一種復(fù)合障礙物掃描儀及其掃描方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及定位導(dǎo)航技術(shù)和機器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種復(fù)合障礙物掃描儀及其 掃描方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們在日常生活中，對智能設(shè)備的要求 也越來越高。機器人作為協(xié)助或者替代人類工作的智能機器，早已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn) 領(lǐng)域；近年來，有些服務(wù)機器人甚至已經(jīng)進入到人們的家庭中，為人們的生活提供便利。
[0003] 服務(wù)機器人行業(yè)在最近幾年內(nèi)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了如娛樂休閑機器人、殘障輔助機 器人、專業(yè)清潔機器人、物流用途機器人等頗具新穎性和實用性的服務(wù)機器人，改善了人們 的生活。目前，盡管機器人行業(yè)發(fā)展進步明顯，但是現(xiàn)有的可移動的機器人存在一個技術(shù)瓶 頸，就是定位導(dǎo)航問題?，F(xiàn)有的機器人定位導(dǎo)航技術(shù)主要有以下幾種：1、基于碰撞式的接觸 導(dǎo)航方法；這種方法將碰撞傳感器安裝到機器人中，當(dāng)機器人發(fā)生碰撞時，碰撞傳感器會獲 得信號，并將信號傳送給機器人主體，從而改變機器人的行駛路徑；這種方法中，機器人需 要被物體碰撞后才能感知障礙物，容易損壞一些易碎物品，并且不夠智能；2、基于全局GPS 的導(dǎo)航方法；如文獻CN102478657A公開了一種自助導(dǎo)航機器人系統(tǒng)，通過接收GPS信號， 對機器人提供導(dǎo)航信息，實現(xiàn)對機器人的運行控制；在此系統(tǒng)中，GPS雖然可以提供機器人 的詳細位置信息，但是卻無法判定機器人行徑路上的障礙物(如石頭、樹木等)，因而無法讓 機器人繞過障礙前行；3、基于超聲波傳感器、紅外線傳感器或激光傳感器的導(dǎo)航方法；如 文獻CN104536447A公開了一種室內(nèi)機器人導(dǎo)航裝置，通過發(fā)射和接收超聲波的信號來測 量機器人與障礙物之間的距離，從而判斷障礙物所在位置，并采取規(guī)避措施對障礙物進行 避讓。
[0004] 目前，在室內(nèi)的環(huán)境中，如果采用超聲波對機器人進行定位，能使定位精度達到一 個很高的水平，但超聲波定位技術(shù)仍然存在以下兩方面的問題： 一、 在機器人行走路徑上掃描障礙物方面；如文獻CN104536447A所公開的一種室內(nèi) 機器人導(dǎo)航裝置，依舊存在以下幾點缺陷：1、沒有辦法辨別障礙物的大??；在使用機器人 時，如果前方的障礙物過小，則不會對機器人造成障礙，而文獻CN104536447A中所述的方 法無法辨別障礙物大小，導(dǎo)致機器人遇到微小物件也會將其作為障礙物繞開，做了許多無 用功；2、沒有辦法辨別障礙物是否是人；通常，在室內(nèi)使用機器人時，無法避免的會遇到人 和物品，而人一般是移動的，物品一般是固定的，機器人規(guī)避人和物體所采用的方式應(yīng)該是 不盡相同的，文獻CN104536447A中所述的方法無法辨別障礙物是否是人，導(dǎo)致機器人在 遇到人時依舊采用固有的規(guī)避方法，很有可能無法正確地避開人，從而發(fā)生機器人與人之 間的碰撞； 二、在定位超聲波路徑方面；首先需要一個光速級的同步信號(如無線信號）來實現(xiàn)測 距時間上的同步，然后通過收到的超聲波信標(biāo)的數(shù)據(jù)解算出機器人當(dāng)前的位置情況。