CN102613944A - 清洁机器人脏物识别系统及清洁方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于清洁机器人技术领域，具体涉及一种清洁机器人脏物识别系统及清洁方法。所述脏物识别系统即检测单元包括灰尘识别装置及附着物识别装置。所述灰尘识别装置即灰尘传感器包括光发射元件，光接收元件。所述脏物识别装置包括图像采集单元及图像处理单元。清洁方法包括吸尘及擦地，吸尘时间及功率由实时检测到的灰尘量决定，擦地次数由地面附着物量决定。该系统具有主动识别脏物能力，并且可根据脏物量实时调节清洁力度及清洁时间，从而在保证清洁质量的前提下，对地面实现高效地清洁。

Description

清洁机器人脏物识别系统及清洁方法

技术领域

本发明属于清洁机器人领域，具体涉及一种清洁机器人脏物识别系统及清洁方法。

背景技术

在现有智能清洁机器人产品及相关技术中，大多数的智能清洁机器人不能自主感知待清洁区域的脏物量。只可以实现除障碍物以外地面的遍历清洁。结合实际情况，不同位置地面的干净程度差别很大，不考虑地面的实际干净程度而盲目利用相同方式清洁很可能造成资源的浪费或者特殊位置清洁不干净等问题。

针对上述情况，目前出现技术改进型的智能清洁机器人，其可通过安装在机器人前方的摄像头对待清洁区域进行整体拍照，再经过图像处理，判别待清洁区域中较脏的位置，清洁机器人直接到达较脏的位置进行清扫，较干净的位置不清扫。此方法可以在一定程度上提高清洁机器人的效率，但是存在以下不足：1.由于同一房间内地面的光照程度受天气及室内灯光的影响，相同时间不同位置光线分布不均，相同位置不同时间光线也会不同，直接通过整体拍照进行图像处理，没有考虑光照对图像灰度的影响；2.此方法采用实际清洁过程中灰尘传感器的示数进行校正，实际情况，地面上的脏物不仅包含灰尘等颗粒，还包括附着在地面上的附着物，单通过灰尘传感器的示数矫正不准确；3.该方法只根据灰尘量确定清洁方法，没有考虑附着物对地面干净程度的影响。

由于地面的脏物包括灰尘及附着物，有的地面灰尘较多但附着物较少，有的地面灰尘较少但附着物较多，因此仅通过地面灰尘量作为检测地面干净程度的标准不够准确全面，同时还要考虑光照及地面纹理对脏物识别的影响。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种能识别地面灰尘量及附着物量的脏物识别系统，该系统可实时判断出地面的灰尘量及附着物量，并且排除外界光线及地面纹理的影响，从而更准确全面地判别地面的综合干净程度。

本发明的目的还在于提供一种智能清洁机器人清洁方法，包括吸尘及擦地。所述智能清洁机器人采用上述判断方法实时监控地面的干净程度，并根据其判断结果，调节清洁力度及清洁时间，从而在保证清洁质量的前提下，对地面实现高效地清洁。

本发明提供的地面脏物识别系统，即机器人的检测单元，包括灰尘识别装置和附着物识别装置。其中：

所述灰尘识别装置是一个灰尘传感器，位于清洁机器人灰尘通道的两侧，包括一对光信号元件，即一个光发射元件和一个光接收元件；光发射元件用来发射红外线，光接收元件用来感应红外线。灰尘传感器接收到的实际信号经模拟/数字转换，再将经过交流变化量放大，得到单位时间内吸入的灰尘量。

