基于多红外的机器人避障装置、其控制方法及机器人沿边控制方法与流程

本发明属于自主行动机器人技术领域，具体涉及基于多红外的机器人避障装置、其控制方法及机器人沿边控制方法。

背景技术：

随着技术发展和人们对舒适生活的追求，自主行动机器人越来越多进入到人们生活当中，如陪伴机器人、扫地机器人等。机器人的基本功能是环境感知、指令接收和行为控制。机器人难点首先是环境的感知，机器人需要知道哪些地方可以去，前面有哪些障碍物，侧面是否是墙等等。环境的感知依赖于各种传感器数据的获取，目前常见的传感器包括：红外光强传感器、红外测距传感器、超声波传感器、视觉传感器、激光传感器等等。

参见图1所示，以智能扫地机器人为例，其一般包括机体1、行动轮2和3、控制模块4及避障装置，其中，避障装置包括碰撞检测单元5和防跌落检测单元6-11，碰撞检测单元5设置于机器人前端，用于行进过程中的碰撞检测；防跌落检测单元6-11设置于机器人下方边缘，用于台阶等防跌落检测。控制模块4用于接收指令信号或采集信号，进行数据分析处理及控制信号的生成。

其中，碰撞检测单元和防跌落检测单元的实现方式有多种。从精度上看，红外测距传感器、超声波传感器、激光传感器都可以获得比较高的精度，但是成本比较高，同时除了激光传感器外覆盖的角度比较小，需要比较多的数目才能够减小检测的盲区，而激光传感器主要感知一个很窄的二维平面，垂直方向存在盲区。视觉传感器如果需要做到测距，则需要至少两个摄像头，成本比较高，精度欠佳，模具上也需要专门的孔洞来放置。从成本上和外观考虑，红外光强传感器无疑是最为便宜和应用最广的，但目前的用法都是基于单光强检测，不同的材质对红外的发射不同，导致对障碍物的适应性比较差。

现有的红外强度检测单元如图2所示，其包括模具结构件101、红外发射管102和红外接收管103。模具结构件101作为承载机构，用来固定和隔离红外发射管和接收管，红外发射管102和红外接收管103呈相交角度地设置于模具结构件101上。图2中，104表示红外发射管的发光范围，两根实线内是其发射角；105表示红外接收管的接收范围，两根实线内是接受角；106表示红外发射管的中心线；107表示红外接收管的中心线；108表示红外发射和接收中心线的夹角；111表示靠近发射接收的平面；112表示红外发射和接收中心线相交的平面，也是接收最强烈的平面；113表示远离发射和接收的平面；121表示红外接收信号和距离的曲线，横坐标是对应于发射强度，纵坐标对应于和发射接收平面的距离，强度的峰值对应到112平面；122表示障碍物反射比较弱时，接收到的光强比较弱123表示障碍物反射偏中性时，接收到的光强在中间；124表示障碍物反射比较强时，接收到的光强也比较强。

上述现有红外强度检测单元的主要缺陷在于：只能够感应到一个曲线的信号，接收最强的平面是发射和接收中心线的交叉点平面112，从远到近，越靠近交叉点，值越大，但是过了交叉点，越靠近机器，数值越小。应用时，需要避免机器人太靠近障碍物，同时，不同的障碍物反射红外强度不同，应用时最近的阈值不能设置太小。应用到障碍物检测时，用传统的方法经常会遇到检测距离不准，有些低反射差的障碍物不能检测到。应用到跌落检测时，如果遇到了颜色深的地毯，发射回来的值很小，但是如果遇到反射比较强的台阶，10厘米的高度的检测值和深颜色的地毯数值差不多，不能够很好的区分出跌落来。图2中右侧对应于不同的反射面，反射的最大值位置不变，但是强度信息差别比较大。

