CN112305547B - 一种机器人防跌落检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种机器人防跌落检测方法,由于采用卡尔曼滤波算法进行最优估计,通过采用多次采样、迭代计算更新估计结构,从而消除超声波传感器数据不确定带来的误差,其工作稳定、结果可靠性高。整个控制方法结构简单,算法简明,适合FPGA的并行处理结构及底层设计的特点,运行速度较快,可以实时监测。采用超声波传感器转动扫描的方式,其成本较低,实现简单,可提前检测到台阶并预警,有效防止机器人的跌落。
Description
技术领域
本发明涉及机器人跌落检测技术领域,具体涉及一种机器人防跌落检测方法。
背景技术
传统机器人防跌落采用的主要方法为将超声波、红外、激光等测距传感器垂直朝下安装在机器人最前方的底部,朝下测量倒地距离,当探出桌面或台阶时,距离发生变化,判断为即将跌落,停止前进。这种方法需要将传感器安置在探出桌面、台阶的位置,只有已经到达边缘时才能检测出并停止前进,由于传感器不稳定且检测防错余量空间较小,存在因误判而跌落的风险。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足,提供了一种可以提前检测台阶,有效防止机器人跌落的检测方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是:
一种机器人防跌落检测方法,包括如下步骤:
a)机器人前端的下方转动安装有超声波传感器,超声波传感器的初始位置垂直向下,驱动装置驱动超声波传感器向上转动90°后再驱动其向下转动至初始位置,并使超声波传感器循环往复运动;
b)超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置小于30°时,超声波传感器检测的台阶边缘的距离为准确距离,当超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置大于30°时,其检测的台阶边缘的距离在100cm-300cm时,检测距离为Sedge;
c)超声波传感器检测到距离台阶边缘距离为100cm-300cm时,机器人内的FPGA芯片以Nms为采样周期采集超声波传感器输出的距离检测值,当Mms内出现十次存在从准确距离到Sedge突变时,记录超声波传感器此时的转动角度θ,记录此时测量的准确距离x1;
d)通过公式S1=x1×sinθ计算机器人距离台阶边缘的距离S1;
f)经过时间t,机器人底盘里程计或IMU记录机器人行进距离为vt,其中v为机器人的惯性传感器测量的速度值,通过公式计算得到距离估计值概率S2′,式中为惯性传感器的噪声方差,a为正态分布期望,为方差值;
k)当距离估计结果小于跌落阈值k时,机器人停止运动。
进一步的,驱动装置包括设置于机器人内的电机、安装于电机输出轴上的带轮Ⅰ以及同轴连接于超声波传感器上的带轮Ⅱ,带轮Ⅰ与带轮Ⅱ之间通过皮带传动连接。
优选的,步骤a)中超声波传感器的转动时线速度为10cm/s。
优选的,步骤c)中N取值为1,M取值为20。
本发明的有益效果是:由于采用卡尔曼滤波算法进行最优估计,通过采用多次采样、迭代计算更新估计结构,从而消除超声波传感器数据不确定带来的误差,其工作稳定、结果可靠性高。整个控制方法结构简单,算法简明,适合FPGA的并行处理结构及底层设计的特点,运行速度较快,可以实时监测。采用超声波传感器转动扫描的方式,其成本较低,实现简单,可提前检测到台阶并预警,有效防止机器人的跌落。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
一种机器人防跌落检测方法,包括如下步骤:
a)机器人前端的下方转动安装有超声波传感器,超声波传感器的初始位置垂直向下,驱动装置驱动超声波传感器向上转动90°后再驱动其向下转动至初始位置,并使超声波传感器循环往复运动。
b)超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置小于30°时,超声波传感器检测的台阶边缘的距离为准确距离,当超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置大于30°时,其检测的台阶边缘的距离在100cm-300cm时,检测距离为Sedge。以距地高度1m桌面,超声波传感器距桌面10cm为例,当机器人行进到靠近桌面边缘,且当超声波传感器转动角度较小(小于30°)时,检测与桌面距离为准确值,大于30°继续转动时,存在三种不确定状态:准确距离(小于20cm)、满量程最大不确定值Smax(接收不到回波检测不出距离,一般为大于1000cm的值)、检测到桌面边缘Sedge(一般为100cm-300cm的值),三种值发生无规律或有规律不确定互相变化,越靠近桌面边缘变化越频繁,不确定性越大。
c)超声波传感器检测到距离台阶边缘距离为100cm-300cm时,机器人内的FPGA芯片以Nms为采样周期采集超声波传感器输出的距离检测值,当Mms内出现十次存在从准确距离到Sedge突变时,记录超声波传感器此时的转动角度θ,记录此时测量的准确距离x1。机器人的FPGA处理器平台进行数据的实时计算和处理,在FPGA内部采用Verilog硬件描述语言进行数字逻辑设计各功能模块实现功能。
