CN103033819A

CN103033819A - 障碍传感器以及具有其的机器人清洁器

Info

Publication number: CN103033819A
Application number: CN2012103742837A
Authority: CN
Inventors: 郑然圭; 金信; 金廷勋; 金锺完; 尹详植; 李东勋; 苏堤允
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-04-10
Also published as: EP2575000A2; US20130076893A1; US9239389B2; EP2575000A3

Abstract

本发明提供了一种障碍传感器。该障碍传感器包括线形光辐射单元、反射光接收单元和障碍感测控制单元，线形光辐射单元包括：发光单元；发光驱动单元，驱动该发光单元；和第一圆锥反射镜，其顶点在发光单元的光辐射方向上朝向发光单元设置并将从发光单元发射的光转换为在所有方向上辐射的线形光；反射光接收单元包括：第二圆锥反射镜，用于会聚从第一圆锥反射镜辐射然后从障碍反射的光；透镜，与第二圆锥反射镜的顶点间隔开预定距离并透射反射光；成像单元，使穿过透镜的反射光成像；图像处理单元。

Description

障碍传感器以及具有其的机器人清洁器

技术领域

本公开的实施例涉及能够在所有的方向上感测障碍的障碍传感器以及包括其的机器人清洁器。

背景技术

通常，障碍传感器辐射光、超声波等，感测从障碍反射的光或超声波，基于所感测信号的时间差异、相位差异和强度差异来判断障碍的存在及其距离或者利用反射角来判断距离。

近来，已经发展了利用点光源或结构光诸如线形光来测量传感器与障碍之间的距离的方法。然而，点光源的使用导致问题，即仅检测从点光源辐射的光束的方向上存在的障碍。当点光源传感器旋转从而解决此问题时，需要单独的伺服机构和一定程度的扫描时间，因此不利地引起效率的劣化。

在使用线形光的情形下，在多个区域上而不是在一点存在的障碍能够被同时地检测，但是当利用现有技术的圆柱透镜形成线形光时存在问题诸如受限的检测范围和形成均匀线形光的困难。

发明内容

因此，本公开的一个方面提供通过利用圆锥反射镜形成均匀光而能够感测所有的方向上的障碍的障碍传感器以及具有该障碍传感器的机器人清洁器。

其他的方面和/或优点将在以下的描述中部分阐述，并将部分地从该描述而显然，或者可以通过实践本公开而获知。

根据本公开的一个方面，提供一种障碍传感器，包括线形光辐射单元以及反射光接收单元，线形光辐射单元包括：发光单元；和第一圆锥反射镜，其顶点在发光单元的光辐射方向上朝向发光单元设置并将从发光单元发射的光转换为在所有方向上辐射的线形光；反射光接收单元包括：第二圆锥反射镜，用于会聚从第一圆锥反射镜辐射然后从障碍反射的光；透镜，与第二圆锥反射镜的顶点间隔开预定距离并透射反射光；以及成像单元，使穿过透镜的反射光成像。

线形光辐射单元还可以包括：狭缝或展象透镜，设置在发光单元与第一圆锥反射镜之间以将从发光单元辐射的光形成为环的形式。

线形光辐射单元还可以包括：狭缝，具有设置在发光单元与第一圆锥反射镜之间的至少一个凹槽。

狭缝可以具有环形、十字形（+）、圆形或线形（-）的凹槽。

第一圆锥反射镜可以通过将具有不同底部直径的两个或更多圆锥部分接合而形成。

障碍传感器还可以包括：旋转器，用于旋转第一圆锥反射镜。

在第一圆锥反射镜的垂直截面上的顶点上形成的两侧的角度可以为约88度至约90度。

反射光接收单元的透镜可以与第二圆锥反射镜的顶点间隔开透镜的焦距。

反射光接收单元的透镜或第二圆锥反射镜的表面可以用带通滤波器涂覆以仅透射反射光的波长。

线形光辐射单元的第一圆锥反射镜的顶点和反射光接收单元的第二圆锥反射镜的顶点可以设置在相反的方向上。

线形光辐射单元的第一圆锥反射镜的顶点和反射光接收单元的第二圆锥反射镜的顶点可以设置在一个方向上。

线形光辐射单元的第一圆锥反射镜的顶点和反射光接收单元的第二圆锥反射镜的顶点可以彼此面对。

障碍传感器还可以包括：结构，具有小于从发光单元辐射的光的辐射截面积的孔，其中该孔在发光单元的光辐射路径中设置在发光单元与第一圆锥反射镜之间。

线形光辐射单元或发光单元可以以预定角度倾斜于垂直于地面的垂直线。

障碍传感器还可以包括：障碍感测控制单元，分析记录在成像单元上的图像从而提取障碍的距离或形状。

线形光辐射单元可以多个地提供在距离地面的不同高度处，障碍感测控制单元可以分析记录在成像单元上的图像从而确定障碍的高度。

反射光接收单元的透镜可以是宽角度透镜。

根据本公开的另一方面，提供一种机器人清洁器，包括用于感测障碍的障碍传感器以及基于障碍传感器的感测结果而控制驱动的驱动控制单元，其中障碍传感器包括线形光辐射单元、反射光接收单元以及障碍感测控制单元，线形光辐射单元包括：发光单元；发光驱动单元，驱动发光单元；以及第一圆锥反射镜，其顶点在发光单元的光辐射方向上朝向发光单元设置并将从发光单元发射的光转变为在所有方向上辐射的线形光；反射光接收单元包括：第二圆锥反射镜，会聚从第一圆锥反射镜辐射然后从障碍反射的光；透镜，与第二圆锥反射镜的顶点间隔开预定距离并透射所反射的光；成像单元，使穿过透镜的反射光成像；以及图像处理单元，处理在成像单元中获得的图像；障碍感测控制单元分析记录在成像单元中的图像从而提取障碍的距离或形状。

