CN100343026C - 机器人清洁器和机器人清洁系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人清洁器，它包括，用来驱动一组轮子的驱动单元，架安装在主体内、用来拍摄与运动方向相垂直伸展的上方图像的摄像机，控制器，它利用由摄像机拍摄到的在工作区域的天花板上安装的识别标志所获得的位置信息来识别位置，并利用识别出的、与目标清洁工作相对应的位置信息来控制驱动单元。识别标志带有一组与之做成一体的方向指示部分，方向指示部分构成一种从识别标志的特定的中心点发出的、且具有不同长度的方位角方向。因此，由于用来识别机器人清洁器的当前位置的识别标志被安装在具有少量变化的天花板上，位置的识别可以更为有效地进行，且机器人清洁器向着目标工作区域的运动以及清洁工作会更有效地进行。

Description

机器人清洁器和机器人清洁系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机器人清洁器、一种机器人清洁系统，以及一种控制机器人清洁器的方法，特别是，一种能够利用机器人运动的同时所拍摄的图像来识别机器人当前位置的机器人清洁器和机器人清洁器系统，以及位置识别的一种方法。

背景技术

一种典型的机器人清洁器，是通过沿着由一堵墙或一个障碍所围成的将要清洁区域的轮廓线运动的同时，利用安装在其体内的一个超声波传感器，来决定所要清洁的区域并设计出一条清洁器所要清洁区域的清洁路线。然后，机器人清洁器根据一个由一个传感器探测到的信号，计算出其运动距离和当前位置，其中传感器可以探测机器人清洁器的一个轮子每分钟旋转的转数和转动的角度。机器人清洁器驱动其轮子沿着设计好的路线行驶。然而，在这样一种位置识别方法中，在计算出的行驶距离以及基于传感器探测出的信号所获得的当前位置，与实际行驶距离以及位置之间存在误差。误差是由于轮子的一次滑动，或所清洁区域的一处不平坦表面所造成的。随着机器人清洁器的运动，位置识别误差就累积起来。因此，机器人清洁器，可能会由于累积起来的位置识别误差，而偏离设计好的路线。结果，有可能会产生某些应该清洁的区域没有得到清洁，或某些区域被重复清洁。因此，机器人清洁器的工作效率变低了。

发明内容

本发明的目的在于解决先前技术中所发现的上述问题。因此，本发明的一个目标在于提出一种机器人清洁器和一种清洁方法，它可以通过采用一种位置识别方法，更准确地识别机器人清洁器的当前位置，从而有效地完成一个给定量的工作。

上述目标实现，是通过为执行清洁任务的机器人清洁器配置一个采用无线通讯的外部装置，它包括用来驱动一组轮子的一个驱动单元；一个安装在一个主体内，用来拍摄沿垂直于机器人的运动方向延伸的一个上方图像的摄像机；一个控制器，可以根据一个上部的摄像机所拍摄到的位置信息，来识别机器人清洁器的位置，并利用对应于一个清洁工作目标区的识别位置信息来控制驱动单元，其中的位置信息包括一个安装在工作区域天花板上的识别标志，识别标志包括至少两个彼此分离的识别标志，且通过把由摄像机拍摄的当前图像中出现的识别标志的坐标信息与摄像机先前所存储的坐标信息进行比较，控制器就可以识别机器人清洁器的位置。

识别标志最好各自具有不同的形状，并做成黑色的，以便可以相互区分。根据本发明的另一个方面，识别标志带有一组与之形成一体的方向指示部分，而方向指示部分形成了一个从一个特定的中心点发出的方位角范围，且具有不同的长度。

另外，根据上述目标，提出一种执行清洁工作的机器人清洁器，它包括：一个用来驱动多个轮子的驱动单元；一架安装在一个主体内的摄像机；一个控制器，它利用由摄像机拍摄到的一个工作区域中一块天花板上安装的一个识别标志所获得的位置信息来识别驱动单元的位置，并利用对应于一个目标清洁工作的识别位置信息来控制驱动单元，其中，识别标志带有多个与之做成一体的方向指示部分，方向指示部分构成一种从识别标志的一个特定的中心点发出的、且具有不同长度的方位角方向，且通过把由摄像机拍摄的当前图像中出现的识别标志的坐标信息与摄像机先前所存储的坐标信息进行比较，控制器就可以识别机器人清洁器的位置。

