CN103197678B - 一种扫地机器人智能导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫地机器人智能导航系统，包括导航仪和扫地机，导航仪放在需要打扫的房间的某一边的中央处；在导航仪上安装有红外发光管和红外接收头，在导航仪上还安装有噪声波发射头，在扫地机上安装有红外发光管和红外接收头，在扫地机上还安装有噪声波接收头，扫地机包含两个后轮，分别用马达驱动，用PID调节方式控制两个轮子的速度一致；导航仪发出红外线和噪声波，扫地机在房间的运行角度始终和导航仪垂直，这样每次经过房间中央，扫地机将会获得红外和噪声波信号，红外和噪声波信号计算出扫地机的位置。本发明能准确的定位扫地机器人的控制位置，通过控制扫地机器人的位置，方便而且不走重复路地将房间打扫干净，有效地解放了人力。

Description

一种扫地机器人智能导航系统

技术领域

本发明涉及一种导航系统，尤其涉及一种能准确的定位扫地机器人的控制位置，通过控制扫地机器人的位置，方便而且不走重复路地将房间打扫干净，有效地解放了人力的扫地机器人智能导航系统。

背景技术

扫地机有两个后轮，分别用马达驱动，虽然用PID调节方式控制两个轮子的速度一致，但由于打滑和机械误差，扫地机每运行一段距离就会发生偏移。也就是在实际运行的过程中，无法走笔直的直线。这样产生的问题便是当多个回合走下来，扫地机将产生较大的偏转。但是扫地的路径覆盖算法要求必须走直线，否则无法正常工作。为了克服这个困难，可以在扫地机内部安装MEMS陀螺仪解决，但是陀螺仪有漂移和累计误差,以及AD转换等引起的误差，时间一长也是会发生偏转。为此，需要提出一种定期纠正角度和位置的方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种能准确的定位扫地机器人的控制位置，通过控制扫地机器人的位置，方便而且不走重复路地将房间打扫干净，有效地解放了人力的扫地机器人智能导航系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种扫地机器人智能导航系统，所述导航系统包括导航仪和扫地机，所述导航仪和扫地机均放在需要打扫的房间的水平地面上，所述导航仪放在需要打扫的房间的某一边的中央处；

在所述导航仪上安装有红外发光管和红外接收头，在所述导航仪上还安装有噪声波发射头，

在所述扫地机上安装有红外发光管和红外接收头，在所述扫地机上还安装有噪声波接收头，

所述扫地机包含两个后轮，分别用马达驱动，用PID调节方式控制两个轮子的速度一致；

所述导航仪发出红外线和噪声波，所述扫地机在房间的运行角度始终和导航仪垂直，这样每次经过房间中央，扫地机将会获得红外和噪声波信号，红外和噪声波信号计算出扫地机的位置。

在本发明的具体实施例子中：扫地机在运行的过程中，每过一段距离，通过扫地机上方的红外发射管，发射测距请求数据包CQ1，物理通信方式为38Khz的调制红外线；红外线从需要打扫房间的天花板反射到导航仪，导航仪上方的红外接收管经过解调并处理，输出解码的波形，导航仪上的单片机分析波形，知道被请求测距；导航仪通过前方的噪声波发射头发出噪声波，同时通过前方的红外发射管发射红外线；由于这个红外线发射角度为1度，因此基本没发生散射，接近直线，同时也具有一定的范围，也就是光柱是一个以1度为夹角的锥形光柱，这样可以使得扫地机的红外接收管容易对准并接收到，红外接收管接收到以后，就获得了参考线L1；噪声波发射头发射噪声波后，经过若干时间，到达扫地机的噪声波接收管，扫地机内的处理器分析计算出距离r，然后扫地机继续前进很小的距离L2，同时检测到和导航仪之间的距离L3，获得目前的水平姿态角，从而可以知道目前扫地机在房间内的位置信息。

在本发明的具体实施例子中：导航仪左右两边安装了为了防止扫地机运行的时候撞上导航仪，从而导致导航仪位移，影响位置基准的红外发射管。

在本发明的具体实施例子中：在需要打扫的多个房间分别安装一台导航仪，每台导航仪有不同的地址编码，扫地机接收到多个应答信息后，知道有多个房间打扫，从而进入相应的房间打扫。

在本发明的具体实施例子中：在扫地机内部安装MEMS陀螺仪，在房间的角落或由于物体的阻挡，无法接收到导航仪发出的红外和噪声波信号的地方，采用MEMS陀螺仪并结合卡尔曼滤波算法可以保证每分钟导航仪和扫地机之间的角度误差在1度以内。