线形光辐射单元可以安装在机器人清洁器的前表面的底部上，反射光接收单元可以安装在机器人清洁器的前表面的顶部上。

驱动控制单元可以从障碍传感器接收障碍的形状或距离并基于障碍的形状或距离确定行进路径。

当障碍感测控制单元确定机器人清洁器被抬离地面时，障碍感测控制单元可以传输控制信号到发光驱动单元以关闭发光单元。

当障碍感测控制单元确定机器人清洁器的传感器窗口被分离时，障碍感测控制单元可以传输控制信号到发光驱动单元以关闭发光单元。

机器人清洁器还可以包括：邻近传感器窗口的开关或光断续器，其中障碍感测控制单元分析从开关或光断续器输出的信号并由此确定传感器窗口的分离。

障碍感测控制单元可以在机器人清洁器开始行进时打开发光单元，并可以在机器人清洁器完成行进时关闭发光单元。

附图说明

从以下结合附图对实施例的描述，本公开的这些和/或其他的方面将变得显然并更易于理解，附图中：

图1是示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的控制配置的方框图；

图2是侧视图，示意地示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的线形光辐射单元和反射光接收单元的配置；

图3A、图3B、图3C和图3D是侧视图，示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的示意配置，该障碍传感器还包括插设在激光二极管和第一圆锥反射镜之间的狭缝；

图4A和图4B是示出狭缝和结构的截面图，其中线形光的厚度能够通过减小光的散射角来控制；

图5是示出在第一圆锥反射镜111的顶点的角度设定至89度并且第二圆锥反射镜121的顶点的角度设定至150度的情形下的障碍感测范围的示意图；

图6A至图6E是曲线图，示出在改变第二圆锥反射镜121的顶点角度和透镜122的FOV时测量的距离和分辨率；

图7A和图7B是示出能够控制线形光辐射的辐射角度的线形光辐射单元的结构；

图8A和图8B示出用于产生线形光的线形光辐射单元的结构，该线形光从一个线形光辐射单元以多个辐射角度辐射；

图9示出能够通过多个线形光辐射单元感测具有不同高度的障碍的障碍传感器的结构；

图10示出根据一个实施例从图像处理单元传输到感测控制单元130的图像信息；

图11是简要地示出障碍传感器的每个部件与用于计算距离的障碍之间的关系的示意图；

图12是侧视图，示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的光学模块（线形光辐射单元、接收单元）的外观；

图13A是当从上方观看时根据本公开一个实施例的机器人清洁器400的平面图；

图13B是示出根据本公开一个实施例的机器人清洁器行进的状态的视图；

图14是当从上方观看时机器人清洁器400的平面图，其中线形光辐射单元和反射光接收单元安装在不同位置处；

图15是示出根据本公开一个实施例的机器人清洁器400的控制配置的方框图；

图16是示出包括传感器窗口的机器人清洁器的侧截面图；

图17是侧截面图，示出根据本公开一个实施例的安装在机器人清洁器400的前面的障碍传感器的配置；以及

图18是示出根据本公开一个实施例的安装在机器人清洁器400上的障碍传感器的传感器模块的配置的视图。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的实施例，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记始终指代相似的元件。

在下文，将参照附图详细地描述本公开的实施例。

图1是示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的控制配置的方框图。

参照图1，根据本公开一个实施例的障碍传感器包括：线形光辐射单元110，包括发光单元112、驱动发光单元112的发光驱动单元113以及第一圆锥反射镜111，第一圆锥反射镜111的顶点在发光单元112的光辐射方向上朝向发光单元112设置并将从发光单元112发射的光转变成在所有的方向上辐射的线形光；反射光接收单元120，包括第二圆锥反射镜121、透镜122、成像单元123和图像处理单元124，该第二圆锥反射镜121会聚从第一圆锥反射镜111辐射然后从障碍反射的光，该透镜122与第二圆锥反射镜121的顶点间隔开预定距离并透射所反射的光，该成像单元123使穿过透镜122的反射光成像，该图像处理单元124处理在成像单元123中获得的图像；以及障碍感测控制单元130，分析记录在成像单元中的图像从而提取障碍的距离或形状。

发光单元112是发射并辐射光的光源，可以是激光二极管（LD）、LED等。发光单元112的类型不受限制，但是为了描述的方便在以下的实施例中将描述激光二极管。从激光二极管112发射的光的波长和量通过发光驱动单元控制，激光的波长可以是对肉眼不可见的红外线区域或可见光区域。所使用波长的区域不受限制。

