本發(fā)明屬于自主行動機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于多紅外的機(jī)器人避障裝置、其控制方法及機(jī)器人沿邊控制方法。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)發(fā)展和人們對舒適生活的追求，自主行動機(jī)器人越來越多進(jìn)入到人們生活當(dāng)中，如陪伴機(jī)器人、掃地機(jī)器人等。機(jī)器人的基本功能是環(huán)境感知、指令接收和行為控制。機(jī)器人難點(diǎn)首先是環(huán)境的感知，機(jī)器人需要知道哪些地方可以去，前面有哪些障礙物，側(cè)面是否是墻等等。環(huán)境的感知依賴于各種傳感器數(shù)據(jù)的獲取，目前常見的傳感器包括：紅外光強(qiáng)傳感器、紅外測距傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器、激光傳感器等等。

參見圖1所示，以智能掃地機(jī)器人為例，其一般包括機(jī)體1、行動輪2和3、控制模塊4及避障裝置，其中，避障裝置包括碰撞檢測單元5和防跌落檢測單元6-11，碰撞檢測單元5設(shè)置于機(jī)器人前端，用于行進(jìn)過程中的碰撞檢測；防跌落檢測單元6-11設(shè)置于機(jī)器人下方邊緣，用于臺階等防跌落檢測?？刂颇K4用于接收指令信號或采集信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及控制信號的生成。

其中，碰撞檢測單元和防跌落檢測單元的實(shí)現(xiàn)方式有多種。從精度上看，紅外測距傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器都可以獲得比較高的精度，但是成本比較高，同時除了激光傳感器外覆蓋的角度比較小，需要比較多的數(shù)目才能夠減小檢測的盲區(qū)，而激光傳感器主要感知一個很窄的二維平面，垂直方向存在盲區(qū)。視覺傳感器如果需要做到測距，則需要至少兩個攝像頭，成本比較高，精度欠佳，模具上也需要專門的孔洞來放置。從成本上和外觀考慮，紅外光強(qiáng)傳感器無疑是最為便宜和應(yīng)用最廣的，但目前的用法都是基于單光強(qiáng)檢測，不同的材質(zhì)對紅外的發(fā)射不同，導(dǎo)致對障礙物的適應(yīng)性比較差。

現(xiàn)有的紅外強(qiáng)度檢測單元如圖2所示，其包括模具結(jié)構(gòu)件101、紅外發(fā)射管102和紅外接收管103。模具結(jié)構(gòu)件101作為承載機(jī)構(gòu)，用來固定和隔離紅外發(fā)射管和接收管，紅外發(fā)射管102和紅外接收管103呈相交角度地設(shè)置于模具結(jié)構(gòu)件101上。圖2中，104表示紅外發(fā)射管的發(fā)光范圍，兩根實(shí)線內(nèi)是其發(fā)射角；105表示紅外接收管的接收范圍，兩根實(shí)線內(nèi)是接受角；106表示紅外發(fā)射管的中心線；107表示紅外接收管的中心線；108表示紅外發(fā)射和接收中心線的夾角；111表示靠近發(fā)射接收的平面；112表示紅外發(fā)射和接收中心線相交的平面，也是接收最強(qiáng)烈的平面；113表示遠(yuǎn)離發(fā)射和接收的平面；121表示紅外接收信號和距離的曲線，橫坐標(biāo)是對應(yīng)于發(fā)射強(qiáng)度，縱坐標(biāo)對應(yīng)于和發(fā)射接收平面的距離，強(qiáng)度的峰值對應(yīng)到112平面；122表示障礙物反射比較弱時，接收到的光強(qiáng)比較弱123表示障礙物反射偏中性時，接收到的光強(qiáng)在中間；124表示障礙物反射比較強(qiáng)時，接收到的光強(qiáng)也比較強(qiáng)。