所述附着物识别装置包括图像采集模块和图像处理模块。所述图像采集模块用于采集清洁机器人待工作表面的图像信息，由于待工作表面被机器人覆盖，光线很弱，需要自带光源提供光线。图像采集模块包括光源及摄像头，所述光源可以采用LED面光源，均匀分布在所测范围对应的机器人底部上，以确保所测范围地面得到均匀的光线，使各点的特征都能映入摄像机；所述摄像头可以采用广角CCD摄像头，设置于机器人底部中心位置，在镜头离地面较近的情况下仍能够保证较大的可视范围。所述图像处理模块用于处理图像采集模块采集到的图像信息，包括：图像差分单元、计算单元和比较单元。首先图像差分单元将此次擦地前后采集到的两幅图像差分处理，得到的差分图像为擦拭掉附着物的近似图像，然后交给计算单元取差分矩阵的绝对值，再求其平均值，最后传到比较单元，比较平均值与预先设定阈值的大小，以确定清洁区域是否需要再次清洁。

本发明提供的清洁机器人的清洁方法，包括吸尘及擦地。对于地板及地板砖，先进行吸尘，吸尘结束后再擦地；对于短毛地毯（长毛地毯不适用清洁机器人）只进行吸尘。而吸尘的强度及时间由地面的实际灰尘量决定，吸尘过程中实时检测灰尘传感器，如果在一段时间内持续小于某一阈值说明地面的灰尘已经清洁干净，进入擦地环节，否则继续吸尘。擦地的次数由地面的实际附着物量决定，每次擦地的时间可以人为设定。在每次擦地前后，采集清洁表面的图像，再对图像进行差分处理，得到擦拭掉附着物的近似图像，如果近似图像的像素平均值小于某一阈值说明地面的附着物已经清洁干净或地面上的附着物为不可擦拭附着物，清洁下一区域，否则继续擦地一次，每处地面的擦地时间=擦地次数×擦地间隔。

前述的附着物识别装置中的图像处理模块为所述控制单元的一个组成部分。

本发明的有益效果在于：通过实时检测待清洁地面的灰尘量确定吸尘时间及功率，实时检测附着物量确定擦地的次数，以保证每处地面的清洁。

附图说明

图1：脏物识别系统组成框图。

图2：灰尘识别装置组成框图。

图3：附着物识别装置组成框图。

图4：吸尘环节工作流程图。

图5：擦地环节工作流程图。

图6：清洁机器人整体示意图。

具体实施方式

下面结合附图并以一智能清洁机器人为例对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为脏物识别系统组成框图，图2为灰尘识别装置组成框图，图3为附着物识别装置组成框图。结合图1，图2，图3，本发明脏物识别系统包括：灰尘识别装置，附着物识别装置。

在清洁机器人灰尘通道的两侧，分别设有光发射元件和光接收元件，它们构成用于检测进入灰尘通道灰尘量的灰尘传感器；在清洁机器人的底部均匀分布所测范围对应的LED面光源，底部中心位置设有广角CCD摄像头。构成附着物识别模块的图像采集模块。

根据实际情况，室内地面大致分为：地板砖，地板，短毛地毯（长毛地毯不适合使用清洁机器人）。如何判定地面的材质，本专利不作介绍。地面上常有的脏物包括灰尘颗粒以及附着在地面上的粘稠物。清洁机器人清洁地面的方式包括吸尘和擦地。其中吸尘用于清洁灰尘等颗粒相当于人类所进行的扫地，擦地用于清洁附着物相当于人类所进行的拖地。对于地毯的清洁只采用吸尘，对地板和地板砖的清洁采用先吸尘后擦地。根绝地面脏物的分类，地面的脏物识别包括灰尘识别和附着物识别。

灰尘识别采用灰尘识别装置即灰尘传感器，如图2，灰尘传感器的工作原理是通过红外感应来实现对灰尘的感应和识别，通常是在机器人内部的灰尘通道两侧设置一对光信号元件，一个用来发射红外线，另一个用来感应红外线，构成一对灰尘传感器。当灰尘通道有灰尘进入时，两光信号元件之间的红外感应受到干扰减弱。灰尘越多，感应元件接收到的红外信号越弱，因此机器人通过红外感应信号的强弱就可以判断清扫区域灰尘量的多少。

