一种应用于机器人的超声3D扫描系统的制作方法

本发明涉及一种机器人避障扫描系统，尤其是涉及一种应用于机器人的超声3D扫描系统。

背景技术：

智能移动机器人是机器人的一个重要研究领域，避障是智能移动机器人最基本的功能。常见的移动机器人障碍物探测通常利用视觉传感器、红外传感器、激光传感器和超声波传感器实现。超声波传感器通过测量声源与障碍物之间的往返时间得到它们之间的距离。与红外传感器相比，超声波传感器不仅可以探测到障碍物的存在，而且能得到障碍物与机器人之间的距离，更便于机器人做出避障决策和决定行走路线。与视觉传感器相比，超声波传感器具有信息处理速度快、处理算法简单，不受光线条件限制等优点。与激光传感器相比，超声波传感器成本低、硬件实现简单，因此，超声波传感器作为一种典型的测距传感器，目前已广泛应用于移动机器人避障、定位、环境建模等领域。

为了实现避障，传感器必须能够探测到机器人周围的一个连续区域，区域越大，机器人对所在外部环境的认知就越多，更有利于其行走路径规划，区域如果不连续也容易出现死角，增大机器人发生碰撞的可能性。现有技术通常采用一组多个超声波传感器分布在机器人机身前半部分或四周，但是由于其发散角度一定，存在多个盲区，对于动态障碍物可能会出现探测不到的情况而导致机器人发生碰撞损坏。也有采用超声波传感器与其他传感器如红外传感器、视觉传感器等结合来使用，但存在成本较高、硬件及控制系统较复杂等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于机器人的超声3D扫描系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于机器人的超声3D扫描系统，用于采集机器人所处环境中的障碍物信息，该系统包括超声传感器组、转台、超声控制单元、电机组件、转台控制单元和扫描器控制单元，所述的超声传感器组包括多个超声探头，所述的超声探头均匀分布在转台外侧，所述的超声探头均连接至超声控制单元，所述的电机组件连接所述的转台，所述的转台控制单元连接所述的电机组件，所述的超声控制单元和转台控制单元均连接至扫描器控制单元，所述的扫描器控制单元连接至机器人主控模块；

扫描器控制单元给转台控制单元和超声控制单元发出工作指令，转台控制单元控制电机组件工作，电机组件带动转台进行旋转，超声控制单元控制超声传感器组中的超声探头进行障碍物检测并将检测的障碍物信息发送至扫描器控制单元，进而发送至机器人主控模块。

所述的转台为球状转台，所述的超声探头均匀分布在球状转台外表面。

所述的超声探头分布方式具体为：

以球状转台球心所在水平面为基准面，在该基准面上沿球状转台的四周均匀分布N个超声探头，所述的N个超声探头组成横向超声探头组，将所述的N个超声探头拓展到球状转台的不同高度，构成了M组纵向设置的纵向超声探头组，进而共有M×N个超声探头分布在球状转台外表面。

所述的超声探头包括发射器、接收器和触发控制器，所述的触发控制器的IO口连接超声控制单元，所述的触发控制器还连接所述的发射器和接收器；

各超声探头通过触发控制器的IO口触发测距方式测量与环境中的障碍物的距离，并将该距离作为障碍物信息发送至扫描器控制单元。

所述的电机组件包括转台电机、电机驱动器和编码器，所述的转台电机连接所述的转台，所述的转台电机还通过所述的编码器连接所述的转台控制单元，所述的转台控制单元通过所述的电机驱动器连接所述的转台电机；

转台控制单元接收编码器的指令进行解码，转换为控制电机运行的控制信号，电机驱动器根据控制信号驱动转台电机进行相应动作，进而进行转台水平方向360°旋转。

所述的超声控制单元和转台控制单元均通过蓝牙模块通信连接所述的扫描器控制单元。

所述的扫描器控制单元通过RS485串口通信连接所述的机器人主控模块。

该系统的工作流程具体为：

步骤一：机器人开机后系统初始化，转台位置校零；

步骤二：转台开始旋转，所有超声探头同时触发，并且计时开始，采样开始；

步骤三：超声控制单元将接收到的所有超声探头的回波信号发送给扫描器控制单元，转台控制单元通过蓝牙将转台当前时刻旋转角度信息发送给扫描器控制单元；

步骤四：扫描器控制单元根据超声探头的回波信号计算出每个超声探头的障碍物距离信息，根据转台角度信息计算得到所有超声探头的探头角度信息，然后存储当前时刻信息、障碍物距离信息和探头角度信息；

步骤五：在下一个采样时刻重复步骤三～步骤四；

在上述过程中，每隔一定时间间隔扫描器控制单元将存储的数据发送给机器人主控模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)采用转台外侧的超声传感器组实时探测机器人所处环境中的障碍物信息，为机器人进行室内3D建模提供有效信息，保证移动机器人及时快速避障和安全行走，成本较低、实时性高、灵活稳定、可靠性高；

(2)超声探头在转台外侧的分布方式实现了一定高度空间的横向360°无死角探测障碍物，在探头数量最少的情况下保证盲区最小，有效实现机器人所处环境中的障碍物信息的探测；