上述現(xiàn)有紅外強(qiáng)度檢測單元的主要缺陷在于：只能夠感應(yīng)到一個曲線的信號，接收最強(qiáng)的平面是發(fā)射和接收中心線的交叉點(diǎn)平面112，從遠(yuǎn)到近，越靠近交叉點(diǎn)，值越大，但是過了交叉點(diǎn)，越靠近機(jī)器，數(shù)值越小。應(yīng)用時，需要避免機(jī)器人太靠近障礙物，同時，不同的障礙物反射紅外強(qiáng)度不同，應(yīng)用時最近的閾值不能設(shè)置太小。應(yīng)用到障礙物檢測時，用傳統(tǒng)的方法經(jīng)常會遇到檢測距離不準(zhǔn)，有些低反射差的障礙物不能檢測到。應(yīng)用到跌落檢測時，如果遇到了顏色深的地毯，發(fā)射回來的值很小，但是如果遇到反射比較強(qiáng)的臺階，10厘米的高度的檢測值和深顏色的地毯數(shù)值差不多，不能夠很好的區(qū)分出跌落來。圖2中右側(cè)對應(yīng)于不同的反射面，反射的最大值位置不變，但是強(qiáng)度信息差別比較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在用多紅外檢測的方式，精確計(jì)算出障礙物距離，提升機(jī)器人的檢測精度，降低誤判斷，相比其他能夠?qū)崿F(xiàn)相同精度的方案，大大降低成本。此外，應(yīng)用本發(fā)明裝置做沿邊行為時，可以克服不同墻面材料帶來的紅外反射不一致的問題，提升機(jī)器人沿邊效果。本發(fā)明由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于多紅外的機(jī)器人避障裝置，包括至少一個紅外強(qiáng)度檢測單元，所述紅外強(qiáng)度檢測單元包括承載機(jī)構(gòu)、紅外發(fā)射管及紅外接收管，紅外發(fā)射管和紅外接收管彼此呈夾角地設(shè)置于所述承載機(jī)構(gòu)上；其特征在于：所述紅外發(fā)射管為至少兩個，各紅外發(fā)射管與其紅外接收管中心線交叉點(diǎn)分別位于不同的平面上。

作為具體的技術(shù)方案，所述各紅外發(fā)射管與其紅外接收管中心線交叉點(diǎn)分別位于不同的平面上的實(shí)現(xiàn)方式為：設(shè)置各紅外發(fā)射管與其紅外接收管的夾角不同或距離不同。

作為具體的技術(shù)方案，所述紅外接收管為一個，所述紅外發(fā)射管包括第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管，第一紅外發(fā)射管與紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面和第二紅外發(fā)射管與紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面之間的距離為ds。

作為具體的技術(shù)方案，所述紅外接收管設(shè)置于承載機(jī)構(gòu)感測位中心線上，所述第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管分別設(shè)置于該紅外接收管的兩側(cè)。

作為具體的技術(shù)方案，所述紅外接收管包括第一紅外接收管和第二紅外接收管，所述紅外發(fā)射管包括第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管，第二紅外發(fā)射管和第二紅外接收管分別設(shè)置于承載機(jī)構(gòu)感測位中心線兩側(cè)，第一紅外發(fā)射管設(shè)置于第二紅外發(fā)射管的外側(cè)，第一紅外接收管設(shè)置于第二紅外接收管的外側(cè)；第一紅外發(fā)射管與第一紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面和第二紅外發(fā)射管與第二紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面之間的距離為ds。

作為具體的技術(shù)方案，所述第一紅外接收管和第二紅外接收管分別與所述感測位中心線平行或呈銳角夾角。

作為具體的技術(shù)方案，所述紅外強(qiáng)度檢測單元被用作障礙物檢測時所述距離ds設(shè)置的數(shù)值大于所述紅外強(qiáng)度檢測單元被用作防跌落檢測時所述距離ds設(shè)置的數(shù)值。

一種上述基于多紅外的機(jī)器人避障裝置的控制方法，其特征在于，包括：

a、通過若干重復(fù)的控制周期實(shí)現(xiàn)對第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管的啟閉控制及采集紅外接收管接收信號的控制，每一個控制周期的脈沖時序如下：

