CN102846280A - 可自动移动的装置及其导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先涉及一种可自动移动的装置，尤其是清洁地面的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人，其带有一个或多个光传感器。为了尤其在对于接收的光信号的分析方面进一步改善前述类型的清洁装置，设置前置放大元件和相位敏感的探测元件以及中央控制元件，使得对由光传感器提供的信号进行由中央控制元件预先给定的信号图样方面的检验并且使该信号在布置有多个光传感器的情况下在清洁装置的控制方面与各光传感器的取向相关联或与一个光传感器的角度取向相关联。此外本发明还涉及一种用于为可自动移动的装置，尤其是用于清洁地面的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人进行导航的方法，该清洁装置带有一个或多个光传感器。

Description

可自动移动的装置及其导航方法

技术领域

本发明首先涉及一种可自动移动的，尤其是用于清洁地面的装置的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人，其带有一个或多个光传感器。

背景技术

已知前述类型的装置。这种尤其是自动操作的装置，如尤其是清洁装置或运输装置，进一步尤其是可使用在家务领域，工作起来优选不需要用户干预。但它们一般配有用于导航的装置，以便例如用户可以使该清洁装置在居室的确定的区域内移动，例如在此进行点清洁。与之相关地已知远程操作(无线电和基于光学的红外线)，其中，遥控器包括例如用于不同行驶方向的按键(单独的用于行驶方向的按键、摇杆、四向开关等)。通过该按键，用户可以有目的地控制该清洁装置。该操作与遥控汽车一样。借助遥控器的导航已被证实是耗时，且需要用户习惯的。为了应对这种情况，进一步已知配有一个或多个尤其是用于借助光源的光线进行导航的光传感器的清洁装置，该光传感器使光线指向远离清洁装置的地面区域，其中，尤其优选处理为导航而从该装置发射出的光的反射份额。这种实施方案已由DE102009059215A1公开。本专利申请的内容因此全部已包含在公开文本中，为此目的，在权利要求书中同样还包含了一些本申请的特征。

