智能全向移动机器人超声避障系统及其应用的制作方法

本发明涉及一种智能全向移动机器人，特别是涉及一种智能全向移动机器人超声避障系统及其应用。

背景技术：

智能全向移动机器人实现自主避障功能的前提是能够感知周围环境，并根据环境信息实时调整和优化运行轨迹。感知周围环境需要用到各类传感器，并通过测量及分析传感器反馈数据实现。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在移动机器人避障系统中得到了实际应用。其中，超声波传感器则以其性价比高、硬件实现简单等优点得到更为广泛应用。但又因为超声波传感器自身存在的局限性，如波束角大、方向性差、测距不稳定(在非垂直的反射下)等，往往采用多个超声波传感器以阵列组合的方式使用，从而增强系统检测的准确度和可靠性。

目前针对传统移动机器人而言，运动方式主要为单向、双向两种，其转向功能(包括原地转向)的实现是利用移动机器人左右驱动轮的差速运动。所以传统移动机器人的运动过程中不会出现基于自身坐标的侧向、斜向动作，其超声波传感器阵列组合只需要安装在移动机器人前端(单向运动方式)或者前后两端(双向运动方式)即可。但是对于智能全向移动机器人来说，其运动方式灵活，可以实现前、后、侧向、斜向、旋转等动作，能够实现复杂运动轨迹规划，不局限于特定的运行路线。因此，超声避障系统急需针对智能全向移动机器人的运动特点进行优化布局，以保障智能全向移动机器人的安全应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种智能全向移动机器人超声避障系统及智能全向移动机器人，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一些实施例提供了一种智能全向移动机器人超声避障系统，其包括：多个超声波传感器和超声波传感器控制模块；其中，所述多个超声波传感器设置在智能全向移动机器人本体上并呈阵列式分布，所述多个超声波传感器设置与超声波传感器控制模块连接，所述超声波传感器控制模块与中央处理器连接。

在一些实施方式中，所述多个超声波传感器在所述机器人本体上的阵列分布方式包括单层环绕分布方式、多层环绕分布方式、多层表贴分布方式中的任一种或多种的组合。

进一步的，所述多个超声波传感器在所述机器人本体上的阵列分布方式满足使所述多个超声波传感器对智能全向移动机器人本体周围的三维空间进行无死角测量的要求。

进一步的，所述单层环绕分布方式为：使多个超声波传感器围绕所述机器人本体呈单层排列。

进一步的，所述多层环绕分布方式为：使多个超声波传感器围绕所述机器人本体呈两层以上排列。

进一步的，所述多层表贴分布方式为：至少使多个超声波传感器以多层排列方式设于所述机器人本体上端面。

在一些实施方式中，所述超声波传感器能够发送超声波束，并接收由障碍物反射的同一超声波束；所述超声波传感器控制模块能够测量和计算多个超声波传感器所发射超声波束的传播时间，从而获得与多个超声波束覆盖范围相应的障碍物确切距离值；所述中央处理器能够接收所述超声波传感器控制模块输出的多个障碍物确切距离值，且进行计算和分析，从而获得所述障碍物被测面的三维立体信息。

进一步的，所述中央处理器还能够依据所述超声避障系统的需求，将参数配置指令发送给所述超声波传感器控制模块。

本发明的一些实施例还提供了一种智能全向移动机器人，其包括智能全向移动机器人本体和所述的智能全向移动机器人超声避障系统，所述智能全向移动机器人至少能够实现单向、双向、转弯、侧向、斜向和旋转运动模式。

本发明的一些实施例还提供了一种智能全向移动机器人姿态矫正系统，其包括：

所述的智能全向移动机器人超声避障系统，以及

设置在所述智能全向移动机器人的运动空间内的位姿参考障碍物，所述位姿参考障碍物表面平整，且所述位姿参考障碍物按空间坐标系正向放置。

进一步的，在所述智能全向移动机器人本体姿态正常时，所述超声避障系统中选定的两个以上超声波传感器与所述位姿参考障碍物表面的距离相等。

本发明的一些实施例还提供了一种智能全向移动机器人的避障方法，其包括：

在智能全向移动机器人上设置所述的智能全向移动机器人超声避障系统；

以所述超声避障系统获得智能全向移动机器人在各种运动状态下的环境信息，判定障碍物位置，并将障碍物位置相关数据上传至中央处理器，由中央处理器实时分析所述数据并及时做出判断，从而优化智能全向移动机器人的路径轨迹，躲避障碍物。