技术实现要素：

本发明旨在用多红外检测的方式，精确计算出障碍物距离，提升机器人的检测精度，降低误判断，相比其他能够实现相同精度的方案，大大降低成本。此外，应用本发明装置做沿边行为时，可以克服不同墙面材料带来的红外反射不一致的问题，提升机器人沿边效果。本发明由以下技术方案实现：

一种基于多红外的机器人避障装置，包括至少一个红外强度检测单元，所述红外强度检测单元包括承载机构、红外发射管及红外接收管，红外发射管和红外接收管彼此呈夹角地设置于所述承载机构上；其特征在于：所述红外发射管为至少两个，各红外发射管与其红外接收管中心线交叉点分别位于不同的平面上。

作为具体的技术方案，所述各红外发射管与其红外接收管中心线交叉点分别位于不同的平面上的实现方式为：设置各红外发射管与其红外接收管的夹角不同或距离不同。

作为具体的技术方案，所述红外接收管为一个，所述红外发射管包括第一红外发射管和第二红外发射管，第一红外发射管与红外接收管中心线交叉点所在平面和第二红外发射管与红外接收管中心线交叉点所在平面之间的距离为ds。

作为具体的技术方案，所述红外接收管设置于承载机构感测位中心线上，所述第一红外发射管和第二红外发射管分别设置于该红外接收管的两侧。

作为具体的技术方案，所述红外接收管包括第一红外接收管和第二红外接收管，所述红外发射管包括第一红外发射管和第二红外发射管，第二红外发射管和第二红外接收管分别设置于承载机构感测位中心线两侧，第一红外发射管设置于第二红外发射管的外侧，第一红外接收管设置于第二红外接收管的外侧；第一红外发射管与第一红外接收管中心线交叉点所在平面和第二红外发射管与第二红外接收管中心线交叉点所在平面之间的距离为ds。

作为具体的技术方案，所述第一红外接收管和第二红外接收管分别与所述感测位中心线平行或呈锐角夹角。

作为具体的技术方案，所述红外强度检测单元被用作障碍物检测时所述距离ds设置的数值大于所述红外强度检测单元被用作防跌落检测时所述距离ds设置的数值。

一种上述基于多红外的机器人避障装置的控制方法，其特征在于，包括：

a、通过若干重复的控制周期实现对第一红外发射管和第二红外发射管的启闭控制及采集红外接收管接收信号的控制，每一个控制周期的脉冲时序如下：

(1)在t0时刻之前，控制第一红外发射管和第二红外发射管关闭；

(2)t0时刻，采集红外管接收到的环境光强度w0，随后控制第一红外发射管开启；

(3)t1时刻，采集红外接收管接收的来自于第一红外发射管和环境光信号的强度w1，随后控制第一红外发射管关闭、第二红外发射管开启；

(4)t2时刻，采集红外接收管接收的来自于第二红外发射管和环境光信号的强度w2，随后关闭第一和第二个红外发射管；

(5)t3时刻，进入下一个采集周期；

b、计算红外接收管接收的来自于第一红外发射管的有效光信号强度w1s＝w1-w0；计算红外接收管接收的来自于第二红外发射管的有效光信号强度w2s＝w2-w0。

一种上述避障装置控制方法的机器人沿边控制方法，其特征在于，包括：当机器人逐渐靠近所述边时，比较w1s和w2s并相应执行以下步骤：w1s大于w2s时，控制机器人渐进式靠边，靠边过程中继续比较w1s和w2s；w1s小于w2s时，控制机器人渐进式远离边，远离边的过程中检测w1s是否开始变小，是则控制机器人渐进式靠边并继续比较w1s和w2s，否则继续控制机器人渐进式远离边；w1s等于w2s时，控制机器人维持原有方向。