另外，根据上述目标，是通过提出一种包括一个机器人清洁器的机器人清洁器系统来的实现，而机器人清洁器包括一个用来驱动一组轮子的驱动单元，和一个安装在一个主体内上部摄像机，而该摄像机用来拍摄一个沿垂直于机器人清洁器的运动方向的一个上方图像；和一个与机器人清洁器进行无线通讯的遥控控制器，通过使用一个上部摄像机拍摄到的，其中包含有做在工作区域天花板上的一个识别标志的图像信息，遥控控制器可以识别机器人清洁器的当前位置，并根据所识别的当前位置，来控制机器人清洁器的工作路线，以便执行一个预定的清洁操作。

此外，上述目标是通过提出一种控制带有一架上部摄像机的一个机器人清洁器的方法来实现的，包括以下步骤：当一个控制信号被输入时，把被上部摄像机所拍摄到的一个上方图像中出现的识别标志起始位置值存储起来；计算到达目标工作位置的运行路线；使机器人沿着计算所得的运行路线运动；通过把识别标志的起始位置值，与上部摄像机当前所拍摄到的上方图像中出现的识别标志的位置值进行比较，来调整运行路线。

附图说明

参照以下附图，本发明将得到详细的说明，其中：

图1是一个透视图，它展示了根据本发明的一个机器人清洁器，其中的一个盖子被拿掉了；

图2是一个方块图，它展示了根据本发明的一个机器人清洁系统；

图3是一个视图，它展示了图1中的机器人清洁器被放入到一个房间中的情况；

图4是一个视图，它展示了被一架上部摄像机所拍摄到的一块天花板的一个图像；

图5是一个视图，它描述了利用图3中的识别标志的一个图像的位置信息，来计算一个机器人清洁器的一个位置的方法；

图6是一个底部视图，它展示了根据本发明的另一个具体实施例的一个识别标志；

图7是一个方块图，它展示了图2中的一个中心控制装置；且

图8是一个流程图，它展示了根据本发明的一个机器人清洁器的一种清洁操作过程。

具体实施方式

图1是一个透视图，它展示了根据本发明所述的一种机器人清洁器，其中的上盖被拿掉了。图2是一个方块图，它展示了根据本发明所述的一种机器人清洁系统。

参照图1和图2，一个机器人清洁器10包括一个吸气单元11、一个传感器12、一个前部摄像机13、一个上部摄像机14、一个驱动单元15、一个存储器16、一个发射/接收单元17、和一个控制器18。序号19表示一个电池。

吸气单元11安装在一个主体10a中，并通过一个面对的清洁面来吸入空气以便收集灰尘。吸气单元11可以通过即将为大家所知各种方法来构建。例如，抽气单元11包括一个吸气马达(没有画出)和一个用来收集灰尘的灰尘收集室，在马达的驱动下，灰尘通过一个位于清洁面对面的抽气口或一个抽气管被吸入。

传感器12包括，一个沿着主体10a的外圆周表面安装的障碍物探测传感器12a，用来向外发送一个信号并接收一个反射信号，和一个用来探测机器人清洁器10的运动距离的运动距离探测传感器12b。

障碍物探测传感器12a上带有一个用来发射一束红外线的红外线发射元件12a1，和一个用来接收反射光的光线接收元件12a2。在沿着主体10a的外圆周表面的相互平行的垂直线上，排列着一组红外线发射元件12a1和光线接收元件12a2。换种方式，障碍物探测传感器12a可以采用一个超声波传感器，以便发射一束超声波并接收一束反射的超声波。障碍物探测传感器12a可以探测到达一个障碍物或墙面的距离。

运动距离探测传感器12b，可以是一个用来探测轮子15a至15d的一个RPM的转动探测传感器。例如，转动探测传感器，采用一个编码器来探测马达15e和15f的RPM。