本发明的一些实施例还提供了一种智能全向移动机器人姿态矫正方法，其包括：

在智能全向移动机器人上设置所述的智能全向移动机器人超声避障系统；

在所述智能全向移动机器人的运动空间内主动放置表面平整的位姿参考障碍物，且使所述位姿参考障碍物按空间坐标系正向放置；

使所述智能全向移动机器人向所述位姿参考障碍物靠近，并使所述超声避障系统工作；

以中央处理器监测所述超声避障系统中选定的两个以上超声波传感器对所述位姿参考障碍物表面的测量结果是否相同，来判断所述智能全向移动机器人本体当前姿态是否正常，若测量结果不同，表示所述智能全向移动机器人姿态存在偏差，则控制所述智能全向移动机器人纠偏，实现智能全向移动机器人的姿态识别及矫正；

其中，在所述智能全向移动机器人本体姿态正常时，所述选定的两个以上超声波传感器与所述位姿参考障碍物表面的距离相等。

与现有技术相比，本发明实施例提供的智能全向移动机器人超声避障系统是针对智能全向移动机器人运动特点而设计，能够使智能全向移动机器人获得各种运动状态下的环境信息，判定障碍物位置，同时还能利用智能全向移动机器人运动的灵活性，实现路径轨迹优化，躲避障碍物，保证其实际应用过程的安全性，此外还可以实现智能全向移动机器人的姿态识别及矫正。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中一种智能全向移动机器人超声避障系统的框架原理图。

图2是本发明一实施例中单个超声波传感器的测量范围等效图。

图3a是本发明一实施例中单层环绕分布的多个超声波传感器的俯视图；

图3b是本发明一实施例中单层环绕分布的多个超声波传感器的测量效果图(主视图)。

图4a是本发明一实施例中多层式环绕分布的多个超声波传感器的测量效果图(主视图)：

图4b是本发明一实施例中蜂窝式环绕分布的多个超声波传感器的测量效果图(主视图)。

图5是本发明一实施例中单层与多层混合环绕分布的多个超声波传感器的测量效果图(主视图)。

图6是本发明一实施例中多层表贴分布的多个超声波传感器的测量效果图(俯视图)。

具体实施方式

如前所述，鉴于现有技术的不足，本发明的发明人经长期研究和大量实践，得以提出一种智能全向移动机器人超声避障系统，其能够使智能全向移动机器人获得各种运动状态下的环境信息，判定障碍物位置，同时还能利用智能全向移动机器人运动的灵活性，实现路径轨迹优化，躲避障碍物，保证其实际应用过程的安全性，此外还可以实现智能全向移动机器人的姿态识别及矫正。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明一典型实施例中提供的一种智能全向移动机器人超声避障系统包括多个超声波传感器t00、...、t1f等以及超声波传感器控制模块2；该多个超声波传感器设置在智能全向移动机器人本体4(如下简称机器人本体)上并呈阵列式分布，所述多个超声波传感器设置与超声波传感器控制模块连接，所述超声波传感器控制模块与中央处理器3连接。

进一步的，所述智能全向移动机器人的主要特点是运动方式除了传统移动机器人(agv)的单向、双向、转弯运动以外，还可以利用驱动脚轮的控制策略实现侧向、斜向、旋转等运动。其中，所述驱动脚轮的主要作用是为智能全向移动机器人提供动力输出，通过运动学控制算法，能够实现机器人单向、双向、转弯、侧向、斜向、旋转等运动模式。所述驱动脚轮的类别包括但不限于主动式万向脚轮、麦克纳姆轮、舵轮等。例如，本实施例中可以选用主动式万向脚轮，但不限于此。

进一步的，所述超声波传感器可以采用本领域已知的类型，例如srf02超声波传感器、hy_srf05超声波传感器(daventech公司)等。每一超声波传感器能够发送超声波束，并接收通过障碍物反射回来的同一超声波束，进而利用超声波传感器控制模块可以获得在该超声波传感器所发射超声波束覆盖范围内障碍物的确切距离值，从而感知到超声波传感器附近的环境信息。例如，本实施例中可以选用srf02超声波传感器，但不限于此。一般而言，所述超声波传感器所发射的超声波束是以超声波传感器为中心呈锥形发散传播，角度越大测量精度越低，距离越远测量精度越低。

进一步的，所述超声波传感器控制模块能够测量和计算一个或多个超声波传感器所发射超声波束的传播时间(从发射到反射并被同一超声波传感器接受所经历的时间)，并将计算结果转化为障碍物距离值。此外，所述超声波传感器控制模块具有串口通讯功能，可以将所述的障碍物距离值输出。所述超声波传感器控制模块还可以通过无线通信等方式与超声波传感器、中央处理器等进行连接和信息传输。所述超声波传感器控制模块可以采用本领域已知的类型。例如本实施例采用的超声波传感器控制模块可以包括pic16f687(美国microchip公司)等，且不限于此。

