RU2709523C1

RU2709523C1 - System for determining obstacles to movement of robot

Info

Publication number: RU2709523C1
Application number: RU2019104608A
Authority: RU
Inventors: Ильдар Гумарович Мухарлямов; Игорь Михайлович Еремеев; Александр Васильевич Ямщиков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПРОМОБОТ"
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2019-02-19
Publication date: 2019-12-18

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention relates to control of robot position. Proposed system comprises ultrasonic and infrared sensors arranged along robot outer surface. Ultrasonic and infrared sensors are part of array of hybrid sensors. Array of hybrid sensors includes at least three hybrid sensors installed along the perimeter of external surface of robot. Each hybrid sensor comprises an infrared sensor, an ultrasonic signal emitter membrane, an ultrasonic signal receiver membrane, a LED indicator connected to the microcontroller. In its turn, microcontroller is connected by network with robot control unit.

EFFECT: technical result consists in improvement of quality and accuracy of measuring distance to complex objects.

1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области робототехники, а именно к средствам определения результирующей величины положения объекта в пространстве, а конкретно для определения расстояния до окружающих препятствий, относительно технического средства. The invention relates to the field of robotics, and in particular to means for determining the resulting value of the position of an object in space, and specifically for determining the distance to surrounding obstacles, relative to the technical means.

Известно изобретение по патенту Китая CN105487543 «Подвижная система самонаведения и зарядки робота» G05D1/02, 2016. Изобретение обеспечивает подвижную систему самонаведения и зарядки робота, которая включает в себя компоненты инфракрасного передатчика, который сконфигурирован в зарядном основании. Система содержит пять инфракрасных приемников, которые используются для обнаружения сигнала, передаваемого инфракрасным передатчиком. Ультразвуковой датчик используется для обнаружения расстояния между роботом и зарядным основанием. Первый модуль беспроводной связи сконфигурирован в роботе и используется для передачи сигнала запроса зарядки на базу зарядки. Для приема сигнала запроса зарядки через второй модуль беспроводной связи предназначен модуль управления, который сконфигурирован в базе зарядки. С помощью механизма перемещения осуществляется перемещение или поворот робота. Основной контроллер используется для перемещения движущегося механизма, приведения робота в действие, которое определяется ультразвуковым датчиком и условиями приема сигнала инфракрасного передатчика из пяти инфракрасных приемников. Недостатком данного технического решения является узкая направленность использования датчиков, а так же сложность расположения датчиков.The invention is known according to Chinese patent CN105487543 "Moving homing and charging system for a robot" G05D1 / 02, 2016. The invention provides a movable homing and charging system for a robot that includes components of an infrared transmitter that is configured in a charging base. The system contains five infrared receivers, which are used to detect the signal transmitted by the infrared transmitter. An ultrasonic sensor is used to detect the distance between the robot and the charging base. The first wireless module is configured in the robot and is used to transmit a charge request signal to the charging base. To receive the charge request signal through the second wireless module, a control module is configured, which is configured in the charging base. Using the movement mechanism, the robot is moved or rotated. The main controller is used to move the moving mechanism, bring the robot into action, which is determined by the ultrasonic sensor and the conditions for receiving an infrared transmitter signal from five infrared receivers. The disadvantage of this technical solution is the narrow focus of the use of sensors, as well as the complexity of the location of the sensors.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение по патенту Китая CN105739499 «Многолучевая инфракрасная и ультразвуковая система распределения датчиков автономной системы предотвращения препятствий для мобильных роботов» G05D1/02, 2016. Согласно техническому решению, многоканальная структура включает ультразвуковые датчики и инфракрасные датчики, установленные в положении высоты шасси робота, шасси является круглым. Внешнее кольцо шасси делится на область 0°-180° и область 180°-360° по линии L, проходящей через центр, а положение 90° является прямым направлением робота. Три ультразвуковых датчика и два инфракрасных датчика расположены в области 0°-180°. Датчики расположены на 0°, 90° и 180° соответственно. Измерение расстояния более 30 см выполняется ультразвуковым датчиком, а инфракрасный датчик применяется в пределах 30 см. В качестве ультразвукового и инфракрасного датчиков используются готовые решения. Используют ультразвуковой датчик HC-SR04, эффективный диапазон которого составляет от 2 см до 450 см, а измеряемый угол составляет менее 15 градусов и инфракрасный датчик Realplay2Y0A21GP2Y0A21YK0F, его максимально допустимый угол составляет 40°. Недостатком данного технического решения является сложность измерения расстояния до плохо детектируемых объектов, расположенных под углом относительно датчика или имеющих неоднородную поверхность. The closest analogue of the claimed invention is the technical solution according to Chinese patent CN105739499 "Multi-beam infrared and ultrasonic sensor distribution system of an autonomous obstacle avoidance system for mobile robots" G05D1 / 02, 2016. According to the technical solution, the multi-channel structure includes ultrasonic sensors and infrared sensors installed in position the height of the robot chassis, the chassis is round. The outer ring of the chassis is divided into the region 0 ° -180 ° and the region 180 ° -360 ° along the line L passing through the center, and the 90 ° position is the direct direction of the robot. Three ultrasonic sensors and two infrared sensors are located in the region 0 ° -180 °. Sensors are located at 0 °, 90 ° and 180 ° respectively. A distance measurement of more than 30 cm is performed by an ultrasonic sensor, and an infrared sensor is used within 30 cm. Ready-made solutions are used as ultrasonic and infrared sensors. An ultrasonic sensor HC-SR04 is used, the effective range of which is from 2 cm to 450 cm, and the measured angle is less than 15 degrees and the infrared sensor Realplay2Y0A21GP2Y0A21YK0F, its maximum allowable angle is 40 °. The disadvantage of this technical solution is the difficulty of measuring the distance to poorly detectable objects located at an angle relative to the sensor or having an inhomogeneous surface.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение качества измерения расстояния до сложно определяемых объектов.The technical result of the claimed invention is to improve the quality of measuring the distance to complex objects.