发光驱动单元113根据障碍感测控制单元130的控制信号来驱动发光单元112并利用光检测器等将辐射光的强度反馈回障碍感测控制单元130。

第一圆锥反射镜111使从发光单元112辐射的光能够从第一圆锥反射镜111的表面反射以在所有的方向上产生在360度发射的线形光。

第二圆锥反射镜121会聚从第一圆锥反射镜111反射、与障碍碰撞并返回的光到透镜122，设置在第二圆锥反射镜121的顶点前面的透镜122在成像单元123上形成由反射光产生的图像。

成像单元123将从成像目标反射、穿过透镜122并接触成像单元123的光所产生的图像根据该光的强度转变成电信号的强度，将该电信号的强度转变成数字信号并记录该数字信号。在本公开的实施例中，可以使用电荷耦合器件（CCD）图像传感器、互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器等，尽管在以下的实施例中使用CMOS图像传感器。

从线形光辐射单元110辐射并从障碍反射的光经过第二圆锥反射镜121和透镜122并在CMOS图像传感器123上形成图像，经由CMOS图像传感器123转换的数字信号通过图像处理单元124经受图像处理然后传输到障碍感测控制单元130。

线形光辐射单元110和反射光接收单元120构成障碍传感器100的光学模块。

障碍感测控制单元130分析经图像处理的图像并提取障碍传感器与障碍之间的距离以及障碍的形状或位置。

此外，障碍感测控制单元130基于反馈激光的强度来调节频率、占空比和强度，传输控制信号到发光驱动单元，从而使得用户能够辐射具有期望强度的激光。

障碍感测控制单元130不必是一个模块（其中线形光辐射单元110物理地接合到反射光接收单元120），其上安装障碍传感器100的其他装置（例如提供在可移动机器人、机器人清洁器等上的控制单元诸如中央处理单元（CPU）或微控制器（MCU））可以用作障碍感测控制单元130。障碍感测控制单元130的配置不受限制，只要障碍感测控制单元130能够控制线形光辐射单元110并分析从反射光接收单元120获得的信息。

图2是侧视图，示意地示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的线形光辐射单元和反射光接收单元的配置。

在下文，将参照图2详细地描述根据本公开一个实施例的障碍传感器的操作。

如图2所示，本实施例的障碍传感器具有以下结构，其中第一圆锥反射镜111的顶点和第二圆锥反射镜121的顶点在相反的方向上。线形光辐射单元110和反射光接收单元120的位置可以调换。

首先，将描述线形光辐射单元110的配置和操作。第一圆锥反射镜111设置在激光二极管112的辐射方向上。当第一圆锥反射镜111的顶点被导向激光二极管112时，从激光二极管112辐射的激光与第一圆锥反射镜111的表面碰撞并从其反射以在所有的方向上产生在360度辐射的线形光。

此时，准直透镜（未示出）设置在激光二极管112与第一圆锥反射镜111之间并能够将从激光二极管112辐射的激光转变成点状光。可以使用提供有准直透镜的激光二极管112或者激光可以从圆锥反射镜的表面直接地反射而不使用准直透镜。

接下来，将描述反射光接收单元120的配置。第二圆锥反射镜121设置成使得其顶点朝向底部，透镜122设置在第二圆锥反射镜121的顶点下面，CMOS图像传感器123设置在透镜122下面。

当从线形光辐射单元110辐射并从障碍反射、与第二圆锥反射镜121的表面碰撞的激光被会聚在透镜122上并穿过透镜122、在CMOS图像传感器123上形成图像时，CMOS图像传感器123将激光转变成数字信号并记录该数字信号。此时，仅透射辐射激光的波长的带通滤波器可以涂覆在透镜122的表面上或者第二圆锥反射镜121的表面上以去除其他信号。

优选地，透镜122设置在第二圆锥反射镜121的顶点上使得图像能够准确地形成在CMOS图像传感器123上。然而，当这样的设置在物理上困难时，透镜122可以与第二反射镜121的顶点间隔开透镜122的焦距。

透镜122表示光学透镜，其种类不受限制。当使用具有比一般透镜短的焦距的宽角度透镜时，第二圆锥反射镜121与透镜122之间的距离被缩短，因此能够减小障碍传感器的尺寸。例如，宽角度透镜的焦距可以为50mm或更小。

图3A是侧视图，示出根据一个实施例的障碍传感器的示意配置，该障碍传感器还包括激光二极管和第一圆锥反射镜之间的狭缝。

参照图3A，根据本公开一个实施例的障碍传感器100还可以包括狭缝114，狭缝114具有带有预定形状的凹槽，设置在线形光辐射单元110的激光二极管112和第一圆锥反射镜111之间。设置在激光二极管112与第一圆锥反射镜111之间的狭缝114根据凹槽的形状将从激光二极管112辐射的激光束转变成各种形状并将其透射到第一圆锥反射镜111。

如图3B所示，当狭缝114具有环形或圆环形凹槽时，狭缝114将从激光二极管112辐射的激光束转变成圆环形或环形，该圆环形或环形的激光束入射在第一圆锥反射镜111的表面以产生均匀的线形光。尽管在本实施例中狭缝被用于将激光束转变成圆环形或环形，但是可以使用展象透镜（axiconlens）来代替狭缝。

