一种自聚焦超声换能器、扫地机器人及声阻抗计算方法与流程

本发明涉及扫地机器人技术领域，具体涉及一种自聚焦超声换能器、扫地机器人及声阻抗计算方法。

背景技术：

扫地机器人由于其高效智能的清洁方式，越来越来在社会中普及。扫地机器人一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。此外，一些扫地机器人配有水箱，可完成擦地功能。清扫时，如果遇到地毯，将改变扫地机器人行走路径，避免其对地毯造成损坏。因此，需要对地毯等地面材质进行检测。

目前，现有技术中，扫地机器人的地毯检测方式为根据滚刷或电机的工作电流变化或内部声音特征来判断是否有地毯。专利zl201610765425.0与zl201910172819.9提出当扫地机器人在地毯材质上时，滚刷或电机的工作电流会增大，通过监控电流对地毯与非地毯情况进行判断。专利zl201810645504.7提出采集电机内部产生并经地面反射的声音进行分析，判断地面材质。但是当扫地机器人在受到非地毯物质带来的阻力时(如毛发的缠绕，边刷的阻挡，过障碍物等时)，会导致声音变化，引起误判。

因此，空气耦合超声换能器为解决此类问题提供了一个思路。现有针对空气耦合超声换能器的研究，例如专利zl201721476404.3提供了一种自聚焦超声换能器的结构，但是该专利利用压电陶瓷晶片作为振动元件，带宽较窄，同时属于脆弱易碎材料，需要经过精细加工才能制成曲面型达到聚焦作用。专利zl201811191335.0提供了一种基于点聚焦空气耦合超声换能器结构，该专利使用多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜作为振动元件，粘在弧形金属背衬上实现聚焦，但是金属背衬弧形表面是通过机床精细加工制得，制作难度高，不可设计。

因此，为实现对地面材质的检测，保证检测精度和提高检测效率，有必要研发一种自聚焦超声换能器及扫地机器人。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明目的之一在于提供一种结构合理，可装配于扫地机器人底部的自聚焦超声换能器。其采用如下技术方案：

一种自聚焦超声换能器，其包括：

支撑件，所述支撑件的底部设有凹球面，所述凹球面的周围围设有环形平面，所述支撑件的上端设有连接接头；

交联聚丙烯压电驻极体薄膜，所述交联聚丙烯压电驻极体薄膜的上下表面均印刷有导电银浆并覆在所述凹球面内；

屏蔽线，所述屏蔽线的一端与所述交联聚丙烯压电驻极体薄膜的下表面边缘连接，另一端与所述连接接头连接作为正极；

银膜，所述银层镀在所述支撑件表面，将所述交联聚丙烯压电驻极体薄膜的上表面与所述连接接头连接作为负极。

作为本发明的进一步改进，所述支撑件的侧壁设有固定缝，所述屏蔽线固定于所述固定缝。

作为本发明的进一步改进，所述支撑件外形为圆柱状，所述支撑件的半径为6mm，高度为20mm。

作为本发明的进一步改进，所述凹球面的曲率半径为10mm，开口半径为4mm。

作为本发明的进一步改进，所述支撑件的顶部设有固定所述连接接头的固定腔。

作为本发明的进一步改进，所述连接接头通过环氧胶水固定于所述固定腔。

作为本发明的进一步改进，所述支撑件内部设有与所述固定腔连通的中空腔。

作为本发明的进一步改进，所述连接接头为bnc接头或sma接头。

本发明目的之二在于提供一种扫地机器人，其包括以下技术方案：

一种扫地机器人，包括本体，所述本体底部装配有上述的自聚焦超声换能器。

本发明目的之三在于提供一种声阻抗计算方法，其包括以下技术方案：

一种声阻抗计算方法，应用于如权利要求1-8任一所述的自聚焦超声换能器，其特征在于，包括以下步骤：

s10、将采集到的时间——幅值信号转换为距离——幅值信号，选定i个距离间隔，取出间隔内的回波的极大值ai与对应传播距离di；

s20、对ai和di进行指数拟合，得到超声衰减公式y＝a·e^-β·d＝a·r·e^-α·d，并得到声压反射系数r＝e^(α-β)·d；其中，y为超声衰减系数，β为拟合所得的衰减系数，d为两次回波间的距离差，r为无量纲单位，α为换能器激发频率下空气中的衰减系数；

s30、根据声压反射系数公式得到其中，z1为空气声阻抗，z2为反射物声阻抗。

本发明的有益效果：

本发明自聚焦超声换能器可装配于扫地机器人底部，可实现声能量的自聚焦，并对反射物声阻进行识别检测，识别出反射物的不同材质，并根据不同材质控制机器人切换不同的工作模式。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明优选实施例中自聚焦超声换能器的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中支撑件的结构示意图；

