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CN114176475A - 用于机器人的引导系统、基站以及引导方法 - Google Patents

用于机器人的引导系统、基站以及引导方法 Download PDF

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CN114176475A
CN114176475A CN202111073731.5A CN202111073731A CN114176475A CN 114176475 A CN114176475 A CN 114176475A CN 202111073731 A CN202111073731 A CN 202111073731A CN 114176475 A CN114176475 A CN 114176475A
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CN
China
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robot
radar
signal
base station
guidance
Prior art date
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Pending
Application number
CN202111073731.5A
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English (en)
Inventor
R·索罗佩尔托
H·G·海斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
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Abstract

本公开涉及用于机器人的引导系统、基站以及引导方法。例如，本发明的实施例涉及一种用于机器人的引导系统。该引导系统包括毫米波定位系统和发射器。毫米波定位系统被配置为确定机器人相对于用于为机器人充电的基站的位置。发射器被配置为发射用于将机器人引导到基站的雷达引导信号，并将雷达引导信号转向机器人的位置。

Description

用于机器人的引导系统、基站以及引导方法
技术领域
本发明的实施例涉及一种用于机器人的引导系统、一种包括这种引导系统的基站以及一种用于引导机器人的方法。具体地但非排他地，实施例涉及用于机器人的基于雷达的引导系统。
背景技术
对于机器人的导航，可以使用基于辐射的引导系统。
已知引导系统用辐射信号照射其环境，用于引导机器人沿着越来越强的辐射信号到达基站。由于辐射信号的失真(例如，干扰)，机器人可能沿着错误的路径，因此在一些情况下放电或丢失，即，脱离受辐射的环境。因此，机器人可能需要手动连接到基站。
发明内容
因此，可能需要改进用于机器人的引导系统的概念。
所附独立权利要求和从属权利要求的主题可满足该要求。
本发明的实施例涉及一种用于机器人的引导系统。该引导系统包括毫米波定位系统和发射器。毫米波定位系统被配置为确定机器人相对于用于为机器人充电的基站的位置。发射器被配置为发射用于将机器人引导至基站的雷达引导信号，并将雷达引导信号转向机器人的位置。
例如，机器人是割草机机器人、真空吸尘器机器人、家用机器人或者另一种至少部分自动控制/操纵的移动设备(例如，至少部分自动操纵的车辆)。
例如，毫米波定位系统是基于雷达的定位系统，其使用毫米波信号来定位机器人，即机器人相对于基站的位置。该位置可指示基站的预定义参考坐标系中的坐标。
雷达引导信号可以是频率在3GHz和300GHz之间(即，波长在1和100mm之间)的毫米波信号。由于雷达引导信号被转向机器人的位置，因此可以将其理解为朝向机器人/机器人位置的方向信号。
与使用用于引导机器人的“无向”信号(不被有目的地引向机器人)的应用相比，这允许雷达引导信号在更小的视场内发射。因此，(定向)雷达引导信号的失真的概率或次数可小于无向信号。此外，这可以降低引导机器人沿着错误路径的概率，或者降低机器人迷路并可能在远离基站的某处被放电的概率。
通常，引导系统可安装在机器人的基站中或与基站分开。
需要注意，引导系统通常可被配置为引导多个机器人，例如，使用指向/转向机器人的多个(定向)雷达引导信号。
一些实施例涉及一种用于机器人的基站。基站包括上述引导系统。
基站可以理解为固定设备，机器人可停靠在该固定设备，用于为机器人充电、维护和/或清洁。例如，引导系统被安装在对接端口附近或旁边，用于引导机器人到达对接端口或至少靠近对接端口。
一些实施例涉及一种用于引导机器人的方法。该方法包括：确定机器人相对于用于为机器人充电的基站的位置；发射雷达引导信号，用于将机器人引导至基站；以及将雷达引导信号转向机器人的位置。
