本發(fā)明涉及一種機器人避障掃描系統(tǒng)，尤其是涉及一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

智能移動機器人是機器人的一個重要研究領(lǐng)域，避障是智能移動機器人最基本的功能。常見的移動機器人障礙物探測通常利用視覺傳感器、紅外傳感器、激光傳感器和超聲波傳感器實現(xiàn)。超聲波傳感器通過測量聲源與障礙物之間的往返時間得到它們之間的距離。與紅外傳感器相比，超聲波傳感器不僅可以探測到障礙物的存在，而且能得到障礙物與機器人之間的距離，更便于機器人做出避障決策和決定行走路線。與視覺傳感器相比，超聲波傳感器具有信息處理速度快、處理算法簡單，不受光線條件限制等優(yōu)點。與激光傳感器相比，超聲波傳感器成本低、硬件實現(xiàn)簡單，因此，超聲波傳感器作為一種典型的測距傳感器，目前已廣泛應(yīng)用于移動機器人避障、定位、環(huán)境建模等領(lǐng)域。

為了實現(xiàn)避障，傳感器必須能夠探測到機器人周圍的一個連續(xù)區(qū)域，區(qū)域越大，機器人對所在外部環(huán)境的認知就越多，更有利于其行走路徑規(guī)劃，區(qū)域如果不連續(xù)也容易出現(xiàn)死角，增大機器人發(fā)生碰撞的可能性?，F(xiàn)有技術(shù)通常采用一組多個超聲波傳感器分布在機器人機身前半部分或四周，但是由于其發(fā)散角度一定，存在多個盲區(qū)，對于動態(tài)障礙物可能會出現(xiàn)探測不到的情況而導(dǎo)致機器人發(fā)生碰撞損壞。也有采用超聲波傳感器與其他傳感器如紅外傳感器、視覺傳感器等結(jié)合來使用，但存在成本較高、硬件及控制系統(tǒng)較復(fù)雜等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描系統(tǒng)，用于采集機器人所處環(huán)境中的障礙物信息，該系統(tǒng)包括超聲傳感器組、轉(zhuǎn)臺、超聲控制單元、電機組件、轉(zhuǎn)臺控制單元和掃描器控制單元，所述的超聲傳感器組包括多個超聲探頭，所述的超聲探頭均勻分布在轉(zhuǎn)臺外側(cè)，所述的超聲探頭均連接至超聲控制單元，所述的電機組件連接所述的轉(zhuǎn)臺，所述的轉(zhuǎn)臺控制單元連接所述的電機組件，所述的超聲控制單元和轉(zhuǎn)臺控制單元均連接至掃描器控制單元，所述的掃描器控制單元連接至機器人主控模塊；

掃描器控制單元給轉(zhuǎn)臺控制單元和超聲控制單元發(fā)出工作指令，轉(zhuǎn)臺控制單元控制電機組件工作，電機組件帶動轉(zhuǎn)臺進行旋轉(zhuǎn)，超聲控制單元控制超聲傳感器組中的超聲探頭進行障礙物檢測并將檢測的障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元，進而發(fā)送至機器人主控模塊。

所述的轉(zhuǎn)臺為球狀轉(zhuǎn)臺，所述的超聲探頭均勻分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。

所述的超聲探頭分布方式具體為：

以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準面，在該基準面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個超聲探頭，所述的N個超聲探頭組成橫向超聲探頭組，將所述的N個超聲探頭拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，進而共有M×N個超聲探頭分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。

所述的超聲探頭包括發(fā)射器、接收器和觸發(fā)控制器，所述的觸發(fā)控制器的IO口連接超聲控制單元，所述的觸發(fā)控制器還連接所述的發(fā)射器和接收器；

各超聲探頭通過觸發(fā)控制器的IO口觸發(fā)測距方式測量與環(huán)境中的障礙物的距離，并將該距離作為障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元。

所述的電機組件包括轉(zhuǎn)臺電機、電機驅(qū)動器和編碼器，所述的轉(zhuǎn)臺電機連接所述的轉(zhuǎn)臺，所述的轉(zhuǎn)臺電機還通過所述的編碼器連接所述的轉(zhuǎn)臺控制單元，所述的轉(zhuǎn)臺控制單元通過所述的電機驅(qū)動器連接所述的轉(zhuǎn)臺電機；

轉(zhuǎn)臺控制單元接收編碼器的指令進行解碼，轉(zhuǎn)換為控制電機運行的控制信號，電機驅(qū)動器根據(jù)控制信號驅(qū)動轉(zhuǎn)臺電機進行相應(yīng)動作，進而進行轉(zhuǎn)臺水平方向360°旋轉(zhuǎn)。

