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基于毫米波雷达的机器人避障系统及其应用方法.pdf

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基于 毫米波 雷达 机器人 系统 及其 应用 方法
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摘要
申请专利号:

CN201910030293

申请日:

20190114

公开号:

CN109633652A

公开日:

20190416

当前法律状态:

公开

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 公开
IPC分类号: G01S13/93;G01S7/41;G01S7/38 主分类号: G01S13/93;G01S7/41;G01S7/38
申请人: 长沙莫之比智能科技有限公司
发明人: 陈浩文;刘军辉
地址: 410000 湖南省长沙市高新开发区尖山路39号长沙中电软件园有限公司总部大楼A1313室
优先权:
专利代理机构: 代理人:
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910030293

授权公告号:

法律状态公告日:

20190416

法律状态类?#20572;?/td>

公开

摘要

本发明提供基于毫米波雷达的机器人避障系统,包括:1)毫米波雷达模块:采用在76至81GHz频段运行的、多发多收的MIMO天线和射频前端作为收发前端,所述毫米波雷达模块内包含信号处理芯片DSP及微处理器ARM,所述信号处理芯片DSP负责处理射频前端传输的数据,所述微处理器ARM将所述信号处理芯片DSP处理后的数据打包成数据协议发?#36879;?#22788;理器,所述MIMO雷达传感器能同时探测多个障碍物的距离、速度及方位角;2)机器人移动底盘:用于移动机器人;3)处理器:所述处理器运行机器人系统,所述毫米波雷达模块与机器人移动底盘分别通过串口连接在处理器上,所述处理器对毫米波雷达模块探测的障碍物数据信息进行处理,进而进行空间构图。

权利要求书

1.基于毫米波雷达的机器人避障系统,其特征在于,包括: 1)毫米波雷达模块:固定在机器人上,采用在76至81GHz频段运行的、多发多收的MIMO天线和射频前端作为收发前端,所述毫米波雷达模块内包括信号处理芯片DSP及微处理器ARM,所述信号处理芯片DSP负责处理射频前端传输的数据,所述微处理器ARM将所述信号处理芯片DSP处理后的数据打包成数据协议发?#36879;?#22788;理器,所述毫米波雷达模块能同时探测多个障碍物的距离、速度及方位角; 2)机器人移动底盘:用于移动机器人; 3)处理器:固定在机器人上,所述处理器运行机器人系统,所述毫米波雷达模块与机器人移动底盘分别通过串口连接在处理器上,处理器发送命令启动毫米波雷达模块和机器人移动底盘,毫米波雷达模块会随着底盘移动,将障碍物信息通过串口发送到处理器上,所述处理器对毫米波雷达模块探测的障碍物数据信息进行处理,进而进行空间构图、自主导航并避障。 2.根据权利要求1所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,其特征在于,所述毫米波雷达模块启动后,通过MIMO天线的发送天线发送连续调频波,同时其接收天线不停接收回波信号,所述回波信号与所述发射信号通过射频前端中的混频器生成混频信号,所述混频信号经过毫米波雷达模块内所述信号处理芯片DSP进行ADC采样,并对采样数据一维FFT处理,得到目标距离信息,接着对目标距离信息二维FFT处理,获取目标速度信息;对距离和速度数据做恒虚警处理和角度估计,过滤掉虚假目标;最终,每个目标的信息包含目标二维平面坐标(x,y),目标速度,目标角度信息及目标信号强?#20154;?#20010;信息。 3.根据权利要求1所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,其特征在于,所述处理器完成空间构图后,将新构建的地图保存,机器人运动空间区域内的障碍物都会在保存的地图上显示,处理器控制机器人移动底盘在该地图上避开障碍物和实现自主导航。 4.根据权利要求1所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,其特征在于,所述毫米波雷达模块工作在77GHz频段。 5.根据权利要求1所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,其特征在于,所述毫米波雷达模块的最大调制带宽为4GHz,最大距离分辨率为0.04m。 6.根据权利要求1~5?#25105;?#25152;述基于毫米波雷达的机器人避障系统的应用方法,包括如下应用步骤: 第一步:处理器通过串口发送启动命令给毫米波雷达模块和机器人移动底盘; 第二步:毫米波雷达模块启动后会通过发送天线发送连续调频波,同时其接收天线不停接收回波信号,回波信号与发射信号通过混频器生成混频信号,所述混频信号经过毫米波雷达模块内ADC采样,并对采样数据一维FFT处理,得到目标距离信息,接着对目标距离信息二维FFT处理,获取目标速度信息;对距离和速度数据做恒虚警处理和角度估计,过滤掉虚假目标;最终,每个障碍物目标的信息包含目标二维平面坐标(x,y),目标速度,目标角度信息及目标信号强?#20154;?#20010;信息; 第三步:毫米波雷达模块将障碍物信息通过串口发送到处理器上,处理器对毫米波雷达模块采集的障碍物信息处理并构图; 第四步:所述处理器完成构图,并将新构建的地图保存,此时,机器人运动空间区域内的障碍物都会在保存的地图上显示; 第五步:重新启动底盘,通过命令加载第四步保存的地图;处理器控制机器人移动底盘在该地图上避开障碍物和自主导航。