一种上述避障装置控制方法的机器人沿边控制方法，其特征在于，包括：当机器人逐渐靠近所述边时，比较w1s和w2s并相应执行以下步骤：w1s大于w2s时，控制机器人渐进式靠边，靠边过程中继续比较w1s和w2s；w1s小于w2s时，控制机器人渐进式远离边，远离边的过程中继续比较w1s和w2s；w1s等于w2s时，控制机器人维持原有方向。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：用低成本的红外部件，利用相对值实现准确的距离测量，解决不同反射面带来的相同距离接收强度不同的问题；反射比较差的物体也可以通过红外的方式检测到，机器人感知能力获得很大提升；深色地毯、地面和台阶可以精确检测到，减少误判断；用本发明检测距离的方法，做沿边时，可以客服不同的红外反射特性的墙面，做到比较一致的离墙距离。

附图说明

图1为智能机器人的构造示意图。

图2为现有智能机器人上使用的红外强度检测单元的构造示意图。

图3为本发明本实施例一提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元的构造示意图。

图4为本发明本实施例一提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元的控制时序图。

图5为基于本发明本实施例一提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元控制机器人沿边行为的控制方法1的效果图。

图6为基于本发明本实施例一提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元控制机器人沿边行为的控制方法2的效果图。

图7为本发明本实施例一提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元作为防跌落检测应用时的尺寸设计示意图。

图8为本发明本实施例二提供的多红外的机器人避障装置中红外强度检测单元的构造示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例一

参见图1所示，本发明所基于的机器人包括机体1、行动轮2和3、控制模块4及避障装置，其中，避障装置包括碰撞检测单元5和防跌落检测单元6-11，碰撞检测单元5设置于机器人前端，用于行进过程中的碰撞检测；防跌落检测单元6-11设置于机器人下方边缘，用于台阶等防跌落检测。控制模块4用于接收指令信号或采集信号，进行数据分析处理及控制信号的生成。障碍物检测和跌落检测的个数根据需要而定，一般障碍物检测会有6组，分布在机器的前方，跌落检测也有6组，均匀分布在机器外圈。当然，智能机器人不排除还可以包括其他的机构和功能模块。

实施例一

如图3所示，实施例一提供的基于多红外的机器人避障装置，包括至少一个红外强度检测单元，红外强度检测单元包括承载机构(图3中未示，结合图5)、第一红外发射管e1、第二红外发射管e2及红外接收管d。红外接收管d设置于承载机构感测位中心线上；第一红外发射管e1和第二红外发射管e2分别设置于红外接收管d两侧，第一红外发射管与红外接收管中心线交叉点所在平面和第二红外发射管与红外接收管中心线交叉点所在平面之间的距离为ds。

图3中，201表示第二红外发射管e2和红外接收管d中心线交叉点所在平面；202表示第一红外发射管e1和红外接收管d中心线交叉点所在平面；203表示远离红外发射接收区域的平面；204表示红外发射管e2和红外接收管d的中心线的交点；205表示红外发射管e1和红外接收管d的中心线的交点；206表示红外接收信号和距离的曲线，横坐标是对应于发射强度，纵坐标对应于和发射接收平面的距离，其中e2的峰值对应e2和接收平面中心线的交点，e1的峰值对应与e1和接收平面中心线的交点；207表示第二红外发射管e2距离信号接收曲线；208表示第一红外发射管e1距离信号接收曲线。

相比常规的用法，本实施例一增加了至少一个红外发射管，红外接收管放置在中间，左右放置两个发射管，两个发射管距离接收管的距离不同，交叉角也不同，使他们与接收的直线交点平面相差一个距离ds。应用于前障碍物检测时，ds的一般取5cm，应用与跌落检测时，ds一般取3cm。通过电路板数的设置，两个发射管的发射功率做成接近，接收管接收到的信号和距离就有图3右边的关系。当装置离障碍物比较远时，e2发射的信号由于和接收管垂直位置没有了交叉，几乎收不到e2的信号，e1和垂直线有交叉，远处还可以收到微弱信号。随着障碍物越来越近，e1的信号越来越强，逐渐达到了峰值，e2在此过程中，慢慢也有了信号，也是逐渐增大，但是e2的信号一直比e1小。障碍物继续靠近时，e1与接收管垂直面相交的区域越来越来越小，而e2与接收管相交的面积越来越大，e1信号逐渐变小，e2信号逐渐变大，到了a点时，e2信号超过了e1。这个a点，是由e1和e2信号接受相对值决定的，不依赖与信号的强度，这样就消除了不同反射面的影响。

