家庭服务机器人红外避障传感器安装位置分析

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[导读]这种安装位置与安装方法,相对于现有的红外避障感器的安装方法进行了重要改进:针对家具凸出物高度进行的安装位置优化,采用了低中高三个安装区域共24组红外避障传感器,分布安装在服务机器人的前面、两侧和后面。让红外避障传感器总能扫描到家具凸出面,从而让服务机器人能够进行有效避让各类家具,适用于家庭服务机器人、商用服务机器人、送餐机器人等各类服务机器人。

    服务机器人在家庭住宅、酒店客房、办公空间、会所等室内空间使用时,都要用到避障传感器,通常采用红外、超声波、激光雷达、双目视觉四种传感器中的一种或多种进行避障操作,本文将主要分析红外避障传感器的安装位置。  

      红外避障传感器基本原理:利用物体的反射性质。在一定范围内,如果没有障碍物,发射出去的红外线,因为传播距离越远而逐渐减弱,最后消失。如果有障碍物,红外线遇到障碍物,被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号,就可以确认正前方有障碍物,并送给单片机,单片机进行一系列的处理分析,协调服务机器人的两轮工作,完成躲避障碍物动作。

      红外避障传感器是专为轮式机器人设计的一款距离可调式避障传感器。其具有一对红外线发射与接收管,发射管发射出一定频率的红外线,当检测方向遇到障碍物(反射面)时,红外线反射回来被接收管接收,此时指示灯亮起,经过电路处理后,信号输出接口输出数字信号,可通过电位器旋钮调节检测距离,有效距离2~40cm,工作电压为3.3V-5V,由于工作电压范围宽泛,在电源电压波动比较大的情况下仍能稳定工作,适合多种单片机、Arduino控制器、树莓派使用,安装到机器人上即可感测周围环境的变化。

 

 

 

 

 

 

 

 


     一种典型的红外壁障传感器

      红外避障传感器工作原理:红色线接5V,黄色接信号,绿色GND 接电源负极或单片机上的逻辑地。前方无障碍输出高电平,有障碍输出口(黄色)电平会从高电平变成低电平(0)。背面图有一个电位器可以调节障碍的检测距离。在电路设计中可以再输出端黄线加上拉电阻10K到5V,再接入单片机检测,会比较稳定,单片机检测可以采用外部硬件中断INT0 INT1等来实现。

      当前在服务机器人本体上安装的红外避障传感器通过按照高中低三组进行安装,如最常见的安装高度为低位80mm,中位480mm,高位780mm。这一安装高度的设定并没有充分的标准和依据,在实际应用中出现了许多情况红外避障传感器因为安装太高、太低或密度不够导致无法探知到附近障碍物,从而影响服务机器人的行动并对可能会环境和人造成破坏,这都是红外避障传感器安装方法不恰当造成的,急需根据环境特色尤其障碍物特点研究更合适的红外避障传感器的部署方案。

广州零号软件科技有限公司(机器人零号)在健康养老服务机器人的研发过程中,进行了大量的实景测量和场景模拟,基本总结出住宅等室内空间内服务机器人所需的红外传感器安装高度,这些经验也用在哈士奇健康服务机器人本体上。

      我们在研发中,依据家具设计相关的国家标准和规范,整理和总结常见的家具的高度,尤其分析家具凸出物如桌边、椅面和靠背、茶几边、沙发扶手和靠背、床边,因为这些在垂直面上超出底部和凸出部位是最容易给服务机器人移动带来障碍的。以下是有关家具的高度的尺寸说明:

1、桌类家具高度尺寸标准可以有700mm、720mm、740mm、760mm四个规格;

2、 椅凳类家具的座面高度可以有400mm、420mm、440mm三个规格。

3、 床沿一般来说床沿高度以45厘米为宜;褥面距地面高度来测算,标准是46~50厘米;

4、 沙发的一般座高:350-420mm;扶手高560-600mm;单人式背高:700-900mm。

5、茶几:高度为350-500mm。

在室内的其它家具,包括柜子、箱子、书架等都在垂直面上基本保持一致没有明显的凸出部位,所以服务机器人红外传感器在任何高度测量到的距离都是一致的,只要任何高度的一个红外传感器获得数据就可以代表感知到这一障碍物,所以,这类具有平整立面的家具不用考虑红外避障传感器的新的安装方法。

      家电,尤其是可能出现在服务机器人移动路径附件的一些家电,如冰箱、洗衣机、饮水机等,也具有平整的立面,所以也不用考虑虑红外避障传感器的新的安装方法。

      由于家具的桌面板材厚度有16mm、18mm、25mm等三个主要尺寸,茶几的钢化玻璃的厚度为10mm以上,通常12mm。因此,我是从家具表面(家具高度最高点)向下10mm范围是可以触碰到家具的凸出面的,这也就可以成为服务机器人红外避障传感器安装高度的重要依据。

      根据家具的特征,我们整理出对于服务机器人行动比较敏感的一些高度:

家具/凸出面高度

低位

中位

高位

桌子

80mm

 

700mm

720mm

740mm

760mm

椅子

80mm

400mm

420mm

440mm

 

80mm

450mm

500mm

 

沙发

80mm

350mm

400mm

420mm

 

茶几

80mm

350mm

400mm

440mm

500mm

 

凸出面高度汇总

80mm

350mm、400mm、420mm、440mm、500mm

700mm、720mm、740mm

760mm

沿凸出面最高点往下10mm可探测到的高度

80mm

340mm、390mm、410mm、430mm、490mm

690mm、710mm、730mm、75mm

      因此,从上表可获得服务机器人安装红外避障碍服务机器人的低位、中位、高位。有了安装的高度,还需要进一步设计红外避障碍传感器的布局。

为了获得最佳的避障效果,我们一共采用24个红外避障传感器,其中正面安装12个,两个侧面每个侧面安装3个共计6个,后面安装6个。

      低位的红外避障传感器在80mm高度分布安装,其中正面部署2个,两个侧面每个侧面1个,背面2个。

      中位的红外避障传感器在五个不同高度分布安装,分别是340mm、390mm、420mm、430mm、490mm。其中正面要求有五个红外避障传感器在五个高度全部部署安装,侧面安装一个红外避障传感器,高度为420mm;背面安装三个红外避障传感器,高度分别为340mm、390mm、420mm。

    高位的红外避障传感器在四个不同高度分布安装,分别是690mm、720mm、730mm、750mm。其中正面要求有四个红外避障传感器在四个高度全部部署安装,侧面安装一个红外避障传感器,高度为720mm;背面安装两个红外避障传感器,高度分别为690mm、730mm。

      在本案例中,红外避障传感器采用NPN型光电开关;输出状态是0、1,即数字电路中的高电平和低电平,检测到目标是低电平输出,正常状态是高电平输出,输出外加一个1K左右的上拉电阻即可连接到单片机IO口上。由于设计了24个红外避障传感器,因此,对应需要单片机IO数量为24个。

      这种安装位置与安装方法,相对于现有的红外避障感器的安装方法进行了重要改进:针对家具凸出物高度进行的安装位置优化,采用了低中高三个安装区域共24组红外避障传感器,分布安装在服务机器人的前面、两侧和后面。让红外避障传感器总能扫描到家具凸出面,从而让服务机器人能够进行有效避让各类家具,适用于家庭服务机器人、商用服务机器人、送餐机器人等各类服务机器人。

(作者:广州零号软件科技有限公司  向忠宏  david.xiang@robot0.com)

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