发明内容

鉴于前述现有技术，本发明所要解决的技术问题是，尤其在对于接收的光信号的分析方面进一步改善前述类型的清洁装置。

该技术问题首先并且基本上通过一种可自动移动的装置，尤其是用于清洁地面的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人解决，该可自动移动的装置带有一个或多个光传感器，其中规定，设置前置放大元件和相位敏感的探测元件以及中央控制元件，以便对由光传感器提供的信号进行针对由中央控制元件预先给定的信号图样的检验并且使得信号在布置多个光传感器的情况下在清洁装置的控制方面与各光传感器的取向相关联或与一个光传感器的角度取向相关联。预先给定的信号图样在此优选仅包含以可变化的(时间)间隔出现的、数字化的低-高位状态。在信号形式(例如正弦、矩形、锯齿)方面，信号图样不可变化。根据该设计方案，给出一种可自动移动的装置，该可自动移动的装置具有非常灵敏的，但相对现有技术对干扰更不灵敏的用于接收和分析光信号的系统。根据该实施方案，即使在不利的干扰影响情况下也可以确定发射器，尤其是光发射器的位置方向。由现有技术已知如下的解决方案，其中，借助主动带通滤波器和多个光传感器，尤其是PIN光电二极管能够实现，获得有关例如光学发射器，尤其是例如红外线手持发射器的位置信息。但这种系统很容易受外界光源的干扰，因为尤其是所用的滤波器的品质较低。此外，在已知的现有技术中，一般所使用的滤波器的极限频率在硬件方面，也就是通过电容和电阻大小的确定已固定。由于部件的公差会导致，发射器和接收器的频率不同并且不能确保系统较高的灵敏度。部件公差的这个不利影响通过建议的解决方案克服。此外，尤其优选通过中央控制元件的布置可数字调节所寻找信号的频率。公差因此以简单的方式得以补偿。此外，优选由微处理器控制的电路开销较小。优选尤其使用不可见光，也即，尤其是红外线或紫外线。与之相关地，优选在红外线范围内使用光传感器。与之相关地，作为备选，也可以使用所有光学波长，除此外也可以利用物质波(声波、超声波)。在布置有多个光传感器的情况下，这些光学传感器优选地点分散地布置，这尤其优选在彼此(尤其沿该清洁装置的圆周方向)相距优选最大10至100cm，尤其优选20至50cm的不同的清洁装置的范围内，其中，所有的光传感器尤其优选布置在同一个优选与地面平行的平面上。在布置有至少两个光传感器的情况下，该至少两个光传感器尤其优选布置成，该光传感器距分析信号的单元优选最大40cm，尤其优选最大30cm。与之相应地，尤其优选既可以实现一维、二维信号识别也可以实现三维信号识别。在可选的实施方案中，优选设置围绕清洁装置垂直轴线旋转的各个光传感器。尤其通过布置至少一个相位敏感的探测元件，尤其优选通过布置两个相位敏感的探测元件有利地给出这种可能性，光信号的分析，尤其是光信号的识别以及尤其优选检测接收的光信号的方向不直接设计在光传感器上。而由此给出几乎中央的电子部件的有利的可能。这提供尤其在光传感器直接区域内结构空间大小方面的优点，这进一步以有利的方式考虑在电子部件与光传感器之间距离更大时出现的噪音。根据建议的解决方案，由光传感器提供的并且通过多个光传感器之一或通过一个优选旋转的光传感器接收的信号与预先给定的数字化的信号图样(参考图样)比较。相位敏感的探测元件优选是锁相放大器，该锁相放大器为一个非常窄带的带通滤波器。耦合入的干扰可以这样可靠地抑制。寻找的信号图样由中央控制元件预先给定，其中，信号图样的选择尤其由电路运行所在环境中与其它频率或信号图样的距离获得。其它来源(例如空间照明装置，遥控器等)的信号以有利的方式不被模仿。信号图样是频率图样，尤其是光频率图样，因此进一步尤其是编码信号，尤其是光信号的脉冲序列。通过光传感器接收的信号优选首先前置放大，之后将该信号传递给相位敏感的整流器或相位敏感的探测元件。在此，每个相位使用一个放大电路(锁相放大器)，该放大电路可以优选借助多路转接器在倒转与不倒转之间转换。多路转接器可以尤其优选集成在中央控制元件中。与之相关地，设置集成的锁相放大器。后者需要由微处理器提供的参考信号。此外，中央控制元件优选提供了使信号发射器和光传感器借助校准功能相互匹配的可能性。与之相应地，既能实现可通过用户激活的校准又能实现自动校准。

下面根据附图进一步阐述本发明其它的特点。

因此，尤其优选的实施方案规定，选择元件前置于前置放大元件，用于在布置多个优选地点分散设置的光传感器的情况下选择光传感器。该选择元件优选自动切换，亦即，尤其在无用户干预的情况下尤其优选电气控制地在多个光传感器之间交替切换，以便分别优选仅一个光传感器主动地接收和传递光信号或信号图样。相应地，取决于相应的主动的光传感器地明确获知接收信号图样的方向。在尤其优选仅一个但为此优选围绕垂直轴线旋转的光传感器的布置中，根据旋转传感器优选的角度检测结果计算接收的信号图样的方向信息，这尤其优选考虑必要时分析电子部件中存在的信号经过电子部件的延迟时间。与之相关地，可选地，优选将时间戳作为信号计算。由此优选允许，根据借助自动同步发送机或类似物的测得的传感器旋转角和所计算出的滤波器时间延迟来检测信号的方向。

尤其优选设有带通滤波元件，在到达前置放大元件之前，光传感器信号经过该带通滤波元件。带通滤波元件优选用于分离在信号线路上的具有远离所寻找的频率或信号图样的频率份额的不期望的干扰。相应地，优选远远在所寻找的频带之外的频率或信号图样在后续的前置放大元件中没有一起放大。