说明书


基于毫米波雷达的机器人避障系统及其应用方法
技术领域


本发明属于机器人避障技术领域,尤其涉及毫米波雷达避障系统,具体是基于毫
米波雷达的机器人避障系统及其应用方法。


背景技术


随着人类社会生活方式的变革和科技的发展,机器人已经广泛走向多个领域,社
会对机器人的需求越来?#35282;?#28872;。智能机器人,能够根据环境参数,建立模?#20572;?#24863;知周围并做
出判断,最终完成指令。其中,机器人避障是智能机器人一项基础关键技术,机器人避障技
术的核心包括传感器的选择和算法的选择,一般来说,我们需要通过传感器给机器人提供
周围环境信息,高精度及?#32479;?#26412;的机器人避障传感器方案急需提出及解决。


不同的传感器有不同的特点,传统的机器人避障系统及其存在的问题是:传统机
器人避障采用激光雷达传感器或超声波传感器;超声波传感器响应速度慢,且盲区较大导
致经常漏检误检;激光雷达传感器成本高,对玻璃等透明材质物体难以检测。


机器人避障系统,要实现机器人的全局定位和导航,构建地图起到至关重要的作
用,在76至81GHz频段运行的毫米波雷达传感器,距离精度可达到0.04m,能同时探测多个目
标的距离、速度及方位信息,?#39029;?#26412;?#31995;停?#33021;很好的弥补现有机器人避障传感器的不足,帮
助机器人构建环境地图和实现避障。


发明内容


针对背景技术提出的问题,本发明的目的是,提供基于毫米波雷达的机器人避障
系统,采用的毫米波雷达工作在76至81GHz频段,距离精度可达到0.04m,能同时探测多个目
标的距离、速度及方位信息,?#39029;?#26412;?#31995;停?#33021;很好的弥补现有机器人避障传感器的不足。


为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:


基于毫米波雷达的机器人避障系统,包括:


1)毫米波雷达模块:采用在76至81GHz频段运行的、多发多收的MIMO天线和射频前端作
为收发前端,所述毫米波雷达模块内包含信号处理芯片DSP及微处理器ARM,所述信号处理
芯片DSP负责处理射频前端传输的数据,所述微处理器ARM将所述信号处理芯片DSP处理后
的数据打包成数据协议发?#36879;?#22788;理器,所述毫米波雷达模块能同时探测多个障碍物的距
离、速度及方位角;


2)机器人移动底盘:用于移动机器人;


