CN208432734U - 一种基于红外调制的障碍物检测装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于红外调制的障碍物检测装置及机器人，所述障碍物检测装置包括一个红外调制检测模块，该红外调制检测模块包括结构限定元件101、红外发射管102及红外接收头110，红外发射管102和红外接收头110彼此呈夹角地设置于结构限定元件上，红外发射管102的发射视角与红外接收头110的接收视角交叉形成一个封闭的检测区域109，所述红外接收头110用于接收该检测区域109内障碍物反射来自所述红外发射管的已调制信号，从而解决限定区域内的障碍物检测问题，提高障碍物检测的灵敏度。

Description

一种基于红外调制的障碍物检测装置及机器人

技术领域

本实用新型涉及自主行动机器人技术领域，具体涉及一种基于红外调制的障碍物检测装置及机器人。

背景技术

随着技术发展和人们对舒适生活的追求，自主行动机器人越来越多进入到人们生活当中，如陪伴机器人、扫地机器人等。机器人的基本功能是环境感知、指令接收和行为控制。机器人难点首先是环境的感知，机器人需要知道哪些地方可以去，前面有哪些障碍物，侧面是否是墙等等。环境的感知依赖于各种传感器数据的获取，目前常见的传感器包括：红外光强传感器、红外距离传感器、超声波传感器、视觉传感器、激光传感器等等。从精度上看，红外测距传感器、超声波传感器、激光传感器都可以获得比较高的精度，但是成本比较高，同时除了激光传感器外覆盖的角度比较小，需要比较多的数目才能够减小检测的盲区，而激光传感器主要感知一个很窄的二维平面，垂直方向存在盲区。视觉传感器如果需要做到测距，则需要至少两个摄像头，成本比较高，精度欠佳，模具上也需要专门的孔洞来放置。从成本上和外观考虑，红外光强传感器无疑是最为便宜和应用最广的。

家电的遥控功能绝大部分采用红外线方式进行遥控，遥控器发出一串红外波形，被遥控设备接收到这串波形后作出反应。红外遥控一般采用940nm的红外线。常用的红外编码协议有ITT协议、NEC协议、Nokia NRC协议、Sharp协议、Philips RC－5协议、PhilipsRC－6协议、Philips RECS－80协议和Sony SIRC协议等。这些协议的差别可以归结为所使用的载波频率不同和编码不同。

目前的机器人都是基于单光强的红外检测障碍物，不同的材质对红外的发射不同，黑色的表面不能有效反射，导致对障碍物的适应性比较差。

实用新型内容

一种基于红外调制的障碍物检测装置，包括一个红外调制检测模块，该红外调制检测模块包括结构限定元件、红外发射管及红外接收头，红外发射管和红外接收头彼此呈夹角地设置于结构限定元件上，红外发射管的发射视角与红外接收头的接收视角交叉形成一个封闭的检测区域，所述红外接收头用于接收该检测区域内障碍物反射来自所述红外发射管的已调制信号。

进一步地，所述红外发射管和所述红外接收头的中心线形成一个预定夹角，使得所述检测区域限定于所述结构限定元件正前方的预定距离范围内。

进一步地，所述预定距离范围设置为大于4厘米而小于10厘米。

进一步地，发射自所述红外发射管的已调制信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到；

其中，所述预设频率是由所述红外编码确定的，而所述红外编码是所述红外接收头所能识别的信号编码协议。

进一步地，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

一种机器人，该机器人是一种可移动的机器人，该机器人装设有一组或多组所述障碍物检测装置。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果：本实用新型实施通过利用低成本的红外部件接收一个限定响应区域内的障碍物反射的调制脉冲信号来检测障碍物，解决限定区域内的障碍物检测问题，对于黑色的反射面可通过调制脉冲信号的方式检测到，提高障碍物检测的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的红外调制检测模块的构造及光路示意图；