前置放大元件的前置放大系数尤其优选由中央控制元件预先给定。优选在此实现尤其优选集成到中央控制元件中的多路转接器，可变的前置放大器，为此优选视编码而定地激活决定放大系数的各种电路。放大系数的选择优选根据在相位敏感的探测元件的输出处最后测得的信号强度以及所有传感器的信号强度获得。若该放大系数位于按照经验确定的或根据当前放大中推导出的极限值以下，则优选提高放大系数，以便不丢失信号。信号强度过大时会造成电子部件超出控制。为了防止这种情况的发生，优选及时选择足够小的放大系数。优选根据各次测量进行放大系数的匹配，其中，该调节由电路决定地优选作用到所有接收器上，因此设置多个传感器。

在布置有多个光传感器的情况下，光传感器的选择优选可以通过中央控制元件实施，该中央控制元件尤其优选控制前置于前置放大元件，尤其是优选前置于带通滤波元件的选择元件。

尤其优选在相位敏感的探测元件与中央控制元件之间串接低通滤波元件。在相位敏感的探测器的输出侧分析优选直流信号(DC-Signale)。为了获得它，在对前述电路的输出信号进行积分。这优选通过使用具有较低极限频率的低通滤波元件实现。

必要时可以在相位敏感的探测元件的输出处出现负电压，负电压可能进一步必要时导致毁坏中央控制元件，进一步必要时毁坏微处理器。为了防止这种情况的发生，在尤其优选的实施方案中规定，低通滤波元件与偏置调节单元连接。借助偏置调节单元优选提高电压＞0伏，亦即，不损坏中央控制元件的正电压范围中。若保证排除负电压，例如通过中央控制元件或微处理器在整个供电电压范围内运行，也可以省掉偏置调节单元。因此，正负电压极限之间的差位于所使用微处理器的规格以内。

此外，已证明有利的是，如在一种尤其优选的实施方案中所规定，针对一个确定的频率带选择或设计光传感器并且光信号在该频率带以内给出。相应地，光传感器和光信号或发射光信号的光发射器尤其是在频率带方面以及尤其优选在信号图样方面相互匹配。

本发明还涉及一种用于为可自动移动的装置，尤其是用于清洁地面的清洁装置，吸尘和/或清扫机器人进行导航的方法，该装置具有一个或多个光传感器。

为了进一步改善所述类型的方法建议，对由光传感器提供的信号关于由中央控制元件预先给定的信号图样进行检验并且使信号在布置有多个光传感器的情况下在清洁装置的控制方面与各光传感器的取向相关联或与一个光传感器的角度取向相关联。根据该实施方案给出一种方法，通过该方法可实现灵敏的并且相对已知的现有技术更不易受干扰的信号分析。即使在前述的独立的解决方案中也可就方法而言减小部件的公差不利的影响。此外，优选也可以数字调节所寻找的信号频率或数字化的信号图样。

就补充或备选的与方法有关的特征而言，其按权利要求的对应关系同样适用于上文对于其主题特征的描述。

本发明的系统优选仅借助一个中央电子部件实现，因为可以通过选择不同的(位于多个位置处的)传感器产生的附加的噪音可以通过锁相技术在相位敏感的探测元件中进一步减小。这在通常的小信号分析中不可能并且导致，必须为各传感器分别构造至少一个前置放大器以及滤波装置。该功能既可以通过调谐的相位也可以通过不调谐的相位实现。光学的波长范围可以通过光传感器的适当更换而非常简单地改变。分析原理在此基于电转换的传感器信号并因此与探测器种类无关。仅需要一个稳定的发送频率。数字化的信号图样和信号频率可以几乎任意地选择，因为可以在中央控制单元中有针对性地模拟相应的参考信号。

附图说明

下列，根据仅表示出实施例的附图进一步阐述本发明。仅参考一个实施例阐述并且在另一个实施例中由于该处得出的独特性而没有(直接)被另一部分替代的一部分因此对该另一个实施例而言被描述为总是可能存在的部分。附图中：

图1是可自动移动的装置第一种实施形式的立体图，该装置具有多个彼此间隔的、固定布置的光传感器以及手动控制的光发射器;