同时，当具有不同尺寸的环形的多个凹槽形成在狭缝114中时，线形光能够辐射到多个不同的高度。

如图3C所示，当具有十字（+）形状的凹槽形成在狭缝114中时，狭缝114将从激光二极管112辐射的激光束转变成十字（+）形状。十字形状的激光束入射在第一圆锥反射镜111上以产生所有方向的线形光，在特定方向上的光的强度比其他方向上的光的强度大。特别地，十字形状的激光束从第一圆锥反射镜111的表面反射，在方向a、b、c和d上光的强度变得比在其他方向上的光的强度更强。这里，方向a、b、c和d是彼此形成直角的任意方向。

尽管均匀线形光的形成可以有利于感测障碍，但是光的强度会常常根据方向而改变。在此情形下，如图3C所示，可以使用具有十字（+）形状凹槽的狭缝114，并且笔划的数目可以如期望地控制并使用。

如图3D所示，当使用具有线形（-）凹槽（其通过从十字（+）形状去除一个笔划而形成）的狭缝114时，线形光在所有的方向上产生并且在方向d和b上的光的强度变得强于其他方向上的光的强度。

图3B至图3D所示的激光束的形状仅为了说明而提供，均匀的线形光或者在特定方向具有集中的强度的线形光能够通过形成在狭缝114中的凹槽的形状的变化而如期望地发射其他形状的激光束到第一圆锥反射镜111来提供。

通常，当从发光单元112辐射的光直接入射在第一圆锥反射镜111上时，所产生的线形光具有均匀的厚度。取决于障碍传感器100的应用，尖锐线形或薄线形光应当在某些情形中产生。在此情形下，可以使用图4A和图4B所示的实施例。

图4A和图4B是截面图，示出其中线形光的厚度能够通过减小光的散射角来控制的狭缝和结构。

参照图4A，当具有小孔的狭缝114设置在发光单元112与第一圆锥反射镜111之间时，从发光单元112辐射的光经过狭缝114，其散射角减小并且具有较小的散射角的光被发射到第一圆锥反射镜111以产生薄线形光。

参照图4B，当发光单元112用在其顶面上提供有小孔的盖结构115覆盖时，类似于以上图4A中示出的，从发光单元112辐射的光经过提供在结构115中的孔，其散射角减小，具有减小的散射角的光被发射到第一圆锥反射镜111以产生线形光。

图4A和图4B中描述的小孔的基部是从发光单元112辐射的光的辐射面积，辐射的光应当经过小于辐射面积的孔从而减小光的散射角。通过控制提供在狭缝114和结构115中的孔的尺寸，散射角能够被控制并且能够产生具有期望厚度的线形光。

在根据本公开一个实施例的障碍传感器中，障碍感测范围由第一圆锥反射镜111和第二圆锥反射镜121之间在垂直截面中的两侧形成的角度（在下文，称为顶点的角度）决定。

图5是示出在第一圆锥反射镜111的顶点的角度设定在89度并且第二圆锥反射镜121的顶点的角度设定在150度的情形下的障碍感测范围的示意图。

线形光的仰角根据第一圆锥反射镜111的顶点角度确定，在上下方向上的障碍感测范围能够被看见。当第一圆锥反射镜111的顶点角度设定在90度时，线形光从障碍传感器平行于地面辐射，设置在与第一圆锥反射镜111相同水平的障碍能够被看见。

当线形光在障碍传感器安装在机器人清洁器上的情形下向上辐射时，它会接触使用者的肉眼。此时，如图5所示，第一圆锥反射镜111的顶点角度被调节至约87至约89度，其略小于90度，从而防止激光束直接接触使用者的肉眼。

第二圆锥反射镜121的顶点角度确定传感器能够感测的最近障碍的位置，也就是能够被感测的障碍的最小距离（在下文，称为“最小感测距离”）。随着第二圆锥反射镜121的顶点角度增大，最小感测距离减小，随着顶点角度减小，最小感测距离增大。

当根据本公开一个实施例的障碍传感器如图5所示设置时，最小感测角度（θ_lower）根据以下的公式1获得。

[公式1]

ρ=180-θ_lower

当变量的值在公式1中被代替和计算时，假设第二圆锥反射镜121的顶点角度（ρ）为150度并且光源与第二圆锥反射镜121之间的距离（b）为50mm，则在图5的本实施例中最小感测角度为30度。此外，最小感测距离能够基于最小感测角度利用公式2获得。

[公式2]

tanθ_lower=d_min/b

在此公式中，d_min为约30mm，因为θ_lower为30度并且b为50mm。也就是，能够被图5所示的障碍传感器感测的设置在最近距离处的障碍设置在距离障碍传感器约30mm的点处。

设置在障碍传感器能够感测的最远距离处的障碍的位置，也就是从传感器到能够被感测的障碍的最大距离（在下文，称为“最大感测距离”）由包括光学透镜122和图像传感器123的照相机模块的视场（FOV）确定。当具有100度的FOV的照相机模块使用在图5所示的实施例中时，θ_upper为80度并且最大感测距离（d_max）为270mm。