进一步的，所述多个超声波传感器采用前述阵列分布方式，主要是为满足所述超声避障系统测量范围的全覆盖。其中，可以将单个超声波传感器及其测量范围等效成为一个具有中心点的正六边形，如图2所示。而根据前述的智能全向移动机器人的运动特点，即具有单向、双向、转弯、侧向、斜向、旋转等运动模式，可以使所述多个超声波传感器在机器人本体上以单层环绕分布、多层环绕分布、单层与多层混合环绕分布、多层表贴分布等方式设置。其中，通过使所述多个超声波传感器在所述机器人本体上阵列分布，可以使这些超声波传感器的测量范围覆盖机器人本体周围的三维空间，实现对智能全向移动机器人周围的三维空间的无死角测量。

其中，所述单层环绕分布方式是使多个超声波传感器围绕机器人本体呈单层排列，其整体俯视效果如图3a所示，同时其正面测量效果如图3b所示。所述单层环绕分布方式主要针对机器人本体高度较低的情形，例如所述机器人本体的高度值小于或等于单个超声波传感器的有效测量范围。请参阅图3a所示，在该实施方案中，可以将超声波传感器t00、t01、t02、t03、t04、t05、t06、t07、t08、t09、t0a、t0b、t0c、t0d、t0e、t0f作为一组，并与另外一组超声波传感器t10、t11、t12、t13、t14、t15、t16、t17、t18、t19、t1a、t1b、t1c、t1d、t1e、t1f以单层环绕分布方式安装于机器人本体上。

其中，所述多层环绕分布方式是使多个超声波传感器围绕机器人本体呈两层或两层以上排列，其具体分布方式包括但不限于多层式分布、蜂窝式分布(如图4b所示)等，而其正面测量效果可以分别参阅图4a、图4b所示。所述多层环绕分布方式主要是针对机器人本体高度较高的情形，在这种情况下若采用单层环绕分布方式则测量范围不足以全覆盖机器人本体高度范围内的障碍物检测。

其中，所述单层与多层混合环绕分布方式主要是针对机器人本体的高度尺寸在不同位置存在较大差异的情况，若采用单层环绕分布方式时超声避障系统能够全覆盖障碍物检测范围时，则采用单层环绕排列方式，否则便采用多层环绕排列方式。其正面测量效果如图5所示。

其中，所述多层表贴分布方式主要是将多个超声波传感器以多层排列的方式安装在机器人本体的上表面，主要作用是能够对机器人运行过程中，其所通过路径上方空间可能存在的障碍物进行检测，其整体俯视效果如图6所示。

进一步的，所述中央处理器主要是根据所述超声避障系统的工作需求，将参数配置指令发送给超声波传感器控制模块，并接收超声波传感器控制模块输出的障碍物距离值。由于超声避障系统采用了阵列分布方式，实现了避障空间测量的全覆盖，因此中央处理器通过对接收到的全部超声波传感器数值信息进行计算和分析后，能够获得障碍物被测面的三维立体信息。

前述参数配置指令涉及的参数包括但不限于如下参数中的一种或多种，例如：测量单位，如英寸、厘米或微秒；地址号，用来设定每个超声波传感器的编号；有效距离设定，用来设定最小或最大测量距离值。

本实施例中，通过将一定数量的超声波传感器以阵列分布方式安装于机器人本体，能够使机器人获得各种运动状态下的环境信息，判定障碍物位置，并将数据上传至中央处理器，中央处理器实时分析数据，及时做出判断，利用智能全向移动机器人运动的灵活性，实现路径轨迹优化，躲避障碍物，保证其实际应用过程的安全性。

进一步的，在本实施例中，还可利用超声避障系统实现智能全向移动机器人的姿态识别及矫正，其实现方式可以为：

在机器人运动空间内主动放置一块表面平整的位姿参考障碍物，障碍物按空间坐标系正向放置，当智能全向移动机器人靠近位姿参考障碍物时，中央处理器通过监测超声波传感器对参考障碍物表面的测量结果是否相同，来判断机器人本体当前姿态是否正常。若测量数据不同，表示机器人姿态存在偏差，则控制机器人纠偏，实现其姿态识别及矫正功能。

本实施例中的中央处理器可以采用本领域已知的类型，例如stm32f103c8t6(意法半导体公司)，但不限于此。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。