例如，上述引导系统能够执行该方法。因此，本文所描述的引导系统的特征和方面可经过必要的修改应用于该方法。
附图说明
以下将仅通过示例并参考附图来描述装置和/或方法的一些示例，其中：
图1示出了用于引导机器人的已知概念；
图2示出了示意性示出用于引导机器人的方法的流程图；
图3示出了示意性示出用于机器人的引导系统的框图；
图4示出了引导系统在机器人的基站中的示例性应用；
图5示出了适于与机器人进行基于相位调制的通信的引导系统的另一示例性应用；以及
图6示出了包括基于无线电的通信系统的引导系统的另一示例性应用。
具体实施方式
现在参考附图更详细地描述一些示例。然而，其他可能的示例不限于详细描述的这些实施例的特征。其他示例可包括特征的修改以及特征的等效和替代。此外，本文用于描述特定示例的术语不应限制进一步可能的示例。
在附图的整个描述中，相同或类似的附图标记指相同或类似的元件和/或特征，它们可以相同或以修改的形式实施，同时提供相同或类似的功能。为了清楚，图中的线、层和/或区域的厚度也可能被夸大。
当两个元件A和B使用“或”组合时，应理解为公开所有可能的组合，即，仅A、仅B以及A和B，除非在个别情况下另有明确规定。作为相同组合的替代措辞，可使用“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。这等效地适用于两个以上元件的组合。
如果使用单数形式(诸如“一个”和“该”)并且没有明确或隐含地将仅使用单个元件定义为强制性，则进一步的示例也可以使用几个元件来实现相同的功能。如果下面描述使用多个元件实现的功能，则进一步的示例可使用单个元件或单个处理实体来实现相同功能。还应理解，术语“包括”和/或“包含”在使用时描述特定特征、整数、步骤、操作、处理、元件、部件和/或它们的组的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、处理、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
图1示出了用于将机器人130引导到其基站100的已知概念。例如，这使得机器人130能够自动找到并停靠到基站100，例如用于充电或维护目的。
例如，机器人130是真空吸尘器机器人，其在预定的室外或室内移动区域内(例如，在生活空间中)自动移动。
为了将机器人130引导到基站100，基站100展示天线120，天线120在预定视场(FoV)140内发射辐射信号。机器人130可通过辐射信号来定向自身，并跟随辐射信号在FoV140内的强度分布或功率分布来找到基站100。
例如，机器人130沿着FoV 140内强度分布的增加强度或功率分布的增加平均功率水平来跟随路径132找到基站100。为此，机器人130可配备有：传感器(未示出)，用于在时间间隔内感测辐射的强度或辐射的平均功率水平；以及导航单元(未示出)，用于在感测强度或平均功率水平的最大值的方向上导航机器人130。
视场140的方向性由开度角α表示，例如，指示辐射信号的半功率波束宽度。可以设置开度角α，使得视场覆盖机器人的大部分移动区域，以将机器人从移动区域中的大部分位置引导到基站100。在这种已知引导系统的典型应用中，辐射信号的半功率波束宽度/开度角α介于30°和160°之间。
辐射信号及其强度分布的失真(例如，干扰)可导致机器人130跟随错误路径。例如，这种失真由视场140内的对象引起。从图1可以看出，机器人130可能由于跟随错误路径而最终位于视场140之外，并且可能无法找到(返回)基站100的路。从而，机器人130可在到达基站100之前完全放电，并且可能需要手动耦合到基站100。
因此，可能需要改进引导系统的概念。下面参考图2-图6描述满足该需求的概念。
图2示出了示意性示出用于引导机器人的方法200的流程图。方法200包括：确定(210)机器人相对于用于对机器人充电的基站的位置。此外，方法200包括：发射(220)用于将机器人引导到基站的雷达引导信号并将雷达引导信号转向机器人的位置。
在本公开的上下文中，尤其应将机器人理解为至少部分地自动控制/操纵的移动设备。在一些应用中，机器人是割草机机器人、真空吸尘器机器人、家用机器人或其他类型的机器人。在其他应用中，至少部分自动操纵的车辆实施为机器人。例如，车辆是自动操纵车辆(例如，自动驾驶汽车或自动飞行飞行器)。
基站可以是固定(已安装)设备。例如，雷达引导信号使机器人能够通过跟随雷达引导信号的辐射图案(例如，强度图案)自动找到基站，并且对接到基站，例如用于充电和维护/服务目的。
雷达引导信号可以(指定地或有目的地)基于机器人的感测位置被导向到机器人。与使用用于引导机器人的任意无向信号(不被有目的地引向机器人)的应用相比，这允许使用雷达引导信号照射的较小视场来减少雷达引导信号的失真。例如，用雷达引导信号照射的视场小于图1示例中的视场。具体地，这可以降低机器人在试图找到基站时跟随错误路径和/或“迷路”的概率。