3)处理器:所述处理器运行机器人系统,所述毫米波雷达模块与机器人移动底盘分别
通过串口连接在处理器上,处理器发送命令启动毫米波雷达模块和机器人移动底盘,毫米
波雷达模块固定在机器人上,随着底盘移动;毫米波雷达模块移动过程中将障碍物信息通
过串口发送到处理器上,所述处理器对毫米波雷达模块探测的障碍物数据信息进行处理,
进而进行地图构建;此时,障碍物信息会保存在地图中,重新加载该地图,用命令使机器人
在此地图上自主导航,整个机器人系统会实现自主避障。


进一步地,所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,所述毫米波雷达模块启动后,
通过MIMO天线的发送天线发送连续调频波,同时其接收天线不停接收回波信号,所述回波
信号与所述发射信号通过模块内射频前端的混频器生成混频信号,所述混频信号经过毫米
波雷达模块内信号处理芯片DSP处理,包括:ADC采样,并对采样数据一维FFT处理,得到目标
距离信息,接着对目标距离信息二维FFT处理,获取目标速度信息;对距离和速度数据做恒
虚警处理和角度估计,过滤掉虚假目标,最终,每个目标的信息包含目标二维平面坐标(x,
y),目标速度,目标角度信息及目标信号强?#20154;?#20010;信息。


进一步地,所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,所述处理器完成空间构图后,
将新构建的地图保存,机器人运动空间区域内的障碍物都会在保存的地图上显示,处理器
控制机器人移动底盘在该地图上避开障碍物和实现自主导航。


进一步地,所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,所述毫米波雷达模块工作在
77GHz频段。


进一步地,所述基于毫米波雷达的机器人避障系统,所述毫米波雷达模块的最大
调制带宽为4GHz,最大距离分辨率为0.04m。


基于毫米波雷达的机器人避障系统的应用方法,包括如下应用步骤:


第一步:处理器通过串口发送启动命令给毫米波雷达模块和机器人移动底盘;


第二步:毫米波雷达模块启动后会通过发送天线发送连续调频波,同时其接收天线不
停接收回波信号,回波信号与发射信号通过混频器生成混频信号,所述混频信号经过毫米
波雷达模块内ADC采样,并对采样数据一维FFT处理,得到目标距离信息,接着对目标距离信
息二维FFT处理,获取目标速度信息;对距离和速度数据做恒虚警处理和角度估计,过滤掉
虚假目标,最终,每个目标的信息包含目标二维平面坐标(x,y),目标速度,目标角度信息及
目标信号强?#20154;?#20010;信息;


第三步:毫米波雷达模块将障碍物信息通过串口发送到处理器上,处理器对毫米波雷
达模块采集的障碍物信息处理并进行空间构图;


第四步:所述处理器完成空间构图,并将新构建的地图保存,此时,机器人运动空间区
域内的障碍物都会在保存的地图上显示;


第五步:重新启动底盘,通过命令加载第四步保存的地图;处理器控制机器人移动底盘
在该地图上避开障碍物和自主导航。


本发明的有益效果包括:利用毫米波雷达的数据构建空间地图,与其他机器人避
障模块相比,成本更?#20572;?#29615;境适应性更好;可同时探测多目标,探测精度高;本机器人避障系
统采用的毫米波雷达工作在77GHz频段,距离精度可达到0.04m,能同时探测多个目标的距
离、速度及方位信息,?#39029;?#26412;?#31995;停?#33021;很好的弥补现有机器人避障传感器的不足。


附图说明


图1基于毫米波雷达的机器人避障系统整体连接图;


图2毫米波雷达模块结构图;


图3毫米波雷达信号处理过程示意图。


具体实施方式


下面结合附图,对本发明作进一步的说明,以便于本领域技术人员理解本发明。


如附图1所示,基于毫米波雷达的机器人避障系统,包括:1)毫米波雷达模块、2)机
器人移动底盘、3)处理器三部分,所述处理器运行机器人系统,所述毫米波雷达模块与处理
器通过串口连接,所述机器人底盘与处理器通过串口连接。