图2与图1相应的视图，但与具有围绕垂直轴线可旋转的光传感器的有关装置可选的实施形式；

图3是在按图1的实施例的光传感器装置中用于分析所接收的光信号的电路布置简略图；

图4与接收的或预先给定的信号图样有关的图；

图5是在另一实施形式中的与图4相应的图以及

图6是与另一实施形式有关的装置的俯视图。

具体实施方式

首先参考图1示出并且描述一种吸尘和/或清扫机器人形式的，进一步是可移动家务地面清洁装置形式的装置1。该装置具有底盘，该底盘具有面朝待护理的地面2的电机驱动的移动轮3以及优选伸出底盘底面下边缘的，同样电机驱动的、在附图中未示出的刷子。除此外，该装置1优选配有吸尘装置作为刷子的补充或备选。

底盘由装置罩4罩住，其中，装置1优选具有圆形的基本轮廓。与将装置1设计成吸尘和/或清扫机器人相关的是，进一步参考DE10242257A1。专利申请的内容因此完全包含在本发明的公开文本中，也为此目的，该专利申请的特征都包含在本发明的权利要求书中。

参考图1中所示的第一实施形式，在清洁装置1的装置罩4上设置优选相对装置罩4固定的平台5。该平台5在圆周侧具有优选三个光传感器6至8形式的光敏感元件。优选也可以布置多个，优选均匀地分布在整个圆周上的光传感器，例如5、10或20个光传感器。这些光传感器6至8首先基本上沿清洁装置1通常的移动方向r取向，其中，尤其优选沿圆周方向观察居中的光传感器6优选精确地沿移动方向r取向，而在它两侧布置的光传感器7和8参照装置1的中央垂直轴线x与居中的光传感器6定位为成一个优选10至30°，尤其优选15°的角度。光传感器6至8尤其优选定位在一个公共的、方向与地面2平行的平面上。

可选的，如图2中所示，平台5相对清洁装置罩4围绕垂直轴线x可转动，这尤其优选电机驱动的连续围绕垂直轴线x转动。平台5在此具有仅一个径向朝外指向的、光传感器6形式的光敏感元件，借助该光传感器6由于平台5的旋转实现几乎一周的扫描。

对可自动移动的装置1的导航优选借助光源9实现。它优选在遥控器10中接收。在此，该光源9尤其优选为具有红光(650nm)或绿光(532nm)的光指针。附加地，在光指针中设有波长为980nm的红外线光源。在此指向地面2的激光点优选仅用作对用户的可视辅助，而同时优选相对激光点扩大的红外线面积投射在地面2上。激光点优选在此进一步指向红外线面积的中心。

由光源9发射的光信号(优选红外线信号)优选调制(例如20kHz矩形)。相应地，借助光源9优选发送一个信号，其中在清洁装置1之内接收之后，如在图3例如示出的用于分析光传感器6至8的模拟信号的电子部件工作。此后，通过微处理器数字化为信号图样M(例如在图4和图5所示)。优选对所接收的光信号的进一步分析与其信号形状无关。

图4在此示出一般的信号图样M，该信号图样具有在一个周期内在一段时间上存在的、保持恒定的信号高电平和通过在剩余时间段上保持恒定的低电平信号。在超过或低于阀值时接通高电平或低电平状态。

在图5中示出另一种可行的信号图样M，其中，在一个周期以内低电平信号被大小相等的高电平信号中断。由此可以实现其他的信号编码。这种信号图样M需要相位补偿，亦即，移动参考信号的相位。

借助光源9在地面2上产生一个反射的光面积11，以便为清洁装置1导航，该光面积优选除了用于引导用户的激光点之外不可见。该清洁装置1能够要么通过按图1中所示的第一实施形式的分散布置的光传感器6至8或借助按图2的第二实施形式的环绕的光传感器6计算到光点11的方向，以便从算出的值中调用或制定相应的向地面2被照亮区域的移动策略。也可以尤其在光传感器朝地面指向的情况下优选通过利用三角方法计算到光点11的距离。

在此光传感器6至8和尤其优选分别对应配设的光学部件形成接收器。

为了将与光点11的相对角度包含在移动策略的计算内，在按第二实施形式的旋转的光传感器6中设置带有光栅的编码器圆盘。借助这样设计的自动同步发送机确定的的光传感器6或平台5的转角可以通过优选考虑尤其在信号发射器与分析电子部件之间的时间延迟计算信号的方向，尤其是由地面2反射的信号图样M的方向。