(1)在t0時刻之前，控制第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管關(guān)閉；

(2)t0時刻，采集紅外管接收到的環(huán)境光強(qiáng)度w0，隨后控制第一紅外發(fā)射管開啟；

(3)t1時刻，采集紅外接收管接收的來自于第一紅外發(fā)射管和環(huán)境光信號的強(qiáng)度w1，隨后控制第一紅外發(fā)射管關(guān)閉、第二紅外發(fā)射管開啟；

(4)t2時刻，采集紅外接收管接收的來自于第二紅外發(fā)射管和環(huán)境光信號的強(qiáng)度w2，隨后關(guān)閉第一和第二個紅外發(fā)射管；

(5)t3時刻，進(jìn)入下一個采集周期；

b、計(jì)算紅外接收管接收的來自于第一紅外發(fā)射管的有效光信號強(qiáng)度w1s＝w1-w0；計(jì)算紅外接收管接收的來自于第二紅外發(fā)射管的有效光信號強(qiáng)度w2s＝w2-w0。

一種上述避障裝置控制方法的機(jī)器人沿邊控制方法，其特征在于，包括：當(dāng)機(jī)器人逐漸靠近所述邊時，比較w1s和w2s并相應(yīng)執(zhí)行以下步驟：w1s大于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊，靠邊過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s小于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊，遠(yuǎn)離邊的過程中檢測w1s是否開始變小，是則控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊并繼續(xù)比較w1s和w2s，否則繼續(xù)控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊；w1s等于w2s時，控制機(jī)器人維持原有方向。

一種上述避障裝置控制方法的機(jī)器人沿邊控制方法，其特征在于，包括：當(dāng)機(jī)器人逐漸靠近所述邊時，比較w1s和w2s并相應(yīng)執(zhí)行以下步驟：w1s大于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊，靠邊過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s小于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊，遠(yuǎn)離邊的過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s等于w2s時，控制機(jī)器人維持原有方向。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果是：用低成本的紅外部件，利用相對值實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的距離測量，解決不同反射面帶來的相同距離接收強(qiáng)度不同的問題；反射比較差的物體也可以通過紅外的方式檢測到，機(jī)器人感知能力獲得很大提升；深色地毯、地面和臺階可以精確檢測到，減少誤判斷；用本發(fā)明檢測距離的方法，做沿邊時，可以客服不同的紅外反射特性的墻面，做到比較一致的離墻距離。

附圖說明

圖1為智能機(jī)器人的構(gòu)造示意圖。

圖2為現(xiàn)有智能機(jī)器人上使用的紅外強(qiáng)度檢測單元的構(gòu)造示意圖。

圖3為本發(fā)明本實(shí)施例一提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元的構(gòu)造示意圖。

圖4為本發(fā)明本實(shí)施例一提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元的控制時序圖。

圖5為基于本發(fā)明本實(shí)施例一提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元控制機(jī)器人沿邊行為的控制方法1的效果圖。

圖6為基于本發(fā)明本實(shí)施例一提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元控制機(jī)器人沿邊行為的控制方法2的效果圖。

圖7為本發(fā)明本實(shí)施例一提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元作為防跌落檢測應(yīng)用時的尺寸設(shè)計(jì)示意圖。

圖8為本發(fā)明本實(shí)施例二提供的多紅外的機(jī)器人避障裝置中紅外強(qiáng)度檢測單元的構(gòu)造示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

實(shí)施例一

參見圖1所示，本發(fā)明所基于的機(jī)器人包括機(jī)體1、行動輪2和3、控制模塊4及避障裝置，其中，避障裝置包括碰撞檢測單元5和防跌落檢測單元6-11，碰撞檢測單元5設(shè)置于機(jī)器人前端，用于行進(jìn)過程中的碰撞檢測；防跌落檢測單元6-11設(shè)置于機(jī)器人下方邊緣，用于臺階等防跌落檢測。控制模塊4用于接收指令信號或采集信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理及控制信號的生成。障礙物檢測和跌落檢測的個數(shù)根據(jù)需要而定，一般障礙物檢測會有6組，分布在機(jī)器的前方，跌落檢測也有6組，均勻分布在機(jī)器外圈。當(dāng)然，智能機(jī)器人不排除還可以包括其他的機(jī)構(gòu)和功能模塊。