Технический результат достигается за счет того, что в системе определения препятствий движению робота, содержащей ультразвуковые и инфракрасные датчики установленные вдоль наружной поверхности робота, согласно изобретению ультразвуковые и инфракрасные датчики входят в состав массива гибридных датчиков, установленных по периметру наружной поверхности робота, каждый гибридный датчик содержит инфракрасный датчик, мембрану излучателя ультразвукового сигнала, мембрану приемника ультразвукового сигнала, светодиодный индикатор, связанные с микроконтроллером, который в свою очередь связан сетью c блоком управления робота.The technical result is achieved due to the fact that in the system for determining obstacles to the movement of the robot containing ultrasonic and infrared sensors installed along the outer surface of the robot, according to the invention, ultrasonic and infrared sensors are part of an array of hybrid sensors installed around the perimeter of the outer surface of the robot, each hybrid sensor contains infrared sensor, membrane of the ultrasonic signal emitter, membrane of the ultrasonic signal receiver, LED indicator, communication nye with a microcontroller, which in turn is linked to a network of c robot control unit.

Технический результат обеспечивается за счет того, что гибридные датчики расположены вдоль наружной поверхности по периметру робота. Это позволяет определять сложно детектируемые объекты за счет того, что отраженный от сложно детектируемого объекта сигнал может приниматься соседними гибридными датчиками, это позволяет расширить угол улавливания отраженного сигнала.The technical result is provided due to the fact that hybrid sensors are located along the outer surface around the perimeter of the robot. This allows you to determine difficult to detect objects due to the fact that the signal reflected from a difficult to detect object can be received by neighboring hybrid sensors, this allows you to expand the angle of capture of the reflected signal.

На фигуре 1 представлен вид спереди платы гибридного датчика.1 is a front view of a hybrid sensor board.