在布置多个分散的按图1中实施例的光传感器6至8的情况下，信号方向的计算从光传感器6至8中的那些已接收最强信号的光传感器中推导出。

为了探测尤其是光学信号的方向，设计一个在图3中简略示出电路布置，该电路布置涉及按图1中的第一实施例的光传感器6至8固定安装的布置。

如由图可知，通过传感器选择单元12连接多个，此处优选三个光传感器6至8(其中也可以例如在平台5圆周上均匀分布地设置多于三个的光传感器)。带通滤波元件13置于该光学传感器之后。该带通滤波元件13有益于分离在光传感器6至8与尤其是传感器选择单元12之间的信号线路上具有远离所寻找的信号频率的频率份额的不期望的干扰。过滤出的频率随后相应地不被进一步放大。

在带通滤波元件13之后保留的信号在前置放大元件14中提高到进一步待处理的水平。

下列借助由中央控制元件15生成的参考图样(REF₁、REF₂)计算或处理信号。该中央控制元件15优选是一个产生尤其优选两个彼此相位移动90°的参考信号REF₁和REF₂的微处理器。每个相位使用一个放大电路，该放大电路可以优选借助集成在中央控制元件15中的多路转接器在可倒转和不可倒转之间转换。为此，设置优选两个相位敏感的、尤其优选呈锁相放大器形式的探测元件16和17。

据此，优选分析纯直流信号。为了获得该纯直流信号，对前述电路的初始信号积分。这优选通过使用带有低极限频率的低通滤波元件18,19发生。这一种低通滤波元件18,19置于各相位敏感的探测元件16,17之后。相位敏感的探测元件16,17也优选与低通滤波元件联合。整个电路为非常窄带的带通滤波器。耦合入的干扰可以这样可靠地得到抑制。

低通滤波元件18,19根据信号图样M与各参考信号REF₁或REF₂的比较提供在中央控制元件15上的结果。按照在微处理器中的计算，利用正的结果（亦即，在信号图样M与参考信号REF₁或REF₂一致时）来根据捕获信号的、激活的光传感器算出方向信息。在此，通过中央控制元件15实现借助传感器分析单元12对光传感器6至8(参见图3中的路线“传感器ID”)的切换。

放大系数V的选择根据最后算出的在相位敏感的探测元件16,17输出处的信号强度以及所有传感器的信号强度获得。若该信号强度位于按照经验确定的并且优选存储在中央控制元件15中的极限值以下，因此提高放大系数V，以便不会丢失信号。而电子部件的过调制逼近较高的信号强度。为了防止这种情况的发生，及时选择足够更小的放大系数V。放大系数V的匹配优选按照各测量进行，其中，该调节由电路决定地优选作用到所有接收器，亦即，所有光传感器上。

此外，中央控制元件15提供这种可能性，发射器(此处为光源9)和接收器(此处为光传感器6至8)借助校准功能彼此匹配(“系统联姻”)。

在尤其优选的实施方案中，各低通滤波元件18,19分别与偏置调节单元20连接。在各相位敏感的探测元件16,17的输出可以出现负电压，该负电压可以毁坏中央控制元件15或它的零件。为了防止这种情况发生，电势通过偏置调节单元20提高到电压＞0伏。

通过前述的电子部件在布置有多个光传感器的情况下可识别具有最强信号电平的光传感器，由此也可以确定出清洁装置应当移动的正确方向。多个，尤其是相邻的光传感器，例如两个相邻的光传感器但也可以具有至少近似一样强的信号电平(必要时在预先给定的公差范围内)。在这种情况下，尤其在两个一样强的信号电平下，清洁装置的移动方向例如由两个光传感器所成角度的角平分线给定。

在图6中，示出清洁装置1的一种实施形式，其中，沿通常的移动方向r设有三个在该清洁装置的圆周上彼此间隔的光传感器6至8，此外还在背对通常的移动方向r的那侧设置光传感器21。如即使在按图1的实施方式中，各光传感器也分别具有一个优选50°的检测角度α，也可以选择检测角度为30°至180°，其中，检测范围可以重叠。

