发传感器和人体感应传感器。
[0007] 控制处理系统包括：伺服电机驱动模块、障碍物扫描主控模块和总线；伺服电机 驱动模块与伺服电机连接，用于控制伺服电机的旋转角度；障碍扫描主控模块分别与复合 传感器座、伺服电机驱动模块、旋转编码器及总线连接，用于主动控制，还用于处理数据；总 线用于收发数据； 超声波收发传感器和人体感应传感器将获取的信息数据集成到复合传感器座上，传输 给障碍物扫描主控模块。
[0008] 进一步地，所述超声波收发传感器的前端安装吸音管，吸音管用于收窄超声波接 收的角度；在使用超声波对障碍物进行探测与扫描时，超声波的能量是扩散的，吸音管通过 收窄超声波接收的角度，将超声波收发的能量集中超声波感应中轴线上，从而更好地提高 检测的效果。
[0009] 进一步地，所述旋转编码器为绝对编码器。原因在于：绝对编码器会由机械位置来 决定每个位置的唯一性，具有无需记忆、无需找参考点、随时读取位置信息的特点；在本发 明实施过程中需要根据用户的输入而改变角度，因而最优选择绝对编码器。
[0010] 进一步地，所述超声波收发传感器包括：超声波信号放大器和超声波信号收发器； 其中： 超声波信号放大器用于对超声波信号进行放大； 超声波信号收发器用于发送和接收超声波； 在需要发射和接收超声波时，通过超声波信号收发器，使超声波收发传感器对外发射 超声波信号，此时，超声波信号放大器会对超声波信号进行放大，当超声波信号遇到障碍物 反射回来时，被超声波收发器接收后，再被超声波信号放大器放大。
[0011] 进一步地，所述障碍物扫描主控模块包括单片机主控模块和超声波测距模块；其 中： 单片机主控模块用于控制伺服电机驱动模块、超声波信号收发器；单片机主控模块接 收到总线发出的数据后，会根据数据控制伺服电机驱动模块和超声波信号收发器，完成自 动控制； 超声波测距模块用于处理旋转编码器和复合传感器座所反馈的数据，并判断机器人在 指定角度的前方有无障碍物、障碍物大小以及障碍物是否是人；超声波测距模块通过接收 旋转编码器和复合传感器座所反馈的数据，并对数据进行处理，可以实现判断机器人在指 定角度的前方有无障碍物、机器人与障碍物之间的距离、障碍物大小以及障碍物是否是人 的功能，其原理在于： 1、 判断有无障碍物：超声波在遇到障碍物时会发生反射； 2、 判断机器人与障碍物之间的距离：超声波在遇到障碍物时发生发射，反射超声波与 原超声波之间存在一定的时间差，通过该时间差可以计算出机器人与障碍物之间的距离； 3、 判断障碍物的大小：超声波在扫描到障碍物时发生发射，反射超声波在超声波传感 器与障碍物在不同角度时反射的能量强度上存在一定的差别，在扫描过程中，通过超声波 能量强度的变化量可以判断物体大小； 4、 判断障碍物是否是人：人体本身会发射出一定波长的红外线，人体感应传感器根据 这一特性，接收障碍物所发射出的红外线，如果该红外线为人体的红外线频谱，则人体感应 器会发出数据，说明障碍物为人；如果该红外线在人体的红外线频谱范围外，则人体感应器 会发出数据，说明障碍物不是人。
[0012] 进一步地，所述总线为CAN总线。
[0013] 更进一步地，一种所述复合障碍物扫描仪的扫描方法，其特征在于：包括以下步 骤： 步骤一、由总线接收外部来的指令，并把指令传给障碍物扫描主控模块中的单片机主 控模块； 步骤二、单片机主控模块判定指令是否有效；如无效，则直接丢弃；如有效，将对指令 进行分解，从中获取到扫描角度范围信息； 步骤三、根据指令需要测试的角度和角度范围，单片机主控模块控制伺服电机驱动模 块，带动伺服电机在指令的角度范围内摆动，与伺服电机同轴的绝对编码器同步反馈摆动 到的角度；同时，单片机主控模块控制超声波信号发射器驱动超声波收发传感器；在此过 程中，单片机主控模块将指令需要的角度范围分解为N个点（N由单片机主控模块指定，与 伺服电机的转速、扫描角度范围相关)，伺服电机将分别在这些点停顿一定时间，复合传感 器座上的超声波收发传感器和人体感应传感器将在这些停顿点进行测试，获取到这些点中 的数据(超声波返回时间及强度)，这N个测试点的数据依次串起就是扫描的数据； 步骤四、超声波收发传感器、人体感应传感器和旋转编码器采集数据，将数据集合成扫 描数据反馈给障碍物扫描主控模块中的超声波测距模块； 步骤五、超声波测距模块对扫描数据进行处理，确定在指定的角度上有无障碍物、障碍 物大小及障碍物是否是人； 步骤六、障碍物扫描主控模块将最终的判定结果通过总线向外发送：如果没有障碍物， 则发送申请角度无障碍物的数据信号；如果有障碍物，则发送该点上障碍物的大小、距离多 少、障碍物是否是人的数据信号。
[0014] 本发明与现有技术相比具有如下特点： 1、能检测有没有障碍物和识别障碍物的大小；通过扫描和数据处理，能够计算出障碍 物是否存在以及障碍物的大小。机器人通过本发明能够更好地选择使用障碍物处理机制。 如应用于机器人行走道路上障碍物的扫描时，可根据障碍物大小选择是停止等待还时绕 行。如应用于定位超声波路径扫描时，可针