而在 通常的使用過程中，機器人與超聲波信標(biāo)之間通常會存在有障礙物，使得超聲波在傳輸過 程中遇到阻礙，但是這種方式會導(dǎo)致在解算機器人當(dāng)前位置時，數(shù)據(jù)存在一定的偏差；因 而，當(dāng)機器人與超聲波信標(biāo)之間存在障礙物時，需要系統(tǒng)內(nèi)另外一個超聲波信標(biāo)對機器人 進行定位；在實現(xiàn)超聲波信標(biāo)之間的調(diào)換前，必須借助一種掃描儀，用于判定障礙物的大小 及障礙物是否是人，因為在調(diào)換時，障礙物如果過小，則不會影響超聲波的傳輸，障礙物如 果是會運動的人，機器人的避讓辦法可以為等待或者打招呼請其離開，與避讓固定物體的 方法不一致。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，而提供一種復(fù)合障礙物掃描儀及其 掃描方法，具有能識別障礙物和障礙物的大小和能判定障礙物是否為人的特點。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種復(fù)合障礙物掃描儀，包括同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和控制處理系 統(tǒng)；其中： 同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括復(fù)合傳感器座、伺服電機、支架、旋轉(zhuǎn)編碼器和旋轉(zhuǎn)搭載頭；伺服電 機安裝在支架上；復(fù)合傳感器座通過旋轉(zhuǎn)搭載頭安裝在伺服電機的上端，伺服電機的下端 安裝有獨立的旋轉(zhuǎn)編碼器；復(fù)合傳感器座上安裝有超聲波收發(fā)傳感器和人體感應(yīng)傳感器。
[0007] 控制處理系統(tǒng)包括：伺服電機驅(qū)動模塊、障礙物掃描主控模塊和總線；伺服電機 驅(qū)動模塊與伺服電機連接，用于控制伺服電機的旋轉(zhuǎn)角度；障礙掃描主控模塊分別與復(fù)合 傳感器座、伺服電機驅(qū)動模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器及總線連接，用于主動控制，還用于處理數(shù)據(jù)；總 線用于收發(fā)數(shù)據(jù)； 超聲波收發(fā)傳感器和人體感應(yīng)傳感器將獲取的信息數(shù)據(jù)集成到復(fù)合傳感器座上，傳輸 給障礙物掃描主控模塊。
[0008] 進一步地，所述超聲波收發(fā)傳感器的前端安裝吸音管，吸音管用于收窄超聲波接 收的角度；在使用超聲波對障礙物進行探測與掃描時，超聲波的能量是擴散的，吸音管通過 收窄超聲波接收的角度，將超聲波收發(fā)的能量集中超聲波感應(yīng)中軸線上，從而更好地提高 檢測的效果。
[0009] 進一步地，所述旋轉(zhuǎn)編碼器為絕對編碼器。原因在于：絕對編碼器會由機械位置來 決定每個位置的唯一性，具有無需記憶、無需找參考點、隨時讀取位置信息的特點；在本發(fā) 明實施過程中需要根據(jù)用戶的輸入而改變角度，因而最優(yōu)選擇絕對編碼器。
[0010] 進一步地，所述超聲波收發(fā)傳感器包括：超聲波信號放大器和超聲波信號收發(fā)器； 其中： 超聲波信號放大器用于對超聲波信號進行放大； 超聲波信號收發(fā)器用于發(fā)送和接收超聲波； 在需要發(fā)射和接收超聲波時，通過超聲波信號收發(fā)器，使超聲波收發(fā)傳感器對外發(fā)射 超聲波信號，此時，超聲波信號放大器會對超聲波信號進行放大，當(dāng)超聲波信號遇到障礙物 反射回來時，被超聲波收發(fā)器接收后，再被超聲波信號放大器放大。