为了实现多红外检测的功能，需要做相应的时序控制方法，如图4所示，图中画了两个发射管控制的时序，上部分是e1的控制，下部分是e2的控制。通过若干重复的控制周期实现对第一红外发射管和第二红外发射管的启闭控制及采集红外接收管接收信号的控制，每一个控制周期的脉冲时序如下：

(1)在t0时刻之前，控制第一红外发射管和第二红外发射管关闭；

(2)t0时刻，采集红外管接收到的环境光强度w0，随后控制第一红外发射管开启；

(3)t1时刻，采集红外接收管接收的来自于第一红外发射管和环境光信号的强度w1，随后控制第一红外发射管关闭、第二红外发射管开启；

(4)t2时刻，采集红外接收管接收的来自于第二红外发射管和环境光信号的强度w2，随后关闭第一和第二个红外发射管；

(5)t3时刻，进入下一个采集周期；

之后，计算红外接收管接收的来自于第一红外发射管的有效光信号强度w1s＝w1-w0；计算红外接收管接收的来自于第二红外发射管的有效光信号强度w2s＝w2-w0。

本实施例还提供两种上述避障装置控制方法的机器人沿边控制方法。

方法1包括：当机器人逐渐靠近所述边时，比较w1s和w2s并相应执行以下步骤：w1s大于w2s时，控制机器人渐进式靠边，靠边过程中继续比较w1s和w2s；w1s小于w2s时，控制机器人渐进式远离边，远离边的过程中检测w1s是否开始变小，是则控制机器人渐进式靠边并继续比较w1s和w2s，否则继续控制机器人渐进式远离边；w1s等于w2s时，控制机器人维持原有方向。参见图5所示，其中，501为所述的边(一般为墙面等)，502表示两个红外发射管光交叉的位置距离，503表示远信号的峰值距离，503表示机器人运行轨迹。当机器人开始行走时，没有到502的距离，此时w1s大于w2s，机器人往墙靠近，当走到c点时，w1s小于w2s，此时机器人往外拐，到了b点，碰到w1s信号开始变小，机器人改为往里面拐。通过这两个距离信号，可以让机器人在一个很窄的距离范围内，沿着墙面行走。

方法2包括：当机器人逐渐靠近所述边时，比较w1s和w2s并相应执行以下步骤：w1s大于w2s时，控制机器人渐进式靠边，靠边过程中继续比较w1s和w2s；w1s小于w2s时，控制机器人渐进式远离边，远离边的过程中继续比较w1s和w2s；w1s等于w2s时，控制机器人维持原有方向。参见图6所示，如果沿边需要减少机器人扭动时，机器人完全按照502光强交叉的距离来纠正机器人拐的方向。当w1s大于w2s时，机器人往墙面拐，当w1s小于w2s时，机器人往外拐，如果两者相同，则维持原有方向。

如图7作为一个跌落检测的实施例，两侧的发射管距离分别为2.5cm、1.5cm，e1的最大值在7.5cm处，e2的最大值在2.5cm处，e1和e2相交点在4.5cm处。最终这个参数下，能够检测到的最准确的高度是4.5cm。

实施例二

多红外检测按照上述的原理，还可以有其他的结构，如图8所示。e1和e2不共用一个接收管，而是分开两个接收管，接收管不垂直于感测平面。e1和d1配对，形成的交点在306平面；e2和d2配对，形成的交点在305平面。信号的处理方法和上面讲述的方法类似。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡是基于本发明主旨且未经创造性劳动即可获得的等效技术特征的替换，应当属于发明所涵盖的范围。