根据本公开一个实施例的障碍传感器利用记录在图像传感器123中的图像来测量至障碍的距离，分辨率根据测量的距离而变化。此外，最大感测距离根据照相机模块的FOV改变并且最小感测距离取决于第二圆锥反射镜121的顶点角度而变化。图6A-6E是曲线图，示出在改变第二圆锥反射镜121的顶点角度和透镜122的FOV时测量的距离和分辨率。

图6A是曲线图，示出利用障碍传感器的障碍感测距离，其中第二圆锥反射镜121的顶点角度为135度，光学透镜122的焦距为2.8mm并且照相机模块的FOV为50度。图6B是示出在与图6A相同的情形下的分辨率的曲线图。

图6C是曲线图，示出利用障碍传感器的障碍感测距离，其中第二圆锥反射镜121的顶点角度为150度，光学透镜122的焦距为2.8mm并且照相机模块的FOV为50度。图6D是曲线图，示出利用障碍传感器的障碍感测距离，其中第二圆锥反射镜121的顶点角度为135度，光学透镜122的焦距为2.8mm并且照相机模块的FOV为100度。图6E是示出在相同情形下的分辨率的曲线图。

如从图6D和图6E可见，当使用障碍传感器（其中第二圆锥反射镜121的顶点角度为135度，光学透镜122的焦距为2.8mm并且照相机模块的FOV为100度）时，能够测量3cm至30cm的障碍距离以及平均约4mm/像素的分辨率。如从图6A至图6C可见，在相同的条件下当仅第二圆锥反射镜121的顶点角度增大时，最小感测距离减小。

如上所述，由于障碍的感测范围由第一和第二圆锥反射镜的顶点角度以及照相机模块的FOV确定，所以根据本公开一个实施例的障碍传感器能够通过适当地控制这些值而用于期望的应用。

如上所述，线形光的仰角或辐射角根据第一圆锥反射镜111的顶点角度改变，但是第一圆锥反射镜111的顶点角度在第一圆锥反射镜的制造期间确定。利用第一圆锥反射镜111的顶点角度控制仰角会导致时间和成本上的限制。在下文，将描述其中能够改变线形光辐射的仰角而不改变第一圆锥反射镜111的顶点角度的实施例。

图7A和图7B示出能够控制线形光辐射的仰角的线形光辐射单元的结构。

当使用图7A的左边示出的线形光辐射单元110时，假设产生与地面水平的线形光并且线形光形成至距离地面h1的高度。如图7A的右边示出的，当线形光辐射单元110的整个表面以预定角度倾斜于与地面水平的水平线时，产生以该角度倾斜的线形光。因而，在线形光辐射单元110倾斜的方向上能够感测具有低于h1的高度的障碍，而在相反的方向上能够感测具有高于h1的高度的障碍。

或者，如图7B的右边所示，当发光单元112的整个表面以预定角度倾斜于与地面水平的水平线时，产生以该角度倾斜的线形光。在发光单元112倾斜的方向上能够感测具有高于h1的高度的障碍，在相反的方向上能够感测具有低于h1的高度的障碍。

通过控制线形光辐射单元110或发光单元112倾斜的角度，能够感测具有期望高度的障碍。

图8A和图8B示出一线形光辐射单元的结构，其从一个线形光辐射单元产生辐射在多个辐射角度的线形光。

参照图8A，第一圆锥反射镜111包括具有不同直径的至少两个圆锥反射镜部分。具体地，在图8A所示的实施例中，第一圆锥反射镜111具有通过将具有直径D1的圆锥反射镜在垂直方向上对半分获得的部分111a和通过将具有直径D2的圆锥反射镜在垂直方向上对半分获得的部分111b彼此面对的构造。当从上方观看时第一圆锥反射镜111的形状在图8A的右边示出。

图8A所示的第一圆锥反射镜111可以应用于线形光辐射单元110，或者第一圆锥反射镜111可以经由连接到其的旋转器117旋转，如图8B所示。

旋转器117通过障碍感测控制单元130控制，从障碍感测控制单元130传输到旋转器117的控制信号可以与反射光接收单元120同步。

图9示出能够通过多个线形光辐射单元感测具有不同高度的障碍的障碍传感器的结构。

参照图9，根据本公开一个实施例的障碍传感器100可以包括辐射光到不同高度的多个线形光辐射单元。在本实施例中，障碍传感器100包括三个线形光辐射单元，也就是第一线形光辐射单元110a、第二线形光辐射单元110b和第三线形光辐射单元110c。

如图9所示的，当第一至第三线形光辐射单元（110a至110c）设置在不同的高度时，在第二线形光辐射单元110b的基础上，第一线形光辐射单元110a感测障碍的上部，第三线形光辐射单元110c感测障碍的下部。

尽管在图9中示出障碍高于第一线形光辐射单元110a的情形，但是当障碍低于第一线形光辐射单元110a并且高于第二线形光辐射单元110b时，反射光接收单元120接收从第二线形光辐射单元110b和第三线形光辐射单元110c发射的光，当障碍低于第二线形光辐射单元110b并且高于第三线形光辐射单元110c时，反射光接收单元120仅接收从第三线形光辐射单元110c发射的光。