所述的超聲控制單元和轉(zhuǎn)臺控制單元均通過藍牙模塊通信連接所述的掃描器控制單元。

所述的掃描器控制單元通過RS485串口通信連接所述的機器人主控模塊。

該系統(tǒng)的工作流程具體為：

步驟一：機器人開機后系統(tǒng)初始化，轉(zhuǎn)臺位置校零；

步驟二：轉(zhuǎn)臺開始旋轉(zhuǎn)，所有超聲探頭同時觸發(fā)，并且計時開始，采樣開始；

步驟三：超聲控制單元將接收到的所有超聲探頭的回波信號發(fā)送給掃描器控制單元，轉(zhuǎn)臺控制單元通過藍牙將轉(zhuǎn)臺當前時刻旋轉(zhuǎn)角度信息發(fā)送給掃描器控制單元；

步驟四：掃描器控制單元根據(jù)超聲探頭的回波信號計算出每個超聲探頭的障礙物距離信息，根據(jù)轉(zhuǎn)臺角度信息計算得到所有超聲探頭的探頭角度信息，然后存儲當前時刻信息、障礙物距離信息和探頭角度信息；

步驟五：在下一個采樣時刻重復(fù)步驟三～步驟四；

在上述過程中，每隔一定時間間隔掃描器控制單元將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人主控模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)采用轉(zhuǎn)臺外側(cè)的超聲傳感器組實時探測機器人所處環(huán)境中的障礙物信息，為機器人進行室內(nèi)3D建模提供有效信息，保證移動機器人及時快速避障和安全行走，成本較低、實時性高、靈活穩(wěn)定、可靠性高；

(2)超聲探頭在轉(zhuǎn)臺外側(cè)的分布方式實現(xiàn)了一定高度空間的橫向360°無死角探測障礙物，在探頭數(shù)量最少的情況下保證盲區(qū)最小，有效實現(xiàn)機器人所處環(huán)境中的障礙物信息的探測；

(3)超聲探頭通過IO口觸發(fā)測距方式測量超聲探頭與障礙物之間距離的測量，實現(xiàn)障礙物的有效定位，提高機器人避障的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的超聲3D掃描系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明超聲探頭排列示意俯視圖；

圖3為本發(fā)明超聲探頭排列示意側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明超聲3D掃描系統(tǒng)的障礙物探測范圍示意圖。

圖中，1為超聲傳感器組，2為轉(zhuǎn)臺，3為超聲控制單元，4為電機組件，5為轉(zhuǎn)臺控制單元，6為掃描器控制單元，7為機器人主控模塊，41為轉(zhuǎn)臺電機，42為電機驅(qū)動器，43為編碼器，8為藍牙模塊，9為RS485串口，10為電源管理模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例

如圖1所示，一種應(yīng)用于機器人的超聲3D掃描系統(tǒng)，用于采集機器人所處環(huán)境中的障礙物信息，該系統(tǒng)包括超聲傳感器組1、轉(zhuǎn)臺2、超聲控制單元3、電機組件4、轉(zhuǎn)臺控制單元5和掃描器控制單元6，超聲傳感器組1包括多個超聲探頭，超聲探頭均勻分布在轉(zhuǎn)臺2外側(cè)，超聲探頭均連接至超聲控制單元3，電機組件4連接轉(zhuǎn)臺2，轉(zhuǎn)臺控制單元5連接電機組件4，超聲控制單元3和轉(zhuǎn)臺控制單元5均連接至掃描器控制單元6，掃描器控制單元6連接至機器人主控模塊7；掃描器控制單元6給轉(zhuǎn)臺控制單元5和超聲控制單元3發(fā)出工作指令，轉(zhuǎn)臺控制單元5控制電機組件4工作，電機組件4帶動轉(zhuǎn)臺2進行旋轉(zhuǎn)，超聲控制單元3控制超聲傳感器組1中的超聲探頭進行障礙物檢測并將檢測的障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元6，進而發(fā)送至機器人主控模塊7。超聲控制單元3和轉(zhuǎn)臺控制單元5均通過藍牙模塊8通信連接掃描器控制單元6。掃描器控制單元6通過RS485串口9通信連接機器人主控模塊7。超聲控制單元3、轉(zhuǎn)臺控制單元5和掃描器控制單元6均設(shè)置電源管理模塊10。

本實施例中，轉(zhuǎn)臺2為球狀轉(zhuǎn)臺，超聲探頭均勻分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。超聲探頭分布方式具體為：以球狀轉(zhuǎn)臺球心所在水平面為基準面，在該基準面上沿球狀轉(zhuǎn)臺的四周均勻分布N個超聲探頭，N個超聲探頭組成橫向超聲探頭組，將N個超聲探頭拓展到球狀轉(zhuǎn)臺的不同高度，構(gòu)成了M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，進而共有M×N個超聲探頭分布在球狀轉(zhuǎn)臺外表面。如圖2所示為超聲探頭排列示意俯視圖，圖中畫出了基準面上的N個超聲探頭，N個超聲探頭形成半徑為R_H的圓周，N個超聲探頭記作超聲探頭11、超聲探頭12、超聲探頭13……、超聲探頭1N，同理第M組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組記作超聲探頭M1、超聲探頭M2、超聲探頭M3……、超聲探頭MN。本實施例中設(shè)置了3組縱向設(shè)置的縱向超聲探頭組，即上述M＝3，因此圖3為本發(fā)明超聲探頭排列示意側(cè)視圖。