d)通过公式S1=x1×sinθ计算机器人距离台阶边缘的距离S1。
e)此计算距离由于传感器值不确定性存在较大误差,采样间隔足够小时估计值统计呈近似正态分布,此时通过公式计算位置估计值概率分布S1′,式中N为正态分布,为超声波传感器的位置距离方差,该值可以预先采用超声波传感器进行多次角度测量检测得到。
f)经过时间t,机器人底盘里程计或IMU记录机器人行进距离为vt,其中v为机器人的惯性传感器测量的速度值,通过公式计算得到距离估计值概率S2′,式中为惯性传感器的噪声方差,可以由惯性传感器多次实验测量得到,a为正态分布期望,为方差值。
k)当距离估计结果小于跌落阈值k时,机器人停止运动,从而实现提前跌落预警,防止机器人跌落。
由于采用卡尔曼滤波算法进行最优估计,通过采用多次采样、迭代计算更新估计结构,从而消除超声波传感器数据不确定带来的误差,其工作稳定、结果可靠性高。整个控制方法结构简单,算法简明,适合FPGA的并行处理结构及底层设计的特点,运行速度较快,可以实时监测。采用超声波传感器转动扫描的方式,其成本较低,实现简单,可提前检测到台阶并预警,有效防止机器人的跌落。进一步的,驱动装置包括设置于机器人内的电机、安装于电机输出轴上的带轮Ⅰ以及同轴连接于超声波传感器上的带轮Ⅱ,带轮Ⅰ与带轮Ⅱ之间通过皮带传动连接。
优选的,步骤a)中超声波传感器的转动时线速度为10cm/s。
优选的,步骤c)中N取值为1,M取值为20。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种机器人防跌落检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
a)机器人前端的下方转动安装有超声波传感器,超声波传感器的初始位置垂直向下,驱动装置驱动超声波传感器向上转动90°后再驱动其向下转动至初始位置,并使超声波传感器循环往复运动;
b)超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置小于30°时,超声波传感器检测的台阶边缘的距离为准确距离,当超声波传感器转动至相对竖直状态的初始位置大于30°时,其检测的台阶边缘的距离在100cm-300cm时,检测距离为Sedge;
c)超声波传感器检测到距离台阶边缘距离为100cm-300cm时,机器人内的FPGA芯片以Nms为采样周期采集超声波传感器输出的距离检测值,当Mms内出现十次存在从准确距离到Sedge突变时,记录超声波传感器此时的转动角度θ,记录此时测量的准确距离x1;
d)通过公式S1=x1×sinθ计算机器人距离台阶边缘的距离S1;
f)经过时间t,机器人底盘里程计或IMU记录机器人行进距离为vt,其中v为机器人的惯性传感器测量的速度值,通过公式计算得到距离估计值概率S2′,式中为惯性传感器的噪声方差,a为正态分布期望,为方差值;
k)当距离估计结果小于跌落阈值k时,机器人停止运动。
2.根据权利要求1所述的机器人防跌落检测方法,其特征在于:驱动装置包括设置于机器人内的电机、安装于电机输出轴上的带轮Ⅰ以及同轴连接于超声波传感器上的带轮Ⅱ,带轮Ⅰ与带轮Ⅱ之间通过皮带传动连接。
3.根据权利要求1所述的机器人防跌落检测方法,其特征在于:步骤a)中超声波传感器的转动时线速度为10cm/s。
4.根据权利要求1所述的机器人防跌落检测方法,其特征在于:步骤c)中N取值为1,M取值为20。
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Families Citing this family (1)
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---|---|---|---|---|
CN114699688B (zh) * | 2022-05-27 | 2022-08-12 | 江苏中创机器人研究院有限公司 | 一种防护性能好的消防用机器人 |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB201319513D0 (en) * | 2010-12-30 | 2013-12-18 | Irobot Corp | A method of operating a mobile robot |
CN106569489A (zh) * | 2015-10-13 | 2017-04-19 | 录可***公司 | 具有视觉导航功能的扫地机器人及其导航方法 |
CN107045352A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-08-15 | 珠海市微半导体有限公司 | 基于多红外的机器人避障装置、其控制方法及机器人沿边控制方法 |
CN107092259A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-08-25 | 纳恩博(北京)科技有限公司 | 机器人的防跌落方法和装置 |
CN109186463A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-11 | 浙江梧斯源通信科技股份有限公司 | 应用于可移动机器人的防跌落方法 |