前部摄像机13安装在主体10a中，以便拍摄一个前方的图像，并向控制器18输出所拍摄的前方的图像。

上部摄像机14安装在主体10a之中，以便拍摄一个上方的图像，并向控制器18输出所拍摄的上方的图像。上部摄像机14最好采用一个鱼眼镜头(没有画出)。

鱼眼镜头包括至少一个镜头，这个镜头被设计成具有一个象鱼眼一样宽的拍摄视角，例如，达到180°的范围。鱼眼镜头被设计成对应于一个预期的视角角度，或一个允许的扭曲量。由于如上所述构造的鱼眼镜头已经公开在韩国专利Nos.1996-7005245，1997-48669和1994-22112中，并且已经由几个镜头制造商供应上市，在此就不再进行详细描述了。

驱动单元15包括，两个安装在主体10a前面两侧的前轮15a和15b，两个安装在主体10a后面两侧的后轮15c和15d，分别驱动两个后轮15c和15d的马达15e和15f，以及一个用来把动力从后轮15c和15d传递到前轮15a和15b的调速带15g。驱动单元15，根据来自控制器18的一个控制信号，分别独立地驱动马达15e和15f沿顺时针/逆时针方向转动。机器人清洁器10方向的改变，是通过以不同的转速(RPMs)转动马达15e和15f来实现的。

发射和接收单元17通过一个天线17a来发射和接收一个信号，并向控制器18输出收到的信号。

控制器18对通过发送/接收单元17收到的信号进行处理，并分别控制机器人清洁器10的元件。机器人清洁器10还可以包括一个位于主体10a上的键盘输入设备(没有画出)，并带有用来操纵机器人清洁器的一项功能的一组键，在这种情况下，控制器18处理经按键输入设备(没有画出)输入的一个按键信号。

控制器18，利用位置信息来识别机器人清洁器的当前位置，其中位置信息的形式为出现在被上部摄像机14所拍摄到的一个上方图像中的一个识别标志31(参照图3)。识别标志31安装在所要清洁区域的天花板上，以便在识别方法中用到。控制器18利用识别出的位置信息，分别控制机器人10的各个元件来执行指定的功能。

用来与所拍摄到的上方图像中的识别标志31进行比较的参考图像信息存储在存储器17中，以便控制器18在由上部的摄像机14所拍摄到的图形中来搜索识别标志31。

有各种方法可以把识别标志31从所拍摄到的图像中区分出来。在一个实例中，所拍摄到的图像被转化成了一种灰度等级，并与一个相互连接的像素点的区域进行比较，其中该像素点区域的灰度值与识别标志的灰度值相同。在另一个实例中，图形数据在识别标志中的分布被预先存储起来，任何与所存储的数据值具有相同分布的图像区域都会被确定为识别标志。

识别标志31可以做成任何便于测量机器人清洁器10的运动方向和运动距离形状。

图3展示了一个工作空间，其中构成了识别标志的一个实例。

参照图3，在工作区域的一块天花板33上，安装了两个识别标志31a和31b。序号35指的是一个荧光灯。

图4展示的是，安装了识别标志31的上方区域的一个修正后的图像的实例，修正是基于上部的摄像机14用鱼眼镜头所拍摄到的原始图像来进行的。由鱼眼镜头所拍摄到的图像是扭曲的，看上去就像是绘制在一个半球上，必须进行修正，才能产生对应于实际空间的一种直线的形状。

因此，最好把一个图像修正处理单元(没有画出)，配置在控制器18中，或配置在存储器17中，并由控制器18来激活。

图像修正处理单元采用各种方法把来自半球上的扭曲的图像修正成为直线图像，这些方法将被公开。例如，韩国专利No.163915公开的补偿一种扭曲率的一种方法，是通过向所接收到的图像施加一个对应于鱼眼镜头的扭曲率的配重(counter-weight)来实现的。也可以采用其它方法来补偿扭曲率。

同时，为了识别机器人清洁器10的当前位置，通过把上部摄像机14所获得的当前信息，即，关于识别标志31的坐标信息，连接着识别标志31的连线的斜率，以及关于识别标志31之间的距离信息，与上部摄像机14先前获得的存储信息进行比较，控制器18就可以计算出位置的变化量。

