一种基于电荷感应的接近觉探测方法技术

本发明专利技术提出了一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其显著特征在于：利用同一平面内共地的n×m个探测电极阵列进行接近觉的探测，当目标垂直于电极平面向电极方向运动时，根据电荷感应原理，电极将同时输出多组数据，根据最大的三组数据先对目标进行初步定位，再用多元超越方程二分法对物体进行精确定位。其显著优势在于：可以实现的量程范围约为1mm～20m，实现了量程向距离觉探测范围的过渡；基于电荷感应原理，可以实现遮挡物的穿透，且不受目标颜色和粗糙度，以及环境亮度的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电荷感应的接近觉探测方法
本专利技术涉及一种探测目标接近觉的方法，尤其涉及一种基于电荷感应的接近觉探测方法。
技术介绍
目前，视觉传感器，接近觉传感器，距离觉传感器是在测距和机器人抓取及避障领域主要涉及的三种传感。视觉传感器作用范围在几十厘米到几百米，主要是获取环境图像并识别；接近觉一般应用于距离很近的情况，适用距离范围在毫米量级，作用是获取接近物体的准确距离和状态，实现无冲击接近和抓取功能；而距离觉从几米到几厘米不等，主要用于物体探测和避障。物体的接近感知原理常用的有超声波，视觉，红外线，电容式，光电式等等。红外式虽然容易实现，但是易受到遮挡物的干扰；光电式容易受到对象物颜色、粗糙度和环境亮度的限制；电容式容易受到周围杂散电场的干扰，测量范围很小，一般仅为几毫米，超过探测距离灵敏度将急剧下降；电磁式只能用于检测铁磁物质，且作用的距离比较短，一般仅为零点几毫米；超声波在空气中衰减很厉害，分辨率较低，且电路复杂。目前接近觉探测在很多性能问题上还有待解决，如在同一探测装置上实现接近觉和距离觉的过渡和统一，探测装置在全量程范围内的抗遮挡和干扰能力有待提高等。
技术实现思路
为了克服上述现有技术中的不足，本专利技术提出一种通过感应电荷变化实现接近觉探测的方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术提出的技术方案为：一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，探测电极分别接入电荷传感器，电荷传感器与采集处理模块连接，当目标物体在一定范围内在垂直于电极平面方向向电极接近时，探测电极同时感应目标接近时电荷量的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，采集处理模块将采集到的多组电压数据进行幅值比较，筛选出前三个输出幅值最大的探测电极数据，得到目标物在探测电极平面的投影点的初步范围，进一步地用多元方程步进二分法可以实现物体具体位置的求解。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极材料为导电材料，如铜，铝，锡，氮化硅等。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极形状相同，可以为方形，长方形，圆形等。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的电极个数满足：n≥2，m≥2。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的单个电极面积满足：S≥1mm2。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的形状可以是方形，长方形，圆形等。一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，电极平面垂直于目标运动方向放置，若电极形状为方形，边长为a，间距为d，电极从左往右从上往下依次编号为1到n×m；2)目标物体在垂直电极平面方向向电极接近，目标在电极平面的投影点为A，假设i，j分别为电极的列号和行号，其中1≤i≤m，1≤j≤n，则电极的编号为N＝m·(j-1)+i，电极对应的坐标分别为(x(i)，y(j))，以阵列中第i0列第j0行的电极为参考电极，其中心点相对于A点的坐标为(x0，y0)，则根据每个电极相对于坐标(x0，y0)的位置关系可以得到每个电极相对于A点的位置，其中：x(i)＝(i-i0)·(a+d)+x0y(j)＝(j-j0)·(a+d)+y0(1)目标物体在某位置时，每个电极产生的感应电荷QN(i，j)关于(x(i)，y(j))的表达式如下，其中Q0为运动目标所带电荷量，z0为目标物体与电极平面的垂直距离；3)将步骤2)中的电极接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输出，设电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为Ci，则每个电极对应的电荷传感器的输出电压VoN(i，j)如(3)式所示，其中i，j分别为电极的列号和行号，x(i)，y(j)已由(1)式给出：4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)的电荷传感器输出电压实现同步采集，根据前三个输出电压幅度最大的电极编号，处理模块将把物体在电极平面的投影初步限制在这三个电极范围内，将这三个电极的坐标(x(i)，y(j))和输出VoN(i，j)分别带入(3)式得到关于x0，y0，z0的三元方程组并给出x0，y0的取值范围，具体如下：若前三个输出最大的电极的列号和行号分别为(i1，j1)、(i2，j2)、(i3，j3)，对应电极编号为N1、N2、N3，电极边长与间距分别为a、d，则由前三个输出最大的电极构成的关于x0，y0，z0的三元方程组为：其中：x(i1)＝(i1-i0)·(a+d)+x0y(j1)＝(j1-j0)·(a+d)+y0x(i2)＝(i2-i0)·(a+d)+x0y(j2)＝(j2-j0)·(a+d)+y0x(i3)＝(i3-i0)·(a+d)+x0y(j3)＝(j3-j0)·(a+d)+y0x0，y0的取值范围为：x0∈[xmin，xmax]，y0∈[ymin，ymax]其中：5)x0、y0的取值范围由式(5)给出，z0的取值范围可根据实际探测范围设定，在取值范围内对三元方程组(4)进行二分法求解，从而得到(x0，y0，z0)精确的定位，算法的步骤可概括为：建立bisect3函数用于三元方程组的求解：函数表达式为：[x，y，z]＝bisect3(f1，f2，f3，xmin，xmax，ymin，ymax，zmin，zmax)函数的输入参数为：形如的三元方程组：f1＝f1(x，y，z)，f2＝f2(x，y，z)，f3＝f3(x，y，z)，方程组的解x，y，z的取值范围分别为[xmin，xmax]，[ymin，ymax]，[zmin，zmax]，函数的返回值为：三元方程组的解x，y，z。进一步地，一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，所述bisect3函数的算法过程为：①先限定z的值为初值z0＝zmin，代入f1、f2得到关于x，y的二元方程组令s0′＝f3(x，y，z0)，②在此基础上限定y的值为初值y0＝ymin，将y0代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y0，z0)＝0，令s0＝f2(x，y0，z0)，③对方程f1(x，y0，z0)＝0用解一元方程的二分法进行求解得到返回值x。④将步骤③中返回的x值代回得到s0的值，再让②中y0增加一个步长h得到y1＝y0+h，令s1＝f2(x，y1，z0)，将y1代入f1得到关于x的一元方程f1(x，y1，z0)＝0，用解一元方程二分法求出f1(x，y1，z0)＝0在求根区间内的解，然后将返回的x值代回得到s1的值，若s0·s1≤0，则在这个步长[y0，y1]内有解，否则推进步长h直得到区间为[yn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，探测电极分别接入电荷传感器，电荷传感器与采集处理模块连接，当目标物体在一定范围内在垂直于电极平面方向向电极接近时，探测电极同时感应目标接近时电荷量的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，采集处理模块将采集到的多组电压数据进行幅值比较，筛选出前三个输出幅值最大的探测电极数据，得到目标物在探测电极平面的投影点的初步范围，进一步地用多元方程步进二分法可以实现物体具体位置的求解。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，探测电极分别接入电荷传感器，电荷传感器与采集处理模块连接，当目标物体在一定范围内在垂直于电极平面方向向电极接近时，探测电极同时感应目标接近时电荷量的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，采集处理模块将采集到的多组电压数据进行幅值比较，筛选出前三个输出幅值最大的探测电极数据，得到目标物在探测电极平面的投影点的初步范围，进一步地用多元方程步进二分法可以实现物体具体位置的求解。