在本发明的具体实施例子中：所述扫地机上安装的红外发射管，射向正上方为120度发射角度，还有两个红外接收头，接收头正面朝向前方，另外一个接收头是背面朝正前方。

在本发明的具体实施例子中：所述在导航仪上有四个红外发光管，分别射向正上方，正前方，左边，右边，其中正上方的发光管为120度发射角度；前方的红外发射管通过一个长的圆孔，发射角度为1度；左边和右边则采用30度的发射；左右两边的红外发射功率很小，调整有效发射距离为8-12cm。

在本发明的具体实施例子中：所述导航仪上安装的红外接收头，为120度接收角度，正面朝上。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的扫地机器人智能导航系统能准确的定位扫地机器人的控制位置，通过控制扫地机器人的位置，方便而且不走重复路地将房间打扫干净，有效地解放了人力，环保节能。

附图说明

图1是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在房间工作情况示意图。

图2是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之一。

图3是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之二。

图4是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之三。

图5为本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机上安装有红外发光管和接收头后的工作示意图。

图6为本发明提供的红外通信2个字节的数据格式距离的示意图。

图7为本发明提供的红外通信“1”的占空比的示意图。

图8为本发明提供的红外通信“0”的占空比的示意图。

图9为本发明提供的红外通信的FPGA模块间的逻辑结构的示意图。

图10为本发明提供的红外通信38Kc的调试前和调制后的波形的示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图1是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在房间工作情况示意图。如图1所示：本发明提供的扫地机器人智能导航系统包括导航仪2和扫地机3，导航仪2和扫地机3均放在需要打扫的房间1的水平地面上，导航仪2放在需要打扫的房间的某一边的中央处。

图5为本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机上安装有红外发光管和接收头后的工作示意图。如图5所示：在导航仪2上安装有红外发光管和红外接收头，在导航仪2上还安装有噪声波发射头，在扫地机3上安装有红外发光管和红外接收头，在扫地机上还安装有噪声波接收头。

导航仪2发出红外线和噪声波，扫地机3在房间的运行角度始终和导航仪2垂直，这样每次经过房间中央，扫地机3将会获得红外和噪声波信号，红外和噪声波信号计算出扫地机3的位置。

扫地机3有两个后轮，分别用马达驱动，虽然用PID调节方式控制两个轮子的速度一致，但由于打滑和机械误差，扫地机每运行一段距离就会发生偏移。也就是在实际运行的过程中，无法走笔直的直线。这样产生的问题便是当多个回合走下来，扫地机将产生较大的偏转。但是扫地的路径覆盖算法要求必须走直线，否则无法正常工作。为了克服这个困难，可以在扫地机内部安装MEMS陀螺仪解决，但是陀螺仪有漂移和累计误差,以及AD转换等引起的误差，时间一长也是会发生偏转。为此，可以采用本发明提供的扫地机器人智能导航系统开定期纠正扫地机的角度和位置。

导航仪放在房间边上的中央，发出红外线和噪声波。扫地机的运行角度始终和导航仪垂直。扫地机从上往下，从右向左运行。这样每次经过房间中央，扫地机将会获得红外和噪声波信号，从而知道自己目前的位置。即使走偏了，也能及时纠正。

内部的陀螺仪还是有用的，因为在有些位置，特别是角落，由于物体的阻挡，无法接收到导航信息，这样陀螺仪便能协助扫地机获得方位信息。采用数字式高精度陀螺仪并结合卡尔曼滤波算法可以保证每分钟误差在1度以内。这样在角落工作10分钟引起的误差是10度左右。

图2是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之一。图3是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之二。图4是本发明提供的导航系统中导航仪和扫地机在工作时的测量扫地机的水平姿态角的示意图之三。

导航工作原理可以采用图2-4来更具体的说明：

如图2-4中导航仪发出基本无散射的红外线，如图2-4中粗线所示(标注为4)。同时也发出噪声波，噪声波具有一定的角度，图2-4上是扇形的两条边(标注为5)。红外线4的作用是作参考基准线，噪声波5的作用是测距离。通过参考线和距离，可以测定方位。测定方位的原理为：当扫地机找到参考线后，首先测到和导航仪之间的距离为L1,这也是圆半径r。然后向前走距离L2

然后测量到导航仪的距离是L3,假设控制L2走很小的距离，那么L1和L3之间的夹角将很小，从几何关系图上可以知道，L1和L3之间的扇形圆弧变化也很小，可以用直线L4代替圆弧。由于L1和L3的夹角很小，由于L1和L3很长，因此可以认为L4和L1以及L3的夹角接近90度。

假设L5＝L3-r那么L2L4L5构成直角三角形。通过求L2和L4之间的反正弦函数就可以获得L2和L4的夹角α。然后α+90度便是L1和L2之间的夹角。从而知道目前扫地机的水平姿态角。