На фигуре 2 представлен вид сзади платы гибридного датчика.2 is a rear view of a hybrid sensor board.

На фигуре 3 изображена схема работы гибридного датчика в «стандартном» режиме.The figure 3 shows a diagram of the hybrid sensor in the "standard" mode.

На фигуре 4 изображена схема работы гибридного датчика в режиме «1+2».The figure 4 shows a diagram of the hybrid sensor in the mode of "1 + 2".

На фигуре 5 представлено расположение гибридных датчиков в составе сервисного робота.The figure 5 shows the location of the hybrid sensors in the service robot.

Система определения препятствий состоит из массива гибридных датчиков 1, расположенных по периметру юбки робота. С двух сторон у гибридного датчика 1 расположены соседние гибридные датчики 1' и 1". Гибридный датчик 1 содержит печатную плату 2. На одной стороне печатной платы 2 расположен излучатель УЗ-сигнала 3 с мембраной, инфракрасный датчик 4 (ИК-датчик), приемника УЗ-сигнала 5 с мембраной; RGB-светодиод 6. На другой стороне печатной платы 2 расположены линейный регулятор напряжения 7, преобразователь 8 интерфейса RS-485 в UART, микроконтроллер 9, линейный регулятор напряжения 10, операционный усилитель 11, кнопка сброса параметров датчика 12, разъем программирования 13, преобразователь 14 для усиления УЗ-сигнала, разъем 15 для подачи питания и передачи данных. The obstacle detection system consists of an array of hybrid sensors 1 located along the perimeter of the robot skirt. On both sides of the hybrid sensor 1, adjacent hybrid sensors 1 'and 1 "are located. Hybrid sensor 1 contains a printed circuit board 2. On one side of the printed circuit board 2 there is an ultrasonic signal emitter 3 with a membrane, an infrared sensor 4 (IR sensor), a receiver Ultrasound signal 5 with a membrane; RGB LED 6. On the other side of the circuit board 2 there is a linear voltage regulator 7, an RS-485 to UART converter 8, a microcontroller 9, a linear voltage regulator 10, an operational amplifier 11, a sensor reset button 12 programming socket I am 13, a transducer 14 for amplifying an ultrasonic signal, a connector 15 for supplying power and transmitting data.

В системе определения препятствий для последовательного подключения множества датчиков 1 используют интерфейс RS-485, используют протокол передачи данных Modbus RTU. В качестве ИК-датчика 4 используют датчик STM VL5310x, светодиод 6 является RGB-светодиодом, используют линейный регулятор 7 марки В LM-1117-5, для преобразователя 8 используют преобразователь RS-485, микроконтроллер 9 - микроконтроллер STM32F302. В качестве линейного регулятора 10 – может быть использован линейный регулятор напряжения 3.3В LM-1117-3.3, в качестве операционного усилителя 11 - операционный усилитель LM358, в качестве преобразователя 14 - преобразователь RS-232 MAX-202. Разъем 15 может быть выполнен в виде разъема IDC-6. In the obstacle detection system for serial connection of multiple sensors 1 use the RS-485 interface, use the Modbus RTU data transfer protocol. As an IR sensor 4, an STM VL5310x sensor is used, LED 6 is an RGB LED, linear regulator 7 of brand B LM-1117-5 is used, for converter 8, an RS-485 converter is used, microcontroller 9 is an STM32F302 microcontroller. As a linear regulator 10, a 3.3V linear voltage regulator LM-1117-3.3 can be used, as an operational amplifier 11, an operational amplifier LM358, and as a converter 14, an RS-232 MAX-202 converter. The connector 15 can be made in the form of an IDC-6 connector.