實(shí)施例一

如圖3所示，實(shí)施例一提供的基于多紅外的機(jī)器人避障裝置，包括至少一個紅外強(qiáng)度檢測單元，紅外強(qiáng)度檢測單元包括承載機(jī)構(gòu)(圖3中未示，結(jié)合圖5)、第一紅外發(fā)射管e1、第二紅外發(fā)射管e2及紅外接收管d。紅外接收管d設(shè)置于承載機(jī)構(gòu)感測位中心線上；第一紅外發(fā)射管e1和第二紅外發(fā)射管e2分別設(shè)置于紅外接收管d兩側(cè)，第一紅外發(fā)射管與紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面和第二紅外發(fā)射管與紅外接收管中心線交叉點(diǎn)所在平面之間的距離為ds。

圖3中，201表示第二紅外發(fā)射管e2和紅外接收管d中心線交叉點(diǎn)所在平面；202表示第一紅外發(fā)射管e1和紅外接收管d中心線交叉點(diǎn)所在平面；203表示遠(yuǎn)離紅外發(fā)射接收區(qū)域的平面；204表示紅外發(fā)射管e2和紅外接收管d的中心線的交點(diǎn)；205表示紅外發(fā)射管e1和紅外接收管d的中心線的交點(diǎn)；206表示紅外接收信號和距離的曲線，橫坐標(biāo)是對應(yīng)于發(fā)射強(qiáng)度，縱坐標(biāo)對應(yīng)于和發(fā)射接收平面的距離，其中e2的峰值對應(yīng)e2和接收平面中心線的交點(diǎn)，e1的峰值對應(yīng)與e1和接收平面中心線的交點(diǎn)；207表示第二紅外發(fā)射管e2距離信號接收曲線；208表示第一紅外發(fā)射管e1距離信號接收曲線。

相比常規(guī)的用法，本實(shí)施例一增加了至少一個紅外發(fā)射管，紅外接收管放置在中間，左右放置兩個發(fā)射管，兩個發(fā)射管距離接收管的距離不同，交叉角也不同，使他們與接收的直線交點(diǎn)平面相差一個距離ds。應(yīng)用于前障礙物檢測時，ds的一般取5cm，應(yīng)用與跌落檢測時，ds一般取3cm。通過電路板數(shù)的設(shè)置，兩個發(fā)射管的發(fā)射功率做成接近，接收管接收到的信號和距離就有圖3右邊的關(guān)系。當(dāng)裝置離障礙物比較遠(yuǎn)時，e2發(fā)射的信號由于和接收管垂直位置沒有了交叉，幾乎收不到e2的信號，e1和垂直線有交叉，遠(yuǎn)處還可以收到微弱信號。隨著障礙物越來越近，e1的信號越來越強(qiáng)，逐漸達(dá)到了峰值，e2在此過程中，慢慢也有了信號，也是逐漸增大，但是e2的信號一直比e1小。障礙物繼續(xù)靠近時，e1與接收管垂直面相交的區(qū)域越來越來越小，而e2與接收管相交的面積越來越大，e1信號逐漸變小，e2信號逐漸變大，到了a點(diǎn)時，e2信號超過了e1。這個a點(diǎn)，是由e1和e2信號接受相對值決定的，不依賴與信號的強(qiáng)度，這樣就消除了不同反射面的影響。

為了實(shí)現(xiàn)多紅外檢測的功能，需要做相應(yīng)的時序控制方法，如圖4所示，圖中畫了兩個發(fā)射管控制的時序，上部分是e1的控制，下部分是e2的控制。通過若干重復(fù)的控制周期實(shí)現(xiàn)對第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管的啟閉控制及采集紅外接收管接收信號的控制，每一個控制周期的脈沖時序如下：