下面是一个具体的实现方法：如图5所示：导航仪和扫地机放在水平地面，在导航仪上有4个红外发光管，分别射向正上方，正前方，左边，右边。其中正上方的发光管为120度发射角度。前方的红外发射管通过一个长的圆孔，发射角度为1度。左边和右边则采用30度的发射。但左右两边的红外发射功率很小，调整有效发射距离为10cm左右。导航仪上还安装了一体化的红外接收头，为120度接收角度，正面朝上。另外，在导航仪上也安装了噪声波发射头。

扫地机上安装有1个红外发射管，射向正上方为120度发射角度。还有2个一体化的红外接收头，接收头正面朝向前方。另外一个接收头是面朝正前方。

工作过程：

首先，扫地机在运行的过程中，每过一段距离，通过上方的红外发射管，发射测距请求数据包CQ1，物理通信方式为38Khz的调制红外线。红外线从天花板反射到导航仪，导航仪上方的高增益一体化红外接收管经过解调并处理，输出解码的波形。导航仪上的单片机分析波形，知道被请求测距。导航仪通过前方的噪声波发射头发出噪声波，同时通过前方的红外发射管发射红外线。由于这个红外线发射角度为1度，因此基本没发生散射，接近直线，同时也具有一定的范围。也就是光柱是一个以1度为夹角的锥形光柱。这样可以使得扫地机的红外接收管容易对准并接收到。因为如果用激光反而容易引起收发管之间对准精度要求过高的问题。红外接收管接收到以后，就获得了参考线L1。噪声波发射头发射噪声波后，经过若干时间，到达扫地机的噪声波接收管，扫地机内的处理器分析计算出距离r。然后扫地机继续前进很小的距离L2,同时检测到和导航仪之间的距离L3,按照前面提到的检测原理，可以获得目前的水平姿态角。从而可以知道目前在房间内的位置信息。

导航仪左右两边安装的红外发射管是为了防止扫地机运行的时候撞上导航仪，从而导致导航仪位移，影响位置基准。当扫地机从左边或者右边接近导航仪，通过控制导航仪发射红外的强度，可以在一定距离内探测到红外信号，从而可以避开导航仪。

导航仪的另外一个功能是多个房间之间的导航。多个房间分别安装导航仪，各自有不同的地址编码，扫地机接收到多个应答信息后，可以知道有多个房间打扫，从而为进入相应的房间做准备。

导航仪和扫地机之间的通信：

种类A信息方向

基准请求扫地机到导航仪

基准应答导航仪到扫地机

种类A是立刻发生，是为了测量获得距离。扫地机发出请求信息后，便马上开始接收导航仪发出的噪声波，通过时间差得到距离。

种类B

导航仪身份请求扫地机到导航仪

导航仪应答导航仪到扫地机

种类B是导航仪延迟一段随机时间应答，因为多个房间可能有导航仪，扫地机要清扫多个房间的时候，在门的交界处可同时收到2个应答信号，为了防止接收冲突，采用延迟随机时间的方式。

通信数据格式：

采用2个字节

0x5151表示基准请求

0x5152表示导航仪身份请求

0x22FF表示基准应答

0x33xx表示身份回答xx是身份号

下面是基于CPLD的红外遥控编解码

嵌入式中央处理器通常要处理很多事务，而红外遥控则要占用比较多的处理器时间，而且要求对信号处理的优先级别很高。而在不少运动控制应用场合如果红外处理的时间过于频繁以及占用时间过长，必将影响到系统的动态响应性能。而采用硬件来实现红外的遥控信息处理，将大大减轻处理器的负担。但是通用的红外编解码硬件芯片通信格式固定，不能满足自定义的格式要求。其次，在不少系统中已经拥有CPLD,如果再加红外芯片，必将增加成本。因此，用CPLD中的一部分来实现红外通信是一种不错的选择。

红外遥控分为发送和接收两个部分。发送的信息通过38K调制后通过红外发射头发射出去。因此，这里需要解决的是如何将信息进行编码，并调制。

红外通信格式一般为如图6，首先是大约9ms的低电平，然后是4.5ms的高电平，然后是数据，这里定义为16bit的数据，通信结束后信号线为高。

中间的数据通信格式如下；

对于0，定义前面2/3是低电平，后面1/3是高电平，如图7所示。

对于1，定义前面1/3是低电平，后面2/3是高电平，如图8所示。

因此需要将每个比特对应的时间分为3份，在每一份时间的开始计算目前需要发高电平还是低电平。定义每个比特的时间占1.5ms，分为三份则每份占0.5ms，这样编码发生的时钟周期为0.5ms。