以下将参照图5，进行更详细的描述。

图5展示了基于上部摄像机14所拍摄到的原始图像，进行修正后的图像的一个完整屏幕37。如图所示，在整个屏幕37上都加上了相对于直角坐标轴(X，Y)和原点(0，0)的坐标，以便解释在整个平面37上的一个特定的图像的坐标值和其它参数的获得方法。图5中标为序号39的一个标志，表示上部摄像机14的一个中心位置，并与机器人清洁器10的当前位置相对应。

就像通过附图所了解的那样，通过把出现在由上部摄像机14所拍摄到的图像中的识别标志31a和31b的坐标(X1，Y1)和(X2，Y2)、坐标之间的一个距离D、以及对应于连接识别标志31a和31b的一条线的一个倾斜的角度(A)数据，与先前存储的数据进行比较，就可以计算出位置变化和当前位置。

识别标志31最好具有不同的形状，以便彼此加以区分。

另外，考虑到灯所射出的光线以及所清扫空间的明亮的内部，识别标志31要做成黑色的以便于区别。

此外，除了采用两个识别标志31a和31b之外，可以采用一个整体的识别标志131，如图6所示。作成整体的识别标志131具有四个方向指示部分131b、131c、131d和131e，沿着四个基本方向从一个中心部分131a延伸出来。方向指示部分131b和131d，分别从中心部分131a沿着相反的水平方向延伸，并具有不同的长度。作成整体的识别标志131，使得控制器18，可以通过比较当前拍摄的图像与先前拍摄的图像，而容易地获得机器人清洁器10的转动方向和运动距离的信息。四个方向指示部分131b、131c、131d和131e中的一个可以被省略。

当通过外围的键盘输入设备以无线的方式输入一个工作命令信号时，控制器18，通过把出现在由上部摄像机14当前拍摄的图像中的识别标志31的位置信息与先前存储的识别标志进行比较，就可以识别机器人清洁器10的当前位置。然后，控制器18就驱动动力单元15，从所识别的当前位置出发，沿着一个目标运行路线前进。在这里，工作命令信号包括一个执行一个清洁动作的命令，或通过一架摄像机执行一个监控动作的命令。当沿着目标运行路线运动时，控制器18，利用编码器所测得的运动距离，以及通过把在当前拍摄的图像中出现的识别标志31的位置信息与先前存储的识别标志信息相比较所识别出的机器人清洁器的当前位置，计算出运动误差。然后，控制器18对运动误差进行补偿，并控制驱动单元15按照目标运行路线来运动。此外，当清洁器通过一个障碍时，如果不能捕捉到识别标志31，控制器18就暂时利用通过编码器计算出的运动距离和运动方向信息，控制清洁器的运动。

在以上描述中，控制器18，直接利用由上部的摄像机14所拍摄的识别标志31的图像信息，来执行位置识别的过程。

根据本发明的另一方面，一个机器人清洁器系统通过一个外部装置来为机器人清洁器执行一个位置识别过程，结果使得进行位置识别所需的计算工作量被减少了。

对于这种情况，机器人清洁器10以无线的方式把所拍摄到的图像信息发送到一个外部装置上，并根据来从外部装置接收到的控制信号进行动作。如图2所示，一个遥控控制器40，通过控制无线的方式控制机器人清洁器的运行，从而控制机器人清洁器10的运动。遥控控制器40包括一个无线继电器41和一个中心控制部件50。

无线继电器41，对经天线42从机器人清洁器10接收到一个无线信号进行处理，并通过一根导线把信号传递给中心控制部件50。无线继电器41，把从中心控制部件50接收到的一个信号，经天线42，发送给机器人清洁器10。

中心控制部件50由一个通用计算机构成，图7中展示了一个实例。参照图7，中心控制部件50包括一个中央处理单元(CPU)51、一个只读存储器(ROM)52、一个随机访问存储器(RAM)53、一个显示器件54、一个输入部件55、一个存储部件56、和一个通讯部件57。