CN109602341A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-04-12 | 珠海市微半导体有限公司 | 一种基于虚拟边界的清洁机器人跌落控制方法及芯片 |
CN111309015A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-06-19 | 华南理工大学 | 一种融合多传感器的变电站巡检机器人定位导航*** |
CN111531549A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-08-14 | 北京海益同展信息科技有限公司 | 一种机器人***及定位导航方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101620449B1 (ko) * | 2014-06-26 | 2016-05-12 | 삼성전자 주식회사 | 로봇 청소기 및 로봇 청소기의 제어방법 |
US11576543B2 (en) * | 2014-07-18 | 2023-02-14 | Ali Ebrahimi Afrouzi | Robotic vacuum with rotating cleaning apparatus |
-
2020
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Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB201319513D0 (en) * | 2010-12-30 | 2013-12-18 | Irobot Corp | A method of operating a mobile robot |
CN106569489A (zh) * | 2015-10-13 | 2017-04-19 | 录可***公司 | 具有视觉导航功能的扫地机器人及其导航方法 |
CN107045352A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-08-15 | 珠海市微半导体有限公司 | 基于多红外的机器人避障装置、其控制方法及机器人沿边控制方法 |
CN107092259A (zh) * | 2017-06-08 | 2017-08-25 | 纳恩博(北京)科技有限公司 | 机器人的防跌落方法和装置 |
CN109186463A (zh) * | 2018-09-04 | 2019-01-11 | 浙江梧斯源通信科技股份有限公司 | 应用于可移动机器人的防跌落方法 |
CN109602341A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-04-12 | 珠海市微半导体有限公司 | 一种基于虚拟边界的清洁机器人跌落控制方法及芯片 |
CN111309015A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-06-19 | 华南理工大学 | 一种融合多传感器的变电站巡检机器人定位导航*** |
CN111531549A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-08-14 | 北京海益同展信息科技有限公司 | 一种机器人***及定位导航方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
Development of gait measurement robot for prevention of falls in the elderly;Ayanori Yorozu et al.;《 2014 11th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (ICINCO)》;20140903;第1-9页 * |
Fall Prevention and Vibration Suppression of Wheelchair Using Rider Motion State;Isseki Takahashi et al.;《2018 International Power Electronics Conference (IPEC-Niigata 2018 -ECCE Asia)》;20180524;第575-582页 * |
一种六足仿生机器人的避障和防跌落功能设计;王廷毓 等;《电子世界》;20180423;第148-149页 * |
楼梯清洁机器人防跌落防碰撞研究;张磊 等;《机械设计与制造》;20181031;第240-244页 * |
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Publication number | Publication date |
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