为了确定发射被反射光接收单元120所接收的光的线形光辐射单元，各个线形光辐射单元的光辐射时间可以不同。当线形光辐射单元同时发射光时，从各个线形光辐射单元发射的光的颜色可以不同。

在图9的实施例中，线形光辐射单元在垂直线上布置成行。然而，线形光辐射单元可以被单独地分开。因而，第一至第三线形光辐射单元可以设置在不同的水平位置。在此情形下，能够减小光学模块的高度。

此外，尽管在图9的实施例中光从线形光辐射单元平行于地面辐射，但是光可以通过将某些线形光辐射单元的第一圆锥反射镜的顶点角度调节为大于或小于90度而在以预定角度倾斜于水平线的方向上辐射。

或者，如图7A和图7B所示，光可以通过倾斜线形光辐射单元或发光单元而在以预定角度倾斜于水平线的方向上辐射。

因而，尽管多个线形光辐射单元不具有不同的垂直位置，也就是线形光辐射单元不安装到不同的高度，但是存在于不同高度处的障碍能够通过控制第一圆锥反射镜的顶点角度或者通过倾斜线形光辐射单元或发光单元来感测。

图10示出根据一个实施例的从图像处理单元传输到障碍感测控制单元130的图像信息。

图像信息可以表现在二维图像平面上。参照图10，假设在图像平面上，任意点为p(u,v)，水平轴为U轴，垂直轴为V轴，图像平面的点p与U轴之间的角度(x)为障碍传感器与对应于实际三维空间中的点p的特定位置之间的方向角，图像平面的原点与点p之间的距离（y）为障碍与实际三维空间中障碍传感器的特定位置之间的距离。

如果障碍不存在于障碍传感器能感测的范围内，则从线形光辐射单元辐射的线形光被无限地发射，没有从障碍反射的线形光，没有观察到在图像平面中接收的线形光的线。然而，当障碍以相同的距离存在于障碍传感器的所有角度时，形成具有与该距离成比例的半径的圆形图像（z）。当计算在角度改变时从对应于该角度的线形光的辐射点到线形光的反射点的距离并计算与其对应的值时，能够获得与所有方向角相关的距离的信息。

将根据图11、[公式3]和[公式4]来描述障碍传感器与障碍之间的实际距离的计算。

图11是简要地示出障碍传感器的每个部件与用于计算距离的障碍之间的关系的示意图。

首先，当被第一圆锥反射镜111反射的激光与障碍碰撞然后返回时，由入射光和反射光形成的角度（θi）将根据以下的[公式3]简要地描述。

θ_i=γ-ξ

ξ = \frac{π}{2} - φ

γ=φ-δ

δ = \tan^{- 1} (\frac{x_{i}}{f})

∴

θ_{i} = 2 φ - \frac{π}{2} - \tan^{- 1} (\frac{x_{i}}{f})

此外，障碍传感器与障碍之间的距离（di）能够利用θi和以下的[公式4]来获得。

[公式4]

d_{i} = r + \frac{(b + d)}{\tan θ_{i}}

如果r,d<<b,

d_{i} &cong; \frac{b}{\tan θ_{i}}

使

ψ = 2 φ - \frac{π}{2}

图12是侧视图，示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的光学模块（线形光辐射单元、反射光接收单元）的外观。

根据本实施例的障碍传感器可以提供在要求感测障碍以及测量传感器与障碍之间的距离的各种装置中，具体地，在能够自动走动或行进的可移动机器人中。此时，障碍传感器的光学模块可以在机器人中被安装成图12所示的形状，并且光学模块的尺寸能够根据机器人的尺寸和应用来减小，线形光辐射单元110和反射光接收单元120的位置可以调换，不同于图12，第二圆锥反射镜121的顶点和第一圆锥反射镜111的顶点可以彼此面对或面对一个方向。

根据本公开一个实施例的障碍传感器，线性光辐射单元和反射光接收单元不是布置在垂直线上的行中以实现光学模块的尺寸的减小或障碍感测的效率，而是可以独立地布置在不同的位置。下面将描述对其的详细描述。

此外，根据本公开一个实施例的障碍传感器安装在机器人清洁器上，该清洁器在自动行进的同时进行清洁，使得机器人清洁器运行而不与障碍碰撞。

在下文，将参照附图描述包括本公开一个实施例的障碍传感器的机器人清洁器。

图13A是当从上方观看时根据本公开一个实施例的机器人清洁器400的平面图。图13B是示出根据本公开一个实施例的机器人清洁器行进的状态的视图。

如图13A的左边示出，多个传感器应当安装在机器人清洁器的前表面上以感测现有技术的机械清洁器周围设置在各种方向上的障碍。如图13A的右边所示，根据本公开一个实施例的机器人清洁器400在其前表面提供有障碍传感器100以在所有的方向上辐射线形光从而感测存在于所有的方向上的障碍，而没有多个传感器或分离的伺服电机。

参照图13B，根据本公开一个实施例的机器人清洁器400在室内行进的同时辐射线形光并感测存在于线形光辐射的位置处的障碍。此时，存在于比线形光辐射的位置更低或更高的位置的障碍不会被感测。具体地，根据线形光的仰角存在死区，导致存在于下部的障碍不能被感测或上部被堵塞的问题。如以上所述，这些问题能够通过在激光二极管112与第一圆锥反射镜111之间设置具有不同尺寸的多个环形凹槽之间的狭缝来解决。