存储器56带有一个机器人清洁器驱动器56a，用来控制机器人清洁器10，并处理从机器人清洁器10接收到的信号。如果机器人清洁器驱动器56a被激活，一个用来设置机器人清洁器控制的菜单就会显示在显示部件54上。机器人清洁器驱动器56a执行由用户所作出的一个菜单选项，并根据用户的选择来控制机器人清洁器10。菜单中配有一个主菜单和一个子菜单，其中主菜单包括一个清洁动作和一个监控动作，子菜单中包括一个目标区域选择清单和一个工作模式。

机器人清洁器驱动器56a识别机器人清洁器10的当前位置的方法与以上描述的方法相同，即，利用从机器人清洁器10接收到的一个识别标志的一个上方图像和一个识别标志的存储图像。

机器人清洁器10的控制器18，根据经无线继电器41从机器人清洁器驱动器56a接收到的控制信息，对驱动部件15进行控制，并减少了识别机器人清洁器10的位置所需的计算工作量。另外，在机器人清洁器10的运行期间，控制器18，经无线继电器41向中心控制部件50周期性地发送所拍摄到的图像信息。

此后将参照图8，更为详细地描述机器人清洁器控制的一种方法。首先，判断是否接收到了一个工作命令(步骤100)。如果收到了工作命令，就把由上部的摄像机14所拍摄到的一个上方图像中所出现的识别标志的位置值存储起来(步骤110)。然后，对应于所接收到的工作命令的一个目标工作区域，或机器人清洁器10向着目标工作区域运动所遵循的路线，就被计算出来(步骤120)。然后，机器人清洁器10开动起来，并沿着计算出的运行路线运动(步骤130)。

在机器人清洁器10的运行期间，机器人清洁器10的位置变化量，是通过比较出现在从上部摄像机14接收到的上方图像中的识别标志的位置信息与所存储的起始位置值，而计算出来的(步骤140)。然后，通过分析计算出的位置差值，就可以确定机器人清洁器10的运行路线是否需要修正(步骤150)。如果一条运行路线需要修正，利用识别出的当前位置信息，就可以修正运行路线(步骤160)。然后，判断工作是否已经完成(步骤170)。“工作”指的是一种清洁过程，也就是当沿着运行路线向着目标区域运动时，机器人清洁器所执行的过程。如果判定工作还没有完成，就重复步骤130至170，直至工作完成。

如以上所述，对于机器人清洁器和机器人清洁系统，以及根据本发明对它们的控制方法，由于用来识别机器人清洁器当前位置的识别标志被做在天花板上，它有少量的变化，位置的识别可以按更高的精度来进行，且机器人清洁器10向着目标工作区域的运动和清洁过程会进行的更有效率。

尽管已经描述了本发明的最佳实施例，对于那些技术内行而言，应该明白本发明并不限于所描述的最佳实施例，而是可以在本发明的精髓和范围之内进行各种变化和修改，就如随附的权利要求书所详细说明的。

Claims (2)

1、一种执行清洁工作的机器人清洁器，它包括：

一个用来驱动多个轮子的驱动单元；

一架安装在一个主体内的摄像机；还有

一个控制器，它利用由摄像机拍摄到的一个工作区域中一块天花板上安装的一个识别标志所获得的位置信息来识别驱动单元的位置，并利用对应于一个目标清洁工作的识别位置信息来控制驱动单元，

其中，识别标志带有多个与之做成一体的方向指示部分，方向指示部分构成一种从识别标志的一个特定的中心点发出的、且具有不同长度的方位角方向，且通过把由摄像机拍摄的当前图像中出现的识别标志的坐标信息与摄像机先前所存储的坐标信息进行比较，控制器就可以识别机器人清洁器的位置。

2.控制带有一架上部摄像机的一个机器人清洁器的一种方法，它包括以下步骤：

当一个工作命令信号被输入时，把由上部摄像机拍摄到的一个上方图形中出现的一个识别标志的起始位置值存储起来；

计算机器人清洁器向着目标工作位置的一条运行路线；

沿着计算出的运行路线开动机器人清洁器；

拍摄上方图像，以便产生出识别标志的一个当前位置值；并

通过比较识别标志的起始位置值与识别标志的当前位置值，来修正运动路线。

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