[0011] 進一步地，所述障礙物掃描主控模塊包括單片機主控模塊和超聲波測距模塊；其 中： 單片機主控模塊用于控制伺服電機驅(qū)動模塊、超聲波信號收發(fā)器；單片機主控模塊接 收到總線發(fā)出的數(shù)據(jù)后，會根據(jù)數(shù)據(jù)控制伺服電機驅(qū)動模塊和超聲波信號收發(fā)器，完成自 動控制； 超聲波測距模塊用于處理旋轉(zhuǎn)編碼器和復(fù)合傳感器座所反饋的數(shù)據(jù)，并判斷機器人在 指定角度的前方有無障礙物、障礙物大小以及障礙物是否是人；超聲波測距模塊通過接收 旋轉(zhuǎn)編碼器和復(fù)合傳感器座所反饋的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，可以實現(xiàn)判斷機器人在指 定角度的前方有無障礙物、機器人與障礙物之間的距離、障礙物大小以及障礙物是否是人 的功能，其原理在于： 1、 判斷有無障礙物：超聲波在遇到障礙物時會發(fā)生反射； 2、 判斷機器人與障礙物之間的距離：超聲波在遇到障礙物時發(fā)生發(fā)射，反射超聲波與 原超聲波之間存在一定的時間差，通過該時間差可以計算出機器人與障礙物之間的距離； 3、 判斷障礙物的大?。撼暡ㄔ趻呙璧秸系K物時發(fā)生發(fā)射，反射超聲波在超聲波傳感 器與障礙物在不同角度時反射的能量強度上存在一定的差別，在掃描過程中，通過超聲波 能量強度的變化量可以判斷物體大??； 4、 判斷障礙物是否是人：人體本身會發(fā)射出一定波長的紅外線，人體感應(yīng)傳感器根據(jù) 這一特性，接收障礙物所發(fā)射出的紅外線，如果該紅外線為人體的紅外線頻譜，則人體感應(yīng) 器會發(fā)出數(shù)據(jù)，說明障礙物為人；如果該紅外線在人體的紅外線頻譜范圍外，則人體感應(yīng)器 會發(fā)出數(shù)據(jù)，說明障礙物不是人。
[0012] 進一步地，所述總線為CAN總線。
[0013] 更進一步地，一種所述復(fù)合障礙物掃描儀的掃描方法，其特征在于：包括以下步 驟： 步驟一、由總線接收外部來的指令，并把指令傳給障礙物掃描主控模塊中的單片機主 控模塊； 步驟二、單片機主控模塊判定指令是否有效；如無效，則直接丟棄；如有效，將對指令 進行分解，從中獲取到掃描角度范圍信息； 步驟三、根據(jù)指令需要測試的角度和角度范圍，單片機主控模塊控制伺服電機驅(qū)動模 塊，帶動伺服電機在指令的角度范圍內(nèi)擺動，與伺服電機同軸的絕對編碼器同步反饋擺動 到的角度；同時，單片機主控模塊控制超聲波信號發(fā)射器驅(qū)動超聲波收發(fā)傳感器；在此過 程中，單片機主控模塊將指令需要的角度范圍分解為N個點（N由單片機主控模塊指定，與 伺服電機的轉(zhuǎn)速、掃描角度范圍相關(guān))，伺服電機將分別在這些點停頓一定時間，復(fù)合傳感 器座上的超聲波收發(fā)傳感器和人體感應(yīng)傳感器將在這些停頓點進行測試，獲取到這些點中 的數(shù)據(jù)(超聲波返回時間及強度)，這N個測試點的數(shù)據(jù)依次串起就是掃描的數(shù)據(jù)； 步驟四、超聲波收發(fā)傳感器、人體感應(yīng)傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)集合成掃 描數(shù)據(jù)反饋給障礙物掃描主控模塊中的超聲波測距模塊； 步驟五、超聲波測距模塊對掃描數(shù)據(jù)進行處理，確定在指定的角度上有無障礙物、障礙 物大小及障礙物是否是人； 步驟六、障礙物掃描主控模塊將最終的判定結(jié)果通過總線向外發(fā)送：如果沒有障礙物， 則發(fā)送申請角度無障礙物的數(shù)據(jù)信號；如果有障礙物，則發(fā)送該點上障礙物的大小、距離多 少、障礙物是否是人的數(shù)據(jù)信號。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點： 1、能檢測有沒有障礙物和識別障礙物的大小；通過掃描和數(shù)據(jù)處理，能夠計算出障礙 物是否存在以及障礙物的大小。機器人通過本發(fā)明能夠更好地選擇使用障礙物處理機制。 如應(yīng)用于機器人行走道路上障礙物的掃描時，可根據(jù)障礙物大小選擇是停止等待還時繞 行。如應(yīng)用于定位超聲波路徑掃描時，可針