图14是当从上方观看时机器人清洁器400的平面图，其中线形光辐射单元和反射光接收单元安装在不同的位置。

如图12中所述，线形光辐射单元110和反射光接收单元120可以独立地设置在不同的位置。参照图14，线形光辐射单元110和反射光接收单元120可以在机器人清洁器中设置在不同的位置并可以包括多个线形光辐射单元110a和110b。此时，通过将各自的线形光辐射单元110a和110b设置在不同的高度、倾斜线形光辐射单元110、倾斜发光单元或控制第一圆锥反射镜的顶点角度，能够感测具有不同高度的障碍。

如图14所示，当线形光辐射单元110和反射光接收单元120不设置在一行和一个垂直线上而是设置在不同的位置时，能够感测具有不同高度的障碍，而不增大光学模块的高度。

图15是示出根据本公开一个实施例的机器人清洁器400的控制配置的方框图。

参照图15，障碍感测控制单元130计算障碍的位置和距离，将这些值传输到驱动控制单元200，驱动控制单元200基于障碍的位置和距离来确定机器人清洁器400的方向的转动、行进的转向或停止，并传输与其相关的驱动信号到驱动单元300。此外，驱动单元300根据驱动信号来驱动机器人清洁器400。

此外，设置在激光二极管112与第一圆锥反射镜111之间的狭缝包括多个环形凹槽或多个线形光辐射单元110，如图9所示，从而提取从机器人清洁器到障碍的距离以及障碍的高度或大致形状。

此外，驱动控制单元200基于从障碍感测控制单元130传输的与环境相关的信息诸如到障碍的距离和障碍的形状来设定行进路径，并根据设定的行进路径来控制机器人清洁器400的行进或清洁操作。

此外，障碍感测控制单元130基于从反射光接收单元120获得的信息判断机器人清洁器的状态并根据机器人清洁器的情况来打开/关闭障碍传感器。

具体地，障碍感测控制单元130分析从反射光接收单元120获得的信息也就是与机器人清洁器的环境相关的图像信息，从而判断机器人清洁器从传感器窗口的分离。机器人清洁器提供有传感器窗口以防止在发光单元中产生的光的直接发射，从线形光辐射单元110发射的光经由传感器窗口发射到外面。

图16是示出包括传感器窗口的机器人清洁器的侧截面图。

参照图16，从线形光辐射单元110发射的光的一部分从传感器窗口410反射并被引入到反射光接收单元120。障碍感测控制单元130分析从反射光接收单元120传输的图像信息，从而识别传感器窗口410的存在。作为图像信息的分析的结果，当传感器窗口410被认为分离时，障碍感测控制单元130发送控制信号到发光驱动单元113以关闭发光单元112。

在其中传感器窗口410的分离被确认的另一实施例中，当传感器窗口410安装在机器人清洁器上时，传感器窗口感测单元诸如开关或光断续器（photo interrupter）安装在机器人清洁器接触或邻近传感器窗口410的区域中，障碍感测控制单元130分析从传感器窗口感测单元输出的信号从而确定传感器窗口的分离。

参照图15，障碍感测控制单元130识别机器人清洁器400从地面抬起的状态，从而关闭发光单元。机器人清洁器400提供有各种器件诸如加速传感器、陀螺仪传感器、视觉传感器（或照相机）来感测机器人清洁器400的状态。障碍感测控制单元130分析从这些器件输出的信号，从而确定机器人清洁器是否被抬离地面。

例如，机器人清洁器是否从地面抬起能够通过获得从视觉传感器获得的机器人清洁器的上部图像信息并分析所获得的图像信息来确定。具体地，当到天花板的距离（该距离通过如下方式获得：基于放置于地面的机器人清洁器与天花板之间的距离而设定并且计算从视觉传感器获得的图像信息）小于预定水平时，认为机器人清洁器被抬离地面。

或者，到天花板的距离的变化可以通过在机器人清洁器的顶上安装超声传感器等以感测存在于天花板方向的物体来感测，或者纵向加速度能够通过安装纵向加速传感器来感测，从而判断机器人清洁器被抬离地面的状态。

或者，通过分析从反射光接收单元120获得的图像信息，能够判断机器人清洁器被抬离地面的状态。

此外，障碍感测控制单元130在机器人清洁器开始行进之后发送控制信号到发光驱动单元113从而打开发光单元112，障碍感测控制单元130在机器人清洁器完成行进之后关闭发光单元112，从而减小功率损耗并防止光源的不必要的发射。

图17是示意地示出安装在根据本公开一个实施例的机器人清洁器400的前面的障碍传感器的配置的侧截面图。

参照图17，障碍传感器100安装在机器人清洁器400的行进方向上，也就是在其前表面上。线形光辐射单元110和反射光接收单元120的位置可以上下改变。然而，当线形光辐射单元110安装在机器人清洁器400的底部上时，能够容易地感测干扰机器人清洁器400的行进的障碍。