对于地板砖和地板，吸尘后擦地，需检测附着物量。

附着物识别采用附着物识别装置，如图3，包括图像采集模块和图像处理模块。图像处理模块包括：图像差分单元、计算单元和比较单元。图像采集模块用于采集清洁机器人待工作表面的图像信息，由于待工作表面被机器人覆盖，光线很弱，安装在机器人底部的LED照在待工作表面上，提供光线，再对表面进行拍摄。将得到的图像发送给图像处理模块。首先图像处理模块的图像差分单元将两幅图像相减，然后交给计算单元对所得差分图像取绝对值再求均值，最后传到比较单元，比较平均值与阈值的大小。

以下结合图4，图5，图6详细说明具有脏物主动识别功能的清洁机器人在工作时如何实现脏物的主动识别及其工作流程。为表达更为清楚，现针对本实例结合附图进行总体阐述，具体举例如下：

步骤1，清洁机器人在所覆盖表面工作，控制单元驱动清洁单元的吸尘模块工作，同时灰尘传感器对灰尘等脏物进行实时检测，将实际检测的灰尘量发送给控制单元，如果灰尘传感器所检测到的灰尘量在某一个设定时间段内，一直小于预先设定的阈值a1，说明该工作表面灰尘已足够少，执行下一状态，控制单元同时向灰尘传感器和清洁单元的吸尘模块发送停止命令，使灰尘传感器和吸尘模块停止工作，进入步骤2。如果灰尘传感器所检测到的灰尘量在某一个设定时间段内，一直大于预先设定的阈值a2(a2>a1)，控制单元向清洁单元的吸尘模块发送增大功率命令，吸尘模块将功率提高到原来的n倍，直到灰尘量在某一设定时间段内，一直小于阈值a1，说明该工作表面灰尘已足够少，控制单元同时向灰尘传感器和清洁单元的吸尘模块发送停止命令，使灰尘传感器和吸尘模块停止工作，进入步骤2，否则一直以功率n*p吸尘直到计数器i大于阈值z，说明机器出现异常或该区域异常，控制单元同时向灰尘传感器和清洁单元的吸尘模块发送停止命令，使灰尘传感器和吸尘模块停止工作，进入步骤2。

步骤2，吸尘环节结束，进入擦地环节。控制单元控制开启清洁机器人图像采集模块中的LED照明灯，并使用图像采集模块中的摄像机对待测表面拍照，得到清洁机器人所覆盖待清洁表面的图像，并将图像储存在单元m中，同时关闭LED照明灯。

步骤3，控制单元向清洁单元发出控制信号，驱动清洁单元的擦地模块擦拭地面l秒钟。

步骤4，控制单元控制开启清洁机器人图像采集模块中的LED照明灯，并使用图像采集模块中的摄像机对待测表面拍照，得到清洁机器人所覆盖表面的图像，并将图像储存在单元n中，同时关闭LED照明灯。

步骤5，将单元m，单元n对应的两幅图像相减取绝对值，再对其求取均值，如果均值大于b，认为该地面没有清洁干净，将单元n中的图像覆盖到单元m中，跳到步骤3；如果均值小于b，则认为上一环节的擦地操作没有擦掉附着物即地面已经干净或地面上的附着物为不可擦拭附着物，此区域的清洁结束，控制单元向清洁单元的擦地模块发出终止信号，并且驱动行走单元走到下一个临近的未清洁区域，继续从步骤1开始。

在本实施例中，图像处理模块是控制单元的一部分，在具体实施时，可以采用控制单元中的硬件和内部控制程序来完成，也可以采用一套独立的硬件和控制程序来完成，此时应与机器人中的控制单元中的其他控制部分配合工作，以此完成机器人的清洁工作。