Устройство работает следующим образом. Система определения препятствий имеет два режима работы – стандартный режим и режим “1+2”. Стандартный режим используется для детектирования расстояния с помощью одного гибридного датчика 1. Режим “1+2” используется для определения расстояния с трех гибридных датчиков 1, расположенных по периметру юбки робота на расстоянии от 5 до 15 см друг от друга. Данный режим позволяет детектировать “сложные” препятствия, расположенные, например, под углом относительно датчика 1, или имеющие неоднородную поверхность и т.д., которые при стандартном режиме работы не детектируются.The device operates as follows. The obstacle detection system has two operating modes - standard mode and “1 + 2” mode. Standard mode It is used to detect the distance using one hybrid sensor 1. The “1 + 2” mode is used to determine the distance from three hybrid sensors 1 located along the perimeter of the robot skirt at a distance of 5 to 15 cm from each other. This mode allows you to detect “complex” obstacles located, for example, at an angle relative to sensor 1, or having a non-uniform surface, etc., which are not detected during standard operation.

Стандартный режим работы гибридного датчика 1 имеет несколько этапов. Гибридный датчик 1 получает сигнала от ПК в сети MODBUS на выполнение измерения. Микроконтроллер 9 инициирует отправку сигналов измерения двух видов: УЗ-сигнала 16 с помощью мембранного излучателя 3, и ИК-сигнала 17 с помощью излучателя ИК-датчика 4. Отраженные УЗ-сигналы 18, и отраженные ИК-сигналы 19 от объекта 20 попадают соответственно на мембрану-детектор приемника УЗ-сигнала 5 и приемную линзу ИК-датчика 4. При инициализации отправки сигналов измерения микроконтроллер запускает таймер, общий для двух типов измерений. При получении отраженного сигнала 18 или 19 каждый из двух измерительных трактов прерыванием останавливает таймер, и далее микроконтроллер 9 передает по сети MODBUS два регистра с вычисленными значениями расстояния для каждого из метода измерения.The standard mode of operation of the hybrid sensor 1 has several stages. Hybrid Sensor 1 receives a signal from a PC on the MODBUS network for measurement. The microcontroller 9 initiates the sending of measurement signals of two types: an ultrasound signal 16 using a membrane emitter 3, and an infrared signal 17 using an emitter of an infrared sensor 4. The reflected ultrasound signals 18 and the reflected infrared signals 19 from the object 20 are respectively the detector membrane of the ultrasonic signal receiver 5 and the receiving lens of the IR sensor 4. When the measurement signals are initialized, the microcontroller starts a timer common to the two types of measurements. Upon receipt of the reflected signal 18 or 19, each of the two measuring paths interrupts the timer, and then the microcontroller 9 transmits two registers with the calculated distance values for each of the measurement methods via MODBUS.

Использование режима “1+2” возможно только при наличии в сети MODBUS как минимум трех гибридных датчиков 1, 1', 1". Данный режим предназначен для определения сложно детектируемых объектов. Пример работы данного режима представлен на фигуре 4 на примере функционирования трех гибридных датчиков 1 в сервисном роботе PROMOBOT V.4 – 21. Центральный гибридный датчик 1 получает сигнал от ПК в сети MODBUS на выполнение измерения. Микроконтроллер 9 инициирует отправку сигналов измерения 16. Также ПК отправляет двум соседним датчикам 1', 1" команду на ожидание отраженного сигнала без излучения. При наличии трудно детектируемого объекта 20 например, такого, как круглый столб 22, сигналы измерения 16 будут отражены под таким углом, что центральный датчик 1 не будет способен зафиксировать отраженные сигналы 18,19. Но соседние датчики 1' и 1" способны зафиксировать такие сигналы. Таким образом, в данном режиме работы при измерении получается три результата, из них используется ПК самое наименьшее значение, которое и будет являться расстоянием от центрального гибридного датчика 1 до объекта 22. Таким образом, сводится к минимуму количество испускаемых сигналов измерения за один цикл опроса массива гибридных датчиков. Это в свою очередь положительно влияет на зашумленность сигналами измерения области измерения, на качество детектирования объектов, от которых сигнал измерения отражается с прямой линии датчика, и на качество детектирования сложных объектов.Using mode “1 + 2” only possible with MODBUS at least three hybrid sensors 1, 1 ', 1 ". This mode is designed to determine difficult to detect objects. An example of the operation of this mode is shown in figure 4 on the example of the functioning of three hybrid sensors 1 in the service robot PROMOBOT V.4 - 21. The central hybrid sensor 1 receives a signal from PC on the MODBUS network to take measurements The microcontroller 9 initiates the sending of measurement signals 16. The PC also sends a command to two neighboring sensors 1 ', 1 "to wait for the reflected signal without radiation. If there is a difficult to detect object 20, for example, such as a round pillar 22, the measurement signals 16 will be reflected at such an angle that the central sensor 1 will not be able to capture the reflected signals 18,19. But adjacent sensors 1 'and 1 "are capable of detecting such signals. Thus, in this mode of operation when measuring, three results are obtained, of which the PC uses the smallest value, which will be the distance from the central hybrid sensor 1 to object 22. Thus minimizes the number of measurement signals emitted during one cycle of polling an array of hybrid sensors, which in turn has a positive effect on the noise level by measurement signals of the measurement area, on the quality of detection of objects, from The measurement signal is reflected from the straight line of the sensor, and to the quality of detection of complex objects.