图2为本实用新型实施例提供的红外调制检测模块的控制时序图；

图3为本实用新型实施例提供的二进制信号编码示意图，图3(a)为二进制信号中的逻辑‘1’的编码示意图，图3(b)为二进制信号中的逻辑‘0’的编码示意图；

图4为本实用新型实施例提供的红外信号调制解调示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

在实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。

如图1所示，本实施例提供一种基于红外调制的障碍物检测装置，包括一个红外调制检测模块，该红外调制检测模块包括结构限定元件101、红外发射管 102及红外接收头110，结构限定元件101作为承载机构，用来固定和隔离红外发射管102和红外接收头110，红外发射管102和红外接收头110呈相交角度地设置于结构限定元件101上，通过结构限定元件101把红外发射管102和红外接收头110的光路汇聚到区域109上。光路105和光路103围成红外发射管102 的发射视角范围，光路105和光路103相交形成红外发射管102的发射角，104 表示红外发射管102的中心线；光路106和光路107围成红外接收头110的接收视角范围，光路106和光路107相交形成红外接收头110的接受角，108表示红外接收头110的中心线。区域109表示红外发射管的发射视角与红外接收头的接收视角交叉形成的一个封闭的检测区域，即光路105、光路103、光路106 和光路107围成的一个封闭的不规则图形，该检测区域位于红外发射管102的发光范围与红外接收头110的接收范围相交的共同的视野范围内，该检测区域内的障碍物反射比较强，红外接收头110接收到的光强也比较强。

通过结构限定元件101的限定作用形成的检测区域109内，所述红外接收头110能够接收检测区域109内障碍物反射来自所述红外发射管102的红外调制信号；其中障碍物反射的信号是发射自所述红外发射管的已调制信号，即传输到所述红外发射管的调制信号与驱动红外发射的所述载波脉冲相乘得到的信号。

优选地，所述红外发射管102的中心线104和所述红外接收头110的中心线108形成一个预定夹角，使得所述检测区域109限定于所述结构限定元件101 正前方的预定距离范围内，即图1中检测区域109与所述结构限定元件101正前方的最小距离为h1，最大距离为h2。具体地，h1设置为4厘米，h2设置为10厘米。所述预定距离范围设置为大于4厘米而小于10厘米。

优选地，所述红外发射管的输出功率恒定，并且其功率大小满足所述红外接收头接收和解调所述预定距离范围内反射信号的强度要求。所述检测区域109 内障碍物距离所述红外接收头110越近，所述红外接收头110的接收信号越强，当两者距离小于防碰撞距离时会引发安全问题；所述检测区域109内障碍物距离所述红外接收头110越远(大于防碰撞距离)，所述红外接收头110的接收信号越弱，当所述红外发射管102的中心线104和所述红外接收头110的中心线 108几乎没有交点时，所述红外接收头110的接收信号无法进行解调。故需要在所述预定距离范围内限定出一个检测区域109，然后调节所述红外发射管102的输出功率来进行障碍物检测，使得检测区域109内障碍物反射回适用于解调强度的信号给所述红外接收头110。所述红外发射管102根据实际检测障碍物过程中所述预定距离范围的大小，设定一个稳定数值的输出功率以满足限定范围内所述红外接收头110接收障碍物反射信号的强度要求，排除其他光脉冲的影响，提高检测效果，实现低功耗检测。

优选地，发射自所述红外发射管102的信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到,其中，预设频率是由红外编码确定的，而红外编码是所述红外接收头110 所能识别的信号编码协议。所述预设频率设定为38KHz或40KHz，以满足本实用新型实施所述红外接收头110所能识别的红外编码协议。与所述红外反射管102 相连接的发送端采用常规的脉冲调制方式(比如脉冲宽度调制(PWM)，脉冲位置调制(PPM)等方法)，将二进制数字信号调制成预设频率的间断脉冲串，并驱动红外发射管102以光脉冲的形式发送出去，即借助预设频率的载波信号承载有用信息的调制信号发送给接收方。其中，调制信号间隔发送，先发送一段具有预设频率的连续脉冲序列，再进入空闲状态，然后又发送一段具有预设频率的连续脉冲序列，再进入空闲状态，如此交替的发送。

作为一种实施例，所述调制信号是一种二进制信号，如图3所示，图3(a) 中，二进制信号中的逻辑‘1’的高低电平信号的脉冲宽度均等于0.26ms；图3 (b)中，二进制信号中的逻辑‘0’的低电平信号的脉冲宽度等于0.52ms,高电平信号的脉冲宽度等于0.26ms。需要说明的是，不同的红外编码中，二进制信号中逻辑“0”和逻辑“1”对应的占空比不同，即对应的高低电平信号的脉冲宽度的比值不同。而本实用新型实施中，各种常见的红外遥控编码协议都适用于所述调制信号。