超聲探頭包括發(fā)射器、接收器和觸發(fā)控制器，觸發(fā)控制器的IO口連接超聲控制單元3，觸發(fā)控制器還連接發(fā)射器和接收器；各超聲探頭通過觸發(fā)控制器的IO口觸發(fā)測距方式測量與環(huán)境中的障礙物的距離，并將該距離作為障礙物信息發(fā)送至掃描器控制單元6。超聲控制單元3給出最少10μs的高電平信號，探頭自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，當檢測到有信號返回時，通過IO口輸出一個高電平給超聲控制單元3，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間t。掃描器控制單元6中的計算處理模塊可根據(jù)t計算出障礙物的距離s，s＝vt/2，其中v為聲波在空氣中的傳播速度。

電機組件4包括轉(zhuǎn)臺電機41、電機驅(qū)動器42和編碼器43，轉(zhuǎn)臺電機41連接轉(zhuǎn)臺2，轉(zhuǎn)臺電機41還通過編碼器43連接轉(zhuǎn)臺控制單元5，轉(zhuǎn)臺控制單元5通過電機驅(qū)動器42連接轉(zhuǎn)臺電機41；轉(zhuǎn)臺控制單元5接收編碼器43的指令進行解碼，轉(zhuǎn)換為控制電機運行的控制信號，電機驅(qū)動器42根據(jù)控制信號驅(qū)動轉(zhuǎn)臺電機41進行相應(yīng)動作，進而進行轉(zhuǎn)臺2水平方向360°旋轉(zhuǎn)。機器人周圍一定范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測是通過轉(zhuǎn)臺2旋轉(zhuǎn)及超聲探頭分布來實現(xiàn)的，因此轉(zhuǎn)臺2需要進行水平360°旋轉(zhuǎn)。

機器人縱向區(qū)域的掃描結(jié)構(gòu)依靠縱向探頭間形成一定夾角實現(xiàn)，由于縱向探頭不掃描，所以縱向盲區(qū)在機器人初始位置時存在。依靠此結(jié)構(gòu)，機器人在行走過程中可以360°無死角靜態(tài)避障，但若遇到動態(tài)障礙物，障礙物也可能進入該盲區(qū)，檢測不出來。橫向通過轉(zhuǎn)臺2水平360°旋轉(zhuǎn)及超聲探頭分布可實現(xiàn)機器人周圍s_max距離范圍內(nèi)動態(tài)360°無死角探測掃描，為機器人實現(xiàn)對動態(tài)障礙的有效避讓及地圖構(gòu)建提供有效信息，s_max取決于所采用的超聲探頭最大探測距離。

綜上所述，本發(fā)明超聲3D掃描系統(tǒng)的障礙物探測范圍如附圖4所示，圖4(a)為水平探測范圍，圖4(b)為垂直探測范圍，陰影部分為有效探測范圍，圖4(b)中H為超聲探頭縱向區(qū)域的掃描的高度。

該系統(tǒng)的工作流程具體為：

步驟一：機器人開機后系統(tǒng)初始化，轉(zhuǎn)臺2位置校零；

步驟二：轉(zhuǎn)臺2開始旋轉(zhuǎn)，所有超聲探頭同時觸發(fā)，并且計時開始，采樣開始；

步驟三：超聲控制單元3將接收到的所有超聲探頭的回波信號發(fā)送給掃描器控制單元6，轉(zhuǎn)臺控制單元5通過藍牙將轉(zhuǎn)臺2當前時刻旋轉(zhuǎn)角度信息發(fā)送給掃描器控制單元6；

步驟四：掃描器控制單元6根據(jù)超聲探頭的回波信號計算出每個超聲探頭的障礙物距離信息，根據(jù)轉(zhuǎn)臺2角度信息計算得到所有超聲探頭的探頭角度信息，然后存儲當前時刻信息、障礙物距離信息和探頭角度信息；

步驟五：在下一個采樣時刻重復(fù)步驟三～步驟四；

在上述過程中，每隔一定時間間隔掃描器控制單元6將存儲的數(shù)據(jù)發(fā)送給機器人主控模塊7，其中，每一采樣時刻記錄的數(shù)據(jù)格式為：“時間序號：探頭序號：探頭角度：障礙物距離”，探頭序號為8位整型值，時間序號、探頭角度和障礙物距離均為64位整型值，即long類型值。如處理后發(fā)現(xiàn)某探頭探測范圍內(nèi)無障礙物，則障礙物距離信息記錄為全零。