2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极材料为导电材料，如铜，铝，锡，氮化硅等。


3.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极形状相同，可以为方形，长方形，圆形等。


4.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的电极个数满足：n≥2，m≥2。


5.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的单个电极面积满足：S≥1mm2。


6.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，探测电极阵列的形状可以是方形，长方形，圆形等。


7.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的接近觉探测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)n×m个材料和大小一致并且共地的探测电极以固定间距成阵列状排布在同一平面，电极平面垂直于目标运动方向放置，若电极形状为方形，边长为a，间距为d，电极从左往右从上往下依次编号为1到n×m；
2)目标物体在垂直电极平面方向向电极接近，目标在电极平面的投影点为A，假设i，j分别为电极的列号和行号，其中1≤i≤m，1≤j≤n，则电极的编号为N＝m·(j-1)+i，电极对应的坐标分别为(x(i)，y(j))，以阵列中第i0列第j0行的电极为参考电极，其中心点相对于A点的坐标为(x0，y0)，则根据每个电极相对于坐标(x0，y0)的位置关系可以得到每个电极相对于A点的位置，其中：
x(i)＝(i-i0)·(a+d)+x0
y(j)＝(j-j0)·(a+d)+y0(1)
目标物体在某位置时，每个电极产生的感应电荷QN(i，j)关于(x(i)，y(j))的表达式如下，其中Q0为运动目标所带电荷量，z0为目标物体与电极平面的垂直距离；



3)将步骤2)中的电极接入电荷传感器，把电荷量转换成电压量输出，设电荷传感器的增益为H，电荷传感器的输入电容为Ci，则每个电极对应的电荷传感器的输出电压VoN(i，j)如(3)式所示，其中i，j分别为电极的列号和行号，x(i)，y(j)已由(1)式给出：



4)电荷传感器后端的采集处理模块对步骤3)的电荷传感器输出电压实现同步采集，根据前三个输出电压幅度最大的电极编号，处理模块将把物体在电极平面的投影初步限制在这三个电极范围内，将这三个电极的坐标(x(i)，y(j))和输出VoN(i，j)分别带入(3)式得到关于x0，y0，z0的三元方程组并给出x0，y0的取值范围，具体如下：
若前三个输出最大的电极的列号和行号分别为(i1，j1)、(i2，j2)、(i...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽敏，樊子予，王舒凡，韩平，闫锋，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32