更小的视场还可以使得机器人行进到基站的路径越短，因此能耗越低。
参考进一步的附图，结合所描述的实施例提及更多细节和方面。
例如，方法200可由图3所示的引导系统300执行。
引导系统300包括：毫米波定位系统310，用于确定(210)机器人330相对于用于为机器人330充电的基站(未示出)的位置；以及发射器320，用于发射用于将机器人330引导到基站的雷达引导信号340并将雷达引导信号340转向机器人330的位置。
在一些应用中，机器人330是真空吸尘器机器人、割草机机器人或家用机器人。例如，引导系统300被安装在基站中。
例如，毫米波定位系统310是使用来自机器人330的雷达定位信号的反射或所谓“回波”来确定(210)机器人330的位置的雷达定位系统。
例如，发射器320使用波束控制来控制雷达引导信号340，并基于感测到的位置将雷达引导信号340(有目的地)引导/转向到机器人。如稍后更详细说明的，发射器320可包括用于波束控制的多个发射元件。
机器人330可配备有用于感测雷达引导信号的强度的传感器(未示出)和用于基于感测强度导航机器人330的导航单元(未示出)。
毫米波定位系统310和发射器320可以是独立的设备，例如使用独立的天线来用于发射雷达定位和雷达引导信号340。
备选地，毫米波定位系统310和发射器320可互相使用(即，共享)发射元件来发射雷达定位和雷达引导信号340，如稍后参考图4更详细说明的。
毫米波定位系统310和发射器320还可以使用公共数据处理电路装置或独立的相应数据处理电路装置来分别控制独立或相互使用的发射雷达定位和雷达引导信号340的发射元件。
图4示出了引导系统300在机器人330的基站400中的示例性应用。基站400可以固定放置在机器人330的移动区域旁边并面向移动区域。例如，如果机器人是真空吸尘器或割草机机器人，则移动区域分别包括用户的生活空间或花园。
引导系统300包括多个雷达发射元件，它们具有覆盖整个视场360的不同子视场1、2、…、n。例如，雷达发射元件包括不同定向的雷达天线。例如，发射元件包括一个或多个喇叭天线和/或贴片天线。
如下所述，毫米波定位系统310和发射器320两者都可以使用雷达发射元件。毫米波定位系统310可使用雷达发射元件用于发射雷达定位信号350并确定(210)机器人330的位置。发射器320可使用雷达发射元件用于发射(220)雷达引导信号340以引导机器人330。
为了利用雷达定位信号350在机器人的大部分移动区域中捕获机器人330，例如，整个视场360具有45°的开度角α或半功率波束宽度。在备选实施例中，可以使用不同的(例如，更大或更小的)整体视场。从图4可以看出，整个视场360(理论上)可均匀地划分为子视场1、2、…、n。因而，子视场1、2、…、n具有的开度角或半功率波束宽度为
Figure BDA0003261419800000061
实际上，雷达发射元件可以不具有相邻但重叠的子视场1、2、…、n，它们具有的开度角或半功率波束宽度为
Figure BDA0003261419800000062
且β＜α。
在第一步骤中，雷达发射元件用于在整个视场360中发射雷达定位信号350，以使用雷达定位信号350的反射来确定机器人的位置。例如，毫米波定位系统310还包括接收反射的一个、两个、或更多个接收天线(未示出)以及使用反射确定位置的数据处理单元(未示出)。
受益于本公开的技术人员应理解，反射或反射序列指示视场360内的对象的速率、材料、形状和/或位置。为了在多个检测到的对象中识别机器人330，数据处理电路装置可将感测对象的速率与机器人330的预定速率进行比较。与机器人330相关的反射可用于确定机器人的位置。
备选地，数据处理电路装置可通过机器人330的形状或材料(雷达特征)从反射中识别和定位机器人330。
从图4可以看出，例如，毫米波定位系统310在子视场1中检测到机器人330。
在下一步骤中，选择具有子视场1的相应雷达发射元件，并且使用其向机器人330发射和操纵雷达引导信号340。
在机器人330在子视场2或n中被检测到的其他场景中，具有子视场2或n的相应雷达发射元件用于发射雷达引导信号340。
雷达引导信号340可以是连续的、调制的(例如，调频连续波(FMCW))或脉冲信号，其被发射直到机器人到达(例如，对接到)基站400为止。
应注意，备选地，多个发射天线(例如，具有相邻视场)可用于发射雷达引导信号340。
受益于本发明的技术人员应理解，发射元件(例如，多个贴片天线)可任选地在相控阵(或电子扫描阵列)配置中被操作，以确定机器人的位置。
机器人330任选地(由虚线指示)配备有用于雷达定位信号350的反射器332。这可以使得雷达定位信号从机器人330的更强反射以及机器人330更精确和/或可靠的位置。应注意，机器人也可以配备有多个反射器，例如安装在机器人周围以在机器人的各定向处反射雷达定位信号。
基站400由电源410供电。
图5示出了适合于与机器人进行基于相位调制的通信的引导系统300的另一示例性应用。