进一步地，所述红外接收头将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。当所述红外接收头接收到调制信号时，输出一个低电平，否则输出一个高电平，因为所述红外接收头解调输出信号与所述红外发射管的原始发射信号相反。

基于所述障碍物检测装置，本实用新型实施提供一种障碍物检测方法，该检测方法包括：

通过若干工作周期实现对所述结构限定元件上所述红外发射管102的发射信号和所述红外接收头110的解调输出信号的控制，然后根据所述红外接收头 110的接收信号来判断所述结构限定元件101所限定的检测区域109内是否存在障碍物。

具体地，为了实现调制信号的检测功能，需要对所述红外发射管102做相应的时序控制，通过检测所述红外接收头110的解调输出信号来实现判断所述结构限定元件所限定的检测区域109内是否存在障碍物。如图2所示，图中上部分为所述红外发射管102的已调制的发射信号，图中下部分是所述红外接收头110的解调输出信号。当所述发射信号与所述解调输出信号存在如下脉冲时序即可判断所述检测区域109内存在障碍物，其中脉冲时序包括：

(1)t0时刻与t1时刻之间，所述红外发射管102发射一段预设频率的连续脉冲串，相应地，所述红外接收头110接收到所述检测区域109内反射的所述连续脉冲串，经过解调输出低电平；其中，所述连续脉冲串是基于红外编码的调制信号的高电平脉冲与所述预设频率的载波信号相与得到的，所述红外编码是所述红外接收头所能识别的信号编码协议；

(2)t1时刻与t2时刻之间，所述红外发射管102的发射信号中没有出现脉冲串，该时间段作为发射信号的空闲时间间隔，相应地，所述红外接收头110 接收到所述检测区域109内反射的所述发射信号，经过解调输出高电平；

(3)t2时刻，进入下一个工作周期；

(4)t2时刻至t3时刻的时间段的工作时序重复步骤(1)，t3时刻至t4 时刻的时间段的工作时序重复步骤(2)，然后在t4时刻进入下下一个工作周期，如此迭代，使得所述红外接收头110持续接收到所述检测区域109内反射的来自所述红外发射管102发射的已调制红外信号；所述红外发射管102重复工作时序(1)至(4)，不断发射已调制信号，而障碍物处于所述检测区域109内可反射已调制的红外信号，使得所述红外接收头110可以持续接收到反射信号。

其中预设频率的连续脉冲串为加载载波信号的编码的二进制信号，而所述红外接收头110接收到的反射信号是来自所述检测区域109内的整个障碍物或障碍物的一部分反射面。

当所述红外接收头110的解调输出信号不存在上述脉冲时序，所述检测区域109不存在障碍物。

优选地，所述预设频率是根据所述红外接收头110的频率适配特性而调制出来，以符合常见的红外编码协议的要求。具体地，通过调制可以使红外光以特定的频率闪烁，所述红外接收头110会适配这个频率，其他噪声信号都被忽略。根据发射端调制载波的不同选用相应解调频率的接收头。本实用新型实施例中，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

优选地，所述红外发射管102的发射信号为已调制成所述预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串中的所述空闲时间间隔根据所述预设频率的载波信号之间的固定空闲周期确定的，所述调制信号是基于红外编码的编码信号，所述固定空闲周期的数值也由所述红外编码的相关协议确定。所述载波脉冲之间使用所述固定空闲周期进行分隔，以表示逻辑“0”，而所述间断脉冲串为传输到所述红外发射管102的调制信号与驱动红外发射的所述载波信号相与得到的。

作为本实用新型的一种实施方式，红外信号的调制有脉冲宽度调制(PWM)，脉冲位置调制(PPM)等方法，使得载波频率可调整。本实施例中采用脉宽调制。二进制的调制由主控芯片来完成，它把编码后的二进制信号调制成频率为38KHz 的间断脉冲串，此间断脉冲串是用于所述红外发射管102发送的已调制信号。如图4所示，波形A是二进制信号的编码波形，波形B是频率为38KHz(周期约为26us)的连续脉冲串(相当于载波信号)，二进制信号的编码波形A中逻辑“1”的高低电平的脉冲宽度均相当于连续脉冲串B中的10个脉冲的时间宽度；而逻辑“0”的低电平的脉冲宽度相当于连续脉冲串B中的20个脉冲的时间宽度，高电平的脉冲宽度相当于连续脉冲串B中的10个脉冲的时间宽度。波形C是经调制后的间断脉冲串，即是用于发送的信号，对应于图2的发射信号。