1)毫米波雷达模块:所述毫米波雷达模块内部结构如图2所示,包括:电源模块、收
发前端、信号处理芯片DSP、微处理器ARM和通讯模块;所述电源模块为收发前端、信号处理
芯片DSP、微处理器ARM和通讯模块供电;所述收发前?#23435;?#22312;76至81GHz频段运行的、多发多
收的MIMO天线和射频前端,所述毫米波雷达模块能同时探测多个障碍物的距离、速度及方
位角,所述信号处理芯片DSP负责处理射频前端传输的数据;收发的雷达信号处理过程如附
图3所示,所述MIMO天线包括发送天线和接收天线,所述发送天线发送连续调频波,同时,所
述接收天线不停接收回波信号,所述回波信号与所述发射信号通过射频前端中的混频器生
成混频信号,所述混频信号经过毫米波雷达模块内的信号处理芯片DSP 进行ADC采样,并对
采样数据一维FFT处理,得到目标距离信息,接着对目标距离信息二维FFT处理,获取目标速
度信息;对距离和速度数据做恒虚警处理和角度估计,过滤掉虚假目标,最终,每个目标的
信息包含目标二维平面坐标(x,y),目标速度,目标角度信息及目标信号强?#20154;?#20010;信息;所
述微处理器ARM将所述信号处理芯片DSP处理后的数据(包含每个目标的信息)打包成数据
协议,通过通讯模块发?#36879;?#22788;理器?#36745;?#19968;个具体实施例中,所述毫米波雷达模块工作在
77GHz频段,最大调制带宽位4GHz,所述毫米波雷达模块的最大距离分辨率为0.04m。


2)机器人移动底盘:所述机器人移动底盘用于移动机器人。


3)处理器:所述处理器运行机器人系统,所述毫米波雷达模块与机器人移动底盘
分别通过串口连接在处理器上,处理器发送命令启动毫米波雷达模块和机器人移动底盘,
毫米波雷达模块会随着底盘移动,将障碍物信息通过串口发送到处理器上,所述处理器对
毫米波雷达模块探测的障碍物数据信息进行处理,进而进行空间构图;所述处理器完成空
间构图后,将新构建的地图保存,机器人运动空间区域内的障碍物都会在保存的地图上显
示;构图完成后重新加载该地图,处理器控制机器人移动底盘在该地图上避开障碍物和实
现自主导航。构图是机器人利用毫米波雷达传回来的数据进行环境构图,实现通过毫米波
构图。


基于毫米波雷达的机器人避障系统的应用方法,包括如下应用步骤:


第一步:处理器通过串口发送启动命令给毫米波雷达模块和机器人移动底盘;


第二步:毫米波雷达模块启动后会通过发送天线发送连续调频波,同时其接收天线不
停接收回波信号,回波信号与发射信号通过收发前端中的混频器生成混频信号,所述混频
信号经过毫米波雷达模块内的信号处理芯片DSP 进行ADC采样,并对采样数据一维FFT处
理,得到目标距离信息,接着对目标距离信息二维FFT处理,获取目标速度信息;对距离和速
度数据做恒虚警处理和角度估计,过滤掉虚假目标;最终,每个目标的信息包含目标二维平
面坐标(x,y),目标速度,目标角度信息及目标信号强?#20154;?#20010;信息;


第三步:毫米波雷达模块将障碍物信息通过串口发送到处理器上,处理器对毫米波雷
达模块采集的障碍物信息处理并构图;


第四步:所述处理器完成构图,并将新构建的地图保存,此时,机器人运动空间区域内
的障碍物都会在保存的地图上显示;


第五步:重新启动底盘,通过命令加载第四步保存的地图;处理器控制机器人移动底盘
在该地图上避开障碍物和自主导航。


以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式,而不是用于限定本发明,本发明
所要求保护的?#27573;?#20197;权利要求书所述为准。


关于本文
本文标题:基于毫米波雷达的机器人避障系统及其应用方法.pdf
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