引导系统300包括用于与机器人进行基于相位调制的通信(即，使用相位调制信号的通信)的通信系统(未示出)。
例如，通信系统包括通信天线和用于控制通信天线发射相位调制(通信)信号的调制器。为了节省单独通信天线的成本，可以将一个或多个雷达发射元件用作通信天线。
优选地，雷达引导信号340在引导机器人330的同时包括用于通信的相位调制信号。例如，雷达引导信号340是相位调制的。
反过来，机器人330包括用于接收和处理相位调制信号的接收器。
通过这种方式，通信系统可与机器人进行通信。在一些应用中，通信系统可通过相位调制信号来通信机器人的位置或导航消息，其包括用于机器人330的移动的指令。该通信可降低机器人330丢失的概率。
例如，通信基于(二进制)相移键控。调制器可使用(二进制)相移键控来生成指示机器人位置、导航消息和/或其他信息的相位调制信号。任选地，一个或多个预定频带可用于通信。在一些实施例中，为工业、科学和医学(ISM)保留的一个或多个频带(所谓的ISM(无线电)频带)用于通信，例如为了避免与信号相关(例如，与这种信号的调制方案相关)的预定(法律)限制，用于ISM频带外的通信。
在一些应用中，机器人330和通信系统各自包括用于使用相位调制信号通过对等连接进行双向通信的收发器。
图6示出了包括基于无线电的通信系统的引导系统300的另一示例性应用。基于无线电的通信系统包括用于无线通信的接口370，例如经由无线局域网(WLAN)、WiGig(例如，60GHz的WiGig)、蓝牙(BT)、远程(LoRa)技术、移动无线电等。例如，该接口包括WLAN接口、BT接口和/或RadCom系统(例如，包括用于检测和通信的正交频分复用(OFDM)雷达)。在一些应用中，机器人330配备有WLAN、BT、WiGig和/或移动无线电通信模块336，以分别经由WLAN、BT、WiGig和/或移动无线电与基于无线电的通信系统通信。在一些应用中，机器人330(已经)配备有这样的通信模块336，例如用于与用户通信。
通过这种方式，基站400和机器人330可通信机器人的位置、电池电量、导航消息和/或其他信息。这可以进一步降低机器人330在到达基站400之前丢失或放电的概率。
本文所述的示例可总结如下：
示例涉及一种用于机器人的引导系统。该引导系统包括毫米波定位系统，该毫米波定位系统被配置为确定机器人相对于用于为机器人充电的基站的位置。该引导系统还包括发射器，发射器被配置为发射用于将机器人引导到基站的雷达引导信号，并将雷达引导信号转向机器人的位置。
在一些示例中，毫米波定位系统被配置为发射雷达定位信号，接收来自机器人的雷达定位信号的反射，并且使用反射来确定机器人的位置。
在一些示例中，毫米波定位系统展示第一视场，并且发射器被配置为在由第一视场包围的第二视场内发射雷达引导信号。
在一些示例中，发射器展示多个发射元件，每个发射元件都具有相应的视场，并且发射器被配置为通过使用其中一个发射元件选择性地在单个视场中发射雷达引导信号(确定机器人位于其中)来将雷达引导信号转向机器人的位置。
在一些示例中，毫米波定位系统被配置为使用发射器来发射雷达定位信号。
在一些示例中，引导系统包括被配置为与机器人通信的通信系统。
在一些示例中，通信系统被配置为使用发射器来使用相位调制信号与机器人通信。
在一些示例中，雷达引导信号包括相位调制信号。
在一些示例中，通信系统包括无线局域网WLAN接口、蓝牙BT接口和移动无线电接口中的至少一个来与机器人通信。
在一些示例中，通信系统被配置为向机器人传输位置。
在一些示例中，通信系统被配置为向机器人发射导航消息，导航消息包括用于机器人的移动的指令。
进一步的示例涉及一种用于机器人的基站，该基站包括前述权利要求中任一项的引导系统。
进一步的示例涉及一种引导机器人的方法。该方法包括：确定机器人相对于用于为机器人充电的基站的位置；以及发射用于将机器人引导到基站的雷达引导信号并将雷达引导信号转向机器人的位置。
关于先前示例中的特定示例之一所描述的方面和特征还可以与一个或多个进一步示例组合，以替换该进一步示例的相同或类似特征，或者将这些特征另外引入进一步示例中。
示例还可以是(计算机)程序或与(计算机)程序有关，其包括当在计算机、处理器或其他可编程硬件部件上执行该程序时用于执行上述一种或多种方法的程序代码。因此，上述方法中的不同方法的步骤、操作或处理也可由编程计算机、处理器或其他可编程硬件部件执行。示例还可以覆盖程序存储设备，诸如数字数据存储介质，其是机器可读、处理器可读或计算机可读，并且编码和/或包含机器可执行、处理器可执行或计算机可执行程序和指令。例如，程序存储设备可以包括或者是数字存储设备、诸如磁盘和磁带的磁性存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。其他示例还可以包括计算机、处理器、控制单元、(现场)可编程逻辑阵列((F)PLA)，(现场)可编程门阵列((F)PGA)、图形处理器单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、集成电路(IC)或片上系统(SoCs)系统，它们被编程以执行上述方法的步骤。