如图4所示，待发的二进制数据为101，当所述检测区域109内存在障碍物时，则将所述红外发射管102发送的已调制信号反射给所述红外接收头110，对应的二进制信号的解调由所述红外接收头110把接收到的信号(图4中的波形D) 经内部处理并解调复原，输出图4中的波形E(正好是图4中波形A的取反)，即所述红外接收头的解调可理解为：在输入脉冲串时输出低电平，否则输出高电平。二进制的解码由主控芯片来完成，它把红外接收头送来的二进制编码波形通过解码，还原成所述红外发射管发送的二进制数据。如图4，把波形E解码还原成数据信息101，此时可以判断得出所述检测区域109内存在障碍物。

优选地，所述红外发射管102在所述检测区域109与所述结构限定元件101 的距离范围内输出恒定强度的功率，以使得所述红外接收头110只能接收所述检测区域109内障碍物反射的所述发射信号；其中，所述检测区域109与所述结构限定元件101的距离范围为大于4厘米而小于10厘米。如图1所示检测区域109与所述结构限定元件101正前方的最小距离为h1，最大距离为h2。具体地，h1设置为3厘米，h2设置为8厘米。所述红外发射管102根据实际检测障碍物过程中所述预定距离范围的大小，设定一个稳定数值的输出功率以满足限定范围内所述红外接收头110接收障碍物反射信号的强度要求。

在实际检测过程中，整个障碍物位于所述结构限定元件101正前方所述检测区域109之外的区域，如图1所示，分为两种实施例。实施例一，当障碍物位于光路105和光路103围成红外发射管102的发光范围内所述检测区域109 之外的区域#1时，区域#1不在光路106和光路107围成红外接收头110的接收视角范围内，由于所述红外发射管102的输出功率和所述检测区域的限制，所述红外接收头110几乎接收不到区域#1内的障碍物反射信号或接收到极弱的信号以至于无法解调输出信号。

实施例二，当障碍物位于光路107和光路106围成红外接收头110的接收范围内所述检测区域109之外的区域#2，区域#2不在光路103和光路105围成红外接收头110的发射视角范围内且与所述结构限定元件101正前方的距离超出所述预设距离范围，由于所述红外发射管102的输出功率和所述预设距离的限制，区域#2内障碍物接收来自红外发射管102的已调制信号非常弱，几乎不反射发射自所述红外发射管的已调制信号，而所述红外接收头110则接收到极弱的信号以至于无法解调输出相应信号。

基于前述的障碍物检测装置可装设于一种可移动的机器人上，一般障碍物检测会有6组，均匀地分布在机器人的前方，用来检测该移动机器人周边限定区域内的障碍物的位置。当然该移动机器人不排除还可以包括其他的机构和功能模块。

以上实施例仅为充分公开而非限制本实用新型，凡是基于本实用新型构思且未经创造性劳动即可获得的等效技术特征的替换，应当属于实用新型所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于红外调制的障碍物检测装置，包括一个红外调制检测模块，该红外调制检测模块包括结构限定元件、红外发射管及红外接收头，红外发射管和红外接收头彼此呈夹角地设置于结构限定元件上，其特征在于，红外发射管的发射视角与红外接收头的接收视角交叉形成一个封闭的检测区域，所述红外接收头用于接收该检测区域内障碍物反射来自所述红外发射管的已调制信号。

2.根据权利要求1所述障碍物检测装置，其特征在于，所述红外发射管和所述红外接收头的中心线形成一个预定夹角，使得所述检测区域限定于所述结构限定元件正前方的预定距离范围内。

3.根据权利要求2所述障碍物检测装置，其特征在于，所述预定距离范围设置为大于4厘米而小于10厘米。

4.根据权利要求1所述障碍物检测装置，其特征在于，发射自所述红外发射管的已调制信号是被调制成预设频率的间断脉冲串，该间断脉冲串是预设频率的载波信号和基于红外编码的调制信号相与得到；

其中，所述预设频率是由所述红外编码确定的，而所述红外编码是所述红外接收头所能识别的信号编码协议。

5.根据权利要求4所述障碍物检测装置，其特征在于，所述预设频率设定为38KHz或者40KHz。

6.一种机器人，该机器人是一种可移动的机器人，其特征在于，该机器人装设有一组或多组权利要求1-5任一项所述障碍物检测装置。