(1)在t0時刻之前，控制第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管關(guān)閉；

(2)t0時刻，采集紅外管接收到的環(huán)境光強(qiáng)度w0，隨后控制第一紅外發(fā)射管開啟；

(3)t1時刻，采集紅外接收管接收的來自于第一紅外發(fā)射管和環(huán)境光信號的強(qiáng)度w1，隨后控制第一紅外發(fā)射管關(guān)閉、第二紅外發(fā)射管開啟；

(4)t2時刻，采集紅外接收管接收的來自于第二紅外發(fā)射管和環(huán)境光信號的強(qiáng)度w2，隨后關(guān)閉第一和第二個紅外發(fā)射管；

(5)t3時刻，進(jìn)入下一個采集周期；

之后，計(jì)算紅外接收管接收的來自于第一紅外發(fā)射管的有效光信號強(qiáng)度w1s＝w1-w0；計(jì)算紅外接收管接收的來自于第二紅外發(fā)射管的有效光信號強(qiáng)度w2s＝w2-w0。

本實(shí)施例還提供兩種上述避障裝置控制方法的機(jī)器人沿邊控制方法。

方法1包括：當(dāng)機(jī)器人逐漸靠近所述邊時，比較w1s和w2s并相應(yīng)執(zhí)行以下步驟：w1s大于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊，靠邊過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s小于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊，遠(yuǎn)離邊的過程中檢測w1s是否開始變小，是則控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊并繼續(xù)比較w1s和w2s，否則繼續(xù)控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊；w1s等于w2s時，控制機(jī)器人維持原有方向。參見圖5所示，其中，501為所述的邊(一般為墻面等)，502表示兩個紅外發(fā)射管光交叉的位置距離，503表示遠(yuǎn)信號的峰值距離，503表示機(jī)器人運(yùn)行軌跡。當(dāng)機(jī)器人開始行走時，沒有到502的距離，此時w1s大于w2s，機(jī)器人往墻靠近，當(dāng)走到c點(diǎn)時，w1s小于w2s，此時機(jī)器人往外拐，到了b點(diǎn)，碰到w1s信號開始變小，機(jī)器人改為往里面拐。通過這兩個距離信號，可以讓機(jī)器人在一個很窄的距離范圍內(nèi)，沿著墻面行走。

方法2包括：當(dāng)機(jī)器人逐漸靠近所述邊時，比較w1s和w2s并相應(yīng)執(zhí)行以下步驟：w1s大于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式靠邊，靠邊過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s小于w2s時，控制機(jī)器人漸進(jìn)式遠(yuǎn)離邊，遠(yuǎn)離邊的過程中繼續(xù)比較w1s和w2s；w1s等于w2s時，控制機(jī)器人維持原有方向。參見圖6所示，如果沿邊需要減少機(jī)器人扭動時，機(jī)器人完全按照502光強(qiáng)交叉的距離來糾正機(jī)器人拐的方向。當(dāng)w1s大于w2s時，機(jī)器人往墻面拐，當(dāng)w1s小于w2s時，機(jī)器人往外拐，如果兩者相同，則維持原有方向。

如圖7作為一個跌落檢測的實(shí)施例，兩側(cè)的發(fā)射管距離分別為2.5cm、1.5cm，e1的最大值在7.5cm處，e2的最大值在2.5cm處，e1和e2相交點(diǎn)在4.5cm處。最終這個參數(shù)下，能夠檢測到的最準(zhǔn)確的高度是4.5cm。

實(shí)施例二

多紅外檢測按照上述的原理，還可以有其他的結(jié)構(gòu)，如圖8所示。e1和e2不共用一個接收管，而是分開兩個接收管，接收管不垂直于感測平面。e1和d1配對，形成的交點(diǎn)在306平面；e2和d2配對，形成的交點(diǎn)在305平面。信號的處理方法和上面講述的方法類似。

以上實(shí)施例僅為充分公開而非限制本發(fā)明，凡是基于本發(fā)明主旨且未經(jīng)創(chuàng)造性勞動即可獲得的等效技術(shù)特征的替換，應(yīng)當(dāng)屬于發(fā)明所涵蓋的范圍。