若后面的光传感器21检测到光点11(在光传感器21上更强的信号电平)，则促使清洁装置1转动180°，之后借助三个沿移动方向r布置的光传感器6至8进行用于使清洁装置1精确取向的下一步分析。

根据前面描述的电路，即使在布置有多个光传感器的情况下，也仅需要一个分析电路。在已知的现有技术中，尽可能近地给各传感器分别设置一个对应的电子部件，以便得到未消逝的信号。为此，大多需要多重地构造电子部件的至少一部分。通过建议的解决方案给出一种中央的、位置上与光传感器分离的分析电路。功能原理既可以通过调谐的相位也可以通过没有调谐的相位实现。光学的波长范围通过光传感器的适当更换以最简单的方式改变。分析原理基于电转换的传感器信号并因此与探测器的种类无关。仅需要稳定的发送频率。数字化的信号图样和信号频率同样可以几乎自由地选择，因为相应的参考信号可以有目的地在中央控制元件15中模拟。

所有公开的特征(本身)对本发明来说都是实质性的。为此，在本申请的公开中，也包含了所属的/附带的优先权文本(在先申请副本)公开的所有内容，这些材料中的特征也记载于本申请权利要求书中。各从属权利要求以其可任意选择的并列方式为独立的有创造性的、现有技术的扩展设计，尤其以便基于这些从属权利要求进行分案。

附图标记列表

1    装置

2    地面

3    移动轮

4    装置罩

5    平台

6    光传感器

7    光传感器

8    光传感器

9    光源

10   遥控器

11   光点

12   传感器选择单元

13   带通滤波元件

14   前置放大元件

15   中央控制元件

16   相位敏感的探测元件

17   相位敏感的探测元件

18   低通滤波元件

19   低通滤波元件

20   偏置调节单元

21   光传感器

r    移动方向

x    垂直轴线

α   角度

M    信号图样

REF₁    参考信号

REF₂    参考信号

V       放大系数

Claims (9)

1.一种可自动移动的装置(1)，尤其是用于清洁地面(2)的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人，该装置(1)带有一个或多个光传感器(6至8)，其特征在于，设置前置放大元件(14)和相位敏感的探测元件(16,17)以及中央控制元件(15)，以便对由所述光传感器(6至8)提供的信号关于由所述中央控制元件(15)预先给定的信号图样进行检验并且使得所述信号在布置有多个光传感器(6至8)的情况下在所述清洁装置(1)的控制方面与各光传感器(6至8)的取向相关联或与一个光传感器(6)的角度取向相关联。

2.按权利要求1或尤其是如下所述的装置，其特征在于，选择元件(12)置于所述前置放大元件(14)之前，用于在布置有多个光传感器(6至8)的情况下选择光传感器(6至8)。

3.按权利要求1或2或尤其是如下所述的装置，其特征在于，设有带通滤波元件(13)，光传感器信号在达到前置放大元件(14)之前要通过所述带通滤波元件(13)。

4.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的装置，其特征在于，所述前置放大元件(14)的前置放大系数(V)由所述中央控制元件(15)预先给定。

5.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的装置，其特征在于，光传感器(6至8)的选择能够在布置有多个光传感器(6至8)的情况下通过所述中央控制元件(15)实施。

6.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的装置，其特征在于，在所述相位敏感的探测元件(16,17)与所述中央控制元件(15)之间串接低通滤波元件(18,19)。

7.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的装置，其特征在于，所述低通滤波元件(18,19)与偏置调节单元(20)相连接。

8.按前述权利要求中的一项或多项或尤其是如下所述的装置，其特征在于，针对一个确定的频率带选择或设置光传感器(6至8)并且所述光信号在所述频率带内给出。

9.一种用于为可自动移动的装置(1)，尤其是用于清洁地面(2)的清洁装置，如吸尘和/或清扫机器人进行导航的方法，该装置(1)具有一个或多个光传感器(6至8)，其特征在于，对由所述光传感器(6至8)提供的信号关于由中央控制元件(15)预先给定的信号图样进行检验并且使所述信号在布置有多个光传感器(6至8)的情况下在所述清洁装置(1)的控制方面与各所述光传感器(6至8)的取向相关联或与一个光传感器(6)的角度取向相关联。

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