(3)超声探头通过IO口触发测距方式测量超声探头与障碍物之间距离的测量，实现障碍物的有效定位，提高机器人避障的可靠性。

附图说明

图1为本发明的超声3D扫描系统的原理框图；

图2为本发明超声探头排列示意俯视图；

图3为本发明超声探头排列示意侧视图；

图4为本发明超声3D扫描系统的障碍物探测范围示意图。

图中，1为超声传感器组，2为转台，3为超声控制单元，4为电机组件，5为转台控制单元，6为扫描器控制单元，7为机器人主控模块，41为转台电机，42为电机驱动器，43为编码器，8为蓝牙模块，9为RS485串口，10为电源管理模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种应用于机器人的超声3D扫描系统，用于采集机器人所处环境中的障碍物信息，该系统包括超声传感器组1、转台2、超声控制单元3、电机组件4、转台控制单元5和扫描器控制单元6，超声传感器组1包括多个超声探头，超声探头均匀分布在转台2外侧，超声探头均连接至超声控制单元3，电机组件4连接转台2，转台控制单元5连接电机组件4，超声控制单元3和转台控制单元5均连接至扫描器控制单元6，扫描器控制单元6连接至机器人主控模块7；扫描器控制单元6给转台控制单元5和超声控制单元3发出工作指令，转台控制单元5控制电机组件4工作，电机组件4带动转台2进行旋转，超声控制单元3控制超声传感器组1中的超声探头进行障碍物检测并将检测的障碍物信息发送至扫描器控制单元6，进而发送至机器人主控模块7。超声控制单元3和转台控制单元5均通过蓝牙模块8通信连接扫描器控制单元6。扫描器控制单元6通过RS485串口9通信连接机器人主控模块7。超声控制单元3、转台控制单元5和扫描器控制单元6均设置电源管理模块10。

本实施例中，转台2为球状转台，超声探头均匀分布在球状转台外表面。超声探头分布方式具体为：以球状转台球心所在水平面为基准面，在该基准面上沿球状转台的四周均匀分布N个超声探头，N个超声探头组成横向超声探头组，将N个超声探头拓展到球状转台的不同高度，构成了M组纵向设置的纵向超声探头组，进而共有M×N个超声探头分布在球状转台外表面。如图2所示为超声探头排列示意俯视图，图中画出了基准面上的N个超声探头，N个超声探头形成半径为R_H的圆周，N个超声探头记作超声探头11、超声探头12、超声探头13……、超声探头1N，同理第M组纵向设置的纵向超声探头组记作超声探头M1、超声探头M2、超声探头M3……、超声探头MN。本实施例中设置了3组纵向设置的纵向超声探头组，即上述M＝3，因此图3为本发明超声探头排列示意侧视图。

超声探头包括发射器、接收器和触发控制器，触发控制器的IO口连接超声控制单元3，触发控制器还连接发射器和接收器；各超声探头通过触发控制器的IO口触发测距方式测量与环境中的障碍物的距离，并将该距离作为障碍物信息发送至扫描器控制单元6。超声控制单元3给出最少10μs的高电平信号，探头自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回，当检测到有信号返回时，通过IO口输出一个高电平给超声控制单元3，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间t。扫描器控制单元6中的计算处理模块可根据t计算出障碍物的距离s，s＝vt/2，其中v为声波在空气中的传播速度。

电机组件4包括转台电机41、电机驱动器42和编码器43，转台电机41连接转台2，转台电机41还通过编码器43连接转台控制单元5，转台控制单元5通过电机驱动器42连接转台电机41；转台控制单元5接收编码器43的指令进行解码，转换为控制电机运行的控制信号，电机驱动器42根据控制信号驱动转台电机41进行相应动作，进而进行转台2水平方向360°旋转。机器人周围一定范围内动态360°无死角探测是通过转台2旋转及超声探头分布来实现的，因此转台2需要进行水平360°旋转。

机器人纵向区域的扫描结构依靠纵向探头间形成一定夹角实现，由于纵向探头不扫描，所以纵向盲区在机器人初始位置时存在。依靠此结构，机器人在行走过程中可以360°无死角静态避障，但若遇到动态障碍物，障碍物也可能进入该盲区，检测不出来。横向通过转台2水平360°旋转及超声探头分布可实现机器人周围s_max距离范围内动态360°无死角探测扫描，为机器人实现对动态障碍的有效避让及地图构建提供有效信息，s_max取决于所采用的超声探头最大探测距离。

综上所述，本发明超声3D扫描系统的障碍物探测范围如附图4所示，图4(a)为水平探测范围，图4(b)为垂直探测范围，阴影部分为有效探测范围，图4(b)中H为超声探头纵向区域的扫描的高度。

该系统的工作流程具体为：

步骤一：机器人开机后系统初始化，转台2位置校零；

步骤二：转台2开始旋转，所有超声探头同时触发，并且计时开始，采样开始；

步骤三：超声控制单元3将接收到的所有超声探头的回波信号发送给扫描器控制单元6，转台控制单元5通过蓝牙将转台2当前时刻旋转角度信息发送给扫描器控制单元6；

步骤四：扫描器控制单元6根据超声探头的回波信号计算出每个超声探头的障碍物距离信息，根据转台2角度信息计算得到所有超声探头的探头角度信息，然后存储当前时刻信息、障碍物距离信息和探头角度信息；

步骤五：在下一个采样时刻重复步骤三～步骤四；

在上述过程中，每隔一定时间间隔扫描器控制单元6将存储的数据发送给机器人主控模块7，其中，每一采样时刻记录的数据格式为：“时间序号：探头序号：探头角度：障碍物距离”，探头序号为8位整型值，时间序号、探头角度和障碍物距离均为64位整型值，即long类型值。如处理后发现某探头探测范围内无障碍物，则障碍物距离信息记录为全零。