Система определения препятствий робота имеет дополнительную возможность. Такую, как световая индикация порога измеренного расстояния. Для более удобного определения “сработки” гибридного датчика расстояния 1 предусмотрен RGB-светодиод 6. Каждый метод измерения имеет свой цвет индикации. УЗ-датчик – синий цвет. ИК-датчик – зеленый. Данная функция имеет следующий алгоритм работы: предварительно в соответствующий регистр настроек гибридного датчика расстояния 1 записывается пороговое значение расстояния. После замера расстояния результат измерения каждого метода сравнивается с пороговым значением, если результат измерения ниже порогового значения, то соответствующий светодиод 6 индицирует о значении ниже порогового. При результате измерения выше порогового, светодиод 6 гаснет.The robot obstacle detection system has an additional feature. Such as a light indication of the threshold of the measured distance. To more conveniently determine the “trigger” of the hybrid distance sensor 1, an RGB LED 6 is provided. Each measurement method has its own display color. The ultrasound sensor is blue. IR sensor - green. This function has the following operation algorithm: first, the distance threshold value is recorded in the corresponding settings register of the hybrid distance sensor 1. After measuring the distance, the measurement result of each method is compared with a threshold value, if the measurement result is below the threshold value, then the corresponding LED 6 indicates a value below the threshold value. When the measurement result is above the threshold, LED 6 goes out.

Примером использования датчика расстояния является автономный сервисный робот PROMOBOT V.4 21., в котором используются шестнадцать гибридных датчиков 1, расположенных по периметру в нижней части робота на высоте около 12 см и расстоянии друг от друга в пределах 5,5-12 см. В качестве Мастера в сети MODBUS выступает ПК.An example of the use of a distance sensor is a stand-alone service robot PROMOBOT V.4 21., which uses sixteen hybrid sensors 1 located around the perimeter in the lower part of the robot at a height of about 12 cm and a distance from each other within 5.5-12 cm. as a Master in the MODBUS network is a PC.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет повысить качество и точность измерения расстояния до сложно детектируемых объектов, расположенных под углом относительно датчика или имеющих неоднородную поверхность.Thus, the claimed invention improves the quality and accuracy of measuring the distance to difficult to detect objects located at an angle relative to the sensor or having a heterogeneous surface.

Claims

A system for determining obstacles to the movement of the robot, containing ultrasonic and infrared sensors installed along the outer surface of the robot, characterized in that the ultrasonic and infrared sensors are part of an array of hybrid sensors containing at least three hybrid sensors installed around the perimeter of the outer surface of the robot, each hybrid sensor contains an infrared sensor, an ultrasonic signal emitter membrane, an ultrasonic signal receiver membrane, an LED indicator associated with m krokontrollerom, which, in turn, connected network c robot control unit.