此外，通过设置第一圆锥反射镜111使得第一圆锥反射镜111与地面间隔开预定距离或更多，运行的机器人清洁器400能够被控制为忽略具有运行的机器人清洁器400能够在下面通过的高度的障碍。在一个实施例中，当第一圆锥反射镜111的位置被控制为使得从第一圆锥反射镜111反射的激光被辐射到离地面20mm的高度，则机器人清洁器400越过具有小于20mm的高度的障碍而不感测该障碍。

然而，图17示出其中障碍传感器100安装在根据一个实施例的机器人清洁器上的结构。在一个实施例中，光可以通过将障碍传感器以90度倾斜而如期望地在地面的垂直方向上辐射。

图18是示出根据本公开一个实施例的障碍传感器的光学模块安装在机器人清洁器400上的配置的视图。

如上所述，线形光辐射单元110和反射光接收单元120的位置不受限制。如图18所示，线形光辐射单元110的第一圆锥反射镜111的顶点可以朝下设置，反射光接收单元120的第二圆锥反射镜121的顶点可以朝上设置。如图18所示，当设置线形光辐射单元110和反射光接收单元时，图像传感器123从上向下设置以防止外部光直接辐射到图像传感器123。

当障碍传感器安装在机器人清洁器400上时，最小化障碍传感器的尺寸是重要的。因而，在本公开的另一个实施例中，如图18的右边所示，线形光辐射单元110和反射光接收单元没有布置在上下方向上而是线形光辐射单元110分离地设置在反射光接收单元前面，从而减小障碍传感器的高度。

此外，如图14所示，通过将线形光辐射单元110和反射光接收单元设置在独立的位置处，能够减小障碍传感器的尺寸。

如上所述，根据本公开一个实施例的障碍传感器，该障碍传感器均匀地产生线形光，从而感测存在于所有方向上的障碍，减小了根据仰角的障碍感测死区并提取障碍的形状。

此外，根据本公开的包括障碍传感器的机器人清洁器400感测存在于所有方向上的障碍并使用用于驱动控制的障碍传感器，从而实现更有效的清洁和运行。

当使用根据本公开实施例的障碍传感器时，可以形成均匀的线形光、改善障碍感测的准确性、利用线形光感测存在于所有方向上的障碍、消除了安装多个传感器或单独的伺服结构的必要性，因此改善了经济和结构效率。

此外，包括障碍传感器的机器人清洁器能够准确地感测存在于所有方向上的障碍，从而有效地行进。

此外，包括障碍传感器的机器人清洁器能够根据机器人清洁器的状态而有效控制障碍传感器。

尽管已经示出和描述了本公开的一些实施例，但是本领域技术人员将理解，可以在这些实施例中进行改变而不背离本发明的原理和精神，本发明的范围由权利要求书及其等同物限定。

Claims

1.一种障碍传感器，包括：

线形光辐射单元，包括：发光单元；和第一圆锥反射镜，该第一圆锥反射镜的顶点在所述发光单元的光辐射方向上朝向所述发光单元设置并将从所述发光单元发射的光转换为在所有方向上辐射的线形光；以及

反射光接收单元，包括：第二圆锥反射镜，用于会聚从所述第一圆锥反射镜辐射然后从障碍反射的光；透镜，与所述第二圆锥反射镜的顶点间隔开预定距离并透射反射光；以及成像单元，使穿过所述透镜的反射光成像。

2.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元还包括：狭缝或展象透镜，设置在所述发光单元与所述第一圆锥反射镜之间以将从所述发光单元辐射的光形成为环的形式。

3.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元还包括：狭缝，具有设置在所述发光单元与所述第一圆锥反射镜之间的至少一个凹槽。

4.根据权利要求3所述的障碍传感器，其中所述狭缝具有环形、十字形、圆形或线形的凹槽。

5.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述第一圆锥反射镜通过将具有不同底部直径的两个或更多圆锥部分接合而形成。

6.根据权利要求5所述的障碍传感器，还包括：

旋转器，用于旋转所述第一圆锥反射镜。

7.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中形成在所述第一圆锥反射镜的垂直截面上的顶点上的两侧的角度为88度至90度。

8.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述反射光接收单元的所述透镜与所述第二圆锥反射镜的顶点间隔开所述透镜的焦距。

9.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述反射光接收单元的所述透镜或所述第二圆锥反射镜的表面用带通滤波器涂覆以仅透射反射光的波长。

10.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元的所述第一圆锥反射镜的顶点和所述反射光接收单元的所述第二圆锥反射镜的顶点设置在相反的方向上。

11.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元的所述第一圆锥反射镜的顶点和所述反射光接收单元的所述第二圆锥反射镜的顶点设置在一个方向上。

12.根据权利要求10所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元的所述第一圆锥反射镜的顶点和所述反射光接收单元的所述第二圆锥反射镜的顶点彼此面对。

13.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述反射光接收单元的透镜是宽角度透镜。

14.根据权利要求1所述的障碍传感器，还包括：

结构，具有小于从所述发光单元辐射的光的辐射截面积的孔，

其中该孔在所述发光单元的光辐射路径中设置在所述发光单元与所述第一圆锥反射镜之间。

15.根据权利要求1所述的障碍传感器，其中所述线形光辐射单元或所述发光单元以预定角度倾斜于垂直于地面的垂直线。