用户在使用过程中可以选取灰尘传感器的阈值a1，a2（a1<a2），附着物图像矩阵的均值阈值b，擦地间隔l，吸尘功率d及擦地功率e等。所选取的方式可以通过对几个选项进行选取，也可以由用户在一定的取值范围内随意选取；可通过按键来进行设定，也可以采用旋钮，触摸屏或是有线、无线遥控装置来进行设定。

对于灰尘识别装置，同样也可以通过一个设定单元，对其标准灰尘量的数值进行选取。所选取的方式可以由用户在几个可选项中进行选取，或是由用户在一定的取值范围内随机选取。如果所选取的标准灰尘量数值较小，则意味着灰尘传感器较灵敏，容易探测到灰尘等脏物；如果所选取的标准灰尘量数值较大，则意味着灰尘传感器较迟钝，不易探测到灰尘等脏物。

对于附着物识别装置，同样也可以通过一个设定单元，对步骤3的擦地时间进行选择，如果间隔较小，则对不同位置地面的清洁时间会根据地面实际干净程度，灵活变动；如果间隔较大，则对每处地面擦拭时间较多，只对附着物很多的地方进行二次擦地操作。同时，可以对清洁前后差分图像的像素绝对平均值的阈值b进行设定。如果阈值b较小，则意味着附着物识别装置对附着物敏感，更容易检测到附着物；如果阈值b较大，则意味着附着物识别装置对附着物较迟钝，不易检测到附着物。

可以设置吸尘功率，吸尘功率越大吸尘所用的时间越少，同时也可以设置擦地功率。

上述具有主动识别脏物的识别装置和清洁方法可以应用在各种移动机器人上，根据移动机器人内置功能单元的不同，可以为除尘机器人或智能清扫机等所使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本文进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种清洁机器人的脏物识别系统，其特征在于包括灰尘识别装置及附着物识别装置，其中：

所述灰尘识别装置是一个灰尘传感器，位于清洁机器人灰尘通道的两侧，包括一个光发射元件和一个光接收元件；光发射元件用来发射红外线，光接收元件用来感应红外线；灰尘传感器接收到的实际信号经模拟/数字转换，再将经过交流变化量放大，得到单位时间内吸入的灰尘量；

所述附着物识别装置包括图像采集模块和图像处理模块；所述图像采集模块用于采集清洁机器人待工作表面的图像信息，图像采集模块包括光源及摄像头；所述光源采用LED面光源，均匀分布在所测范围对应的机器人底部，以确保所测范围地面得到均匀的光线，使各点的特征都能映入摄像机；所述摄像头采用广角CCD摄像头，设置于机器人底部中心位置，在镜头离地面较近的情况下仍能够保证较大的可视范围；所述图像处理模块包括：图像差分单元、计算单元和比较单元，用于处理图像采集模块采集到的图像信息；首先图像差分单元将此次擦地前后采集到的两幅图像进行差分处理，得到的差分图像为擦拭掉附着物的近似图像，然后交给计算单元取差分矩阵的绝对值，再求其平均值，最后传到比较单元，比较平均值与预先设定阈值的大小，以确定待清洁区域是否需要再次清洁。

2.一种清洁机器人的清洁方法，其特征在于包括吸尘环节及擦地环节；对于地板及地板砖，先进行吸尘，吸尘结束后再擦地；对于短毛地毯只进行吸尘；而吸尘的强度及时间由地面的实际灰尘量决定，吸尘过程中实时检测灰尘传感器，如果在一段时间内持续小于某一阈值说明地面的灰尘已经清洁干净，进入擦地环节，否则继续吸尘；擦地的次数由地面的实际附着物量决定，每次擦地的时间人为设定；在每次擦地前后，采集清洁表面的图像，再对图像进行差分处理，得到擦拭掉附着物的近似图像，如果近似图像的像素平均值小于某一阈值说明地面的附着物已经清洁干净或地面上的附着物为不可擦拭附着物，本轮清洁结束，进入下一区域，否则继续擦地一次，每处地面的擦地时间=擦地次数×擦地间隔。

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