图3是本发明优选实施例中扫地机器人的结构示意图；

图4是本发明优选实施例中超声换能器的信号传输示意图；

图5是本发明优选实施例中声阻抗计算方法的流程图；

图6(a-f)是本发明优选实施例中自聚焦超声换能器在不同材料上20mm处采集的反射信号示意图。

标记说明：10、支撑件；11、凹球面；12、环形平面；13、固定腔；14、中空腔；20、连接接头；30、交联聚丙烯压电驻极体薄膜；40、屏蔽线；50、银膜；100、自聚焦超声换能器；200、本体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明实施例中自聚焦超声换能器，其包括支撑件10、交联聚丙烯压电驻极体薄膜30、屏蔽线40和银膜50，支撑件10的上端设有连接接头20。

如图2所示，支撑件10的底部设有凹球面11，凹球面11的周围围设有环形平面12。

如图1所示，交联聚丙烯压电驻极体薄膜30的上下表面均印刷有导电银浆并覆在凹球面11内，屏蔽线40的一端与交联聚丙烯压电驻极体薄膜30的下表面边缘连接，另一端与连接接头20连接作为正极，银层镀在支撑件10表面，将交联聚丙烯压电驻极体薄膜30的上表面与连接接头20连接作为负极。

在其中一实施例中，支撑件10的侧壁设有固定缝，屏蔽线40固定于固定缝内，可以防止短路。

在其中一实施例中，支撑件10外形为圆柱状，支撑件10的半径为6mm，高度为20mm。凹球面11的曲率半径为10mm，开口半径为4mm。在本发明的其他实施例中，支撑件10和凹球面11的尺寸可以根据需要进行设置。

在本实施例中，支撑件10的顶部设有固定连接接头20的固定腔13，连接接头20通过环氧胶水固定于固定腔13。可以增加结构的稳定性。

在本实施例中，支撑件10内部设有与固定腔13连通的中空腔14，有利于减小重量，节省成本。

优选的，连接接头20为bnc接头或sma接头。

在本实施例中，支撑件10为3d打印件。

如图3所示，为本发明实施例中的扫地机器人，包括本体200，本体200底部装配有上述自聚焦超声换能器100，本体200内设有超声收发模块和微处理器，如图4所示，微处理器与超声收发模块连接并发送驱动信号，超声收发模块将驱动信号转化为100v高压尖脉冲并通过连接接头20传输至自聚焦超声换能器100。自聚焦超声换能器100激发并接收地面的反射回波。回波经超声收发模块接收、放大后传输回微处理器进行后续信号处理。

上述信号处理包括对反射物的声阻抗计算，如图5所示，本实施例中的声阻抗计算方法包括以下步骤：

s10、将采集到的时间——幅值信号转换为距离——幅值信号，选定i个距离间隔，取出间隔内的回波的极大值ai与对应传播距离di；具体的，通过公式d＝v·t将采集到的时间——幅值信号转换为距离——幅值信号，其中d为距离，单位为m；v为环境声速，单位为m/s；t为时间，单位为s。

s20、对ai和di进行指数拟合，得到超声衰减公式y＝a·e^-β·d＝a·r·e^-α·d，并得到声压反射系数r＝e^(α-β)·d；其中，y为超声衰减系数，β为拟合所得的衰减系数，单位为db/mm；d为两次回波间的距离差，单位为mm；r为无量纲单位；α为换能器激发频率下空气中的衰减系数，本实施例中为0.0016db/mm。

s30、根据声压反射系数公式得到其中，z1为空气声阻抗，本实施例为416rayl，z2为反射物声阻抗。在本实施例中，计算得到瓷砖、瓷砖带水渍、木地板、木地板带水渍、短毛毯的声阻抗如表1所示。

表1

图6(a-f)是本发明优选实施例中自聚焦超声换能器在不同材料上20mm处采集的反射信号示意图。从图6a到6f分别为瓷砖、瓷砖带水渍、木地板、木地板带水渍、短毛毯和长毛毯，其中，由于长毛毯只有一次反射回波，无法进行数据拟合，故无法计算其声阻抗，但可以通过回波数量对其进行识别。

为避免误差，故在微处理器中设定声阻范围并调整控制模块功能。当只有一次回波无法计算声阻抗时判定为长毛毯，改变扫地机器人前进方向，避免其上长毛毯造成损坏；z2＜3000时判定为短毛毯，关闭擦地功能，同时增大吸力，实现对短毛毯内杂物的有效清洁；3000≤z2＜4500时判定为木地板，切换为默认工作模式；r2≥4500时判定为瓷砖或地面上存在水渍，控制水箱出水量为2ml/s，避免在地面上遗留大量水渍造成湿滑。

本发明自聚焦超声换能器可装配于扫地机器人底部，可实现声能量的自聚焦，并对反射物声阻进行识别检测，识别出反射物的不同材质，并根据不同材质控制机器人切换不同的工作模式。

以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。