还应理解，说明书或权利要求书中公开的多给步骤、处理、操作或功能的公开不应被解释为暗示这些操作必然依赖于所描述的顺序，除非在个别情况下明确说明或出于技术原因而必要。因此，前面的描述没有将多个步骤或公开的执行限制为特定顺序。此外，在进一步的示例中，单个步骤、功能、处理或操作可包括和/或分解为多个子步骤、子功能、子处理或子操作。
如果已经描述了与设备或系统相关的一些方面，则这些方面还应理解为对应方法的描述。例如，设备或系统的块、设备或功能方面可对应于相应方法的特征，例如方法步骤。因此，关于方法所描述的方面也应理解为对应设备或对应系统的对应块、对应元件、属性或功能特征的描述。
以下权利要求在此并入详细描述中，其中每个权利要求可作为单独的示例独立存在。注意，尽管在权利要求中从属权利要求是指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但其他示例也可以包括该从属权利要求与任何其他从属或独立权利要求的主题的组合。在此明确提出此类组合，除非在个别情况下说明不存在特定组合。此外，任何其他独立权利要求也应包括权利要求的特征，即使该权利要求未直接定义为从属于其他独立权利要求。

Claims (13)

1.一种用于机器人(330)的引导系统(300)，所述引导系统(300)包括：
毫米波定位系统(310)，被配置为确定所述机器人(330)相对于用于为所述机器人(330)充电的基站(400)的位置；
发射器(320)，被配置为发射用于将所述机器人(330)引导到所述基站(400)的雷达引导信号(340)，并将所述雷达引导信号(340)转向所述机器人(330)的位置。
2.根据权利要求1所述的引导系统(300)，其中所述毫米波定位系统(310)被配置为
发射雷达定位信号(340)；
接收来自所述机器人(330)的所述雷达定位信号(340)的反射；以及
使用所述反射来确定所述机器人(330)的位置。
3.根据权利要求1或2所述的引导系统(300)，
其中所述毫米波定位系统(310)展示第一视场(360)；并且
其中所述发射器被配置为在由所述第一视场包围的第二视场(1、2、…、n)内发射所述雷达引导信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的引导系统(300)，
其中所述发射器(320)展示多个发射元件，每个发射元件均具有相应的视场(1、2、…、n)，并且
其中所述发射器(320)被配置为通过使用所述多个发射元件中的一个发射元件在确定所述机器人(330)位于其中时选择性地在单个视场(1、2、…、n)中发射所述雷达引导信号(340)来将所述雷达引导信号转向所述机器人的位置。
5.根据权利要求2或3所述的引导系统(300)，其中所述毫米波定位系统(310)被配置为使用所述发射器(320)来发射所述雷达定位信号(340)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的引导系统(300)，还包括被配置为与所述机器人(330)通信的通信系统。
7.根据权利要求6所述的引导系统(300)，其中所述通信系统被配置为使用所述发射器(320)来使用相位调制信号与所述机器人(330)通信。
8.根据权利要求7所述的引导系统(300)，其中所述雷达引导信号包括所述相位调制信号。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的引导系统(300)，其中所述通信系统包括无线局域网WLAN接口、蓝牙BT接口和移动无线电接口中的至少一个来与所述机器人(330)通信。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的引导系统(300)，其中所述通信系统被配置为向所述机器人(330)传输所述位置。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的引导系统(300)，其中所述通信系统被配置为向所述机器人(330)发射导航消息，所述导航消息包括用于所述机器人(330)的移动的指令。
12.一种用于机器人(330)的基站(400)，所述基站包括前述权利要求中任一项的引导系统(300)。
13.一种用于引导机器人(330)的方法(200)，所述方法(200)包括：
确定(210)所述机器人(330)相对于用于为所述机器人(330)充电的基站(400)的位置；以及
发射(220)用于将所述机器人(330)引导到所述基站(400)的雷达引导信号(340)，并将所述雷达引导信号(340)转向所述机器人(330)的位置。
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