最后这些编码被38K调制后输出。

假设CPLD的输入时钟是8Mhz,首先需要分频为38K，采用VHDL编写代码进行分频。对应的VHDL代码如下；其中en2是使能信号。

分频后的信号一方面作为调制信号，另一方面再次分频，作为编码发生的基准时钟。分频原理同上，分频后的输出为占空比50％，周期为0.5ms的时钟。

发送的总体硬件为图9：首先是8Mhz的时钟经过S38K分频模块输出为38K的时钟，该时钟一方面接到输出与门对编码调制，另一方面输出到fenpin模块输出0.5ms的时基信号。此信号进入serialcodegenerate串行编码发生模块，该模块能负责产生编码。假设应用只需要产生两种通信数据。因此modesel负责选择目前采用哪种。当然，要发生多种其他的代码，只要适当修改VHDL的编码。

编码发生模块首先需要产生9ms的低电平和4.5ms的高电平，然后是16比特数据。由于每比特对应3个时钟，因此需要定义一个内循环变量，每满三次就恢复为0，然后是定义]外循环变量，9ms的低电平相当于18个0.5ms，4.5ms高电平相当于9个0.5ms。发送比特的时候，不管是0还是1，前面1/3的时间一定是0，最后1/3的时间一定是1，只有中间1/3的时间对应0或者1变为低或者高。因此，内循环变量为1的时候才判断输出0还是1。

图10是仿真结果，MCLK是8M的主时钟，INFOUT是输出到发射管的信号。INFEN是使能。serialout是编码输出,发射的代码是0x5151。因此，每次只要让INFEN变低然后置高，便能发生遥控发射波形。

遥控接收：

如果用单片机实现遥控接收，将占用相当多的时间。红外接收对实时要求很高，为了信号处理的实时性必须用中断来实现红外接收的解码，但这样也降低了对其它中断的响应实时性。用CPLD设计的红外解码将由硬件自动解码，等接收成功后向CPU申请中断，CPU读取接收到的红外遥控数据。

对于接收到的每个比特，红外接收首先要分析接收到的是0还是1。和发射的时候一样，对每个比特分为三格，通过分析每格内的电平来确定比特。例如，第一次是0，第二次是0，第三次是1，对应的比特是0。

在每格内，考虑到接收的稳定性和可靠性，将每个时间格细分为n次，在n的中央检测电平，确定是高还是低。假设采用38K的输入时钟，时钟周期为26.3us，因此n＝0.5ms/26.3us，n＝19,在n＝9的地方也就是接近中央的时候检测电平。为节约资源，在VHDL中用整数表示变量。

首先假设用38Khz作为基准，并在红外起始的地方开始检测，一直检测到通信结束。

38K的时钟周期是26us,每个时钟误差0.3us。如果发送16个比特，加上起始电平，需要75个0.5ms，每个0.5ms需要19个38kc的时钟，因此一共需要1425个38kc时钟脉冲。到最后一个比特的时候累计误差是1425*0.3＝427.5us，但正常工作的时候，在0.5ms中间采样也就是250us的地方，这里误差远超过可承受的范围，接收将无法工作。因此，考虑在每个比特的地方纠正。同时针对起始的低电平和高电平分别进行采样时基纠正。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种扫地机器人智能导航系统，其特征在于：所述导航系统包括导航仪和扫地机，所述导航仪和扫地机均放在需要打扫的房间的水平地面上，所述导航仪放在需要打扫的房间的某一边的中央处；

在所述导航仪上安装有红外发射管和红外接收头，在所述导航仪上还安装有噪声波发射头，

在所述扫地机上安装有红外发射管和红外接收头，在所述扫地机上还安装有噪声波接收头，

所述扫地机包含两个后轮，分别用马达驱动，用PID调节方式控制两个后轮的速度一致；

所述导航仪发出红外线和噪声波，所述扫地机在房间的运行角度始终和导航仪垂直，这样每次经过房间中央，扫地机将会获得红外和噪声波信号，红外和噪声波信号计算出扫地机的位置；

扫地机在运行的过程中，每过一段距离，通过扫地机上方的红外发射管，发射测距请求数据包CQ1，物理通信方式为38Khz的调制红外线；红外线从需要打扫房间的天花板反射到导航仪，导航仪上方的红外接收头经过解调并处理，输出解码的波形，导航仪上的单片机分析波形，知道被请求测距；导航仪通过前方的噪声波发射头发出噪声波，同时通过前方的红外发射管发射红外线，由于这个红外线发射角度为1度，因此基本没发生散射，接近直线，同时也具有一定的范围，也就是光柱是一个以1度为夹角的锥形光柱，这样可以使得扫地机的红外接收头容易对准并接收到，红外接收头接收到以后，就获得了参考线L1；噪声波发射头发射噪声波后，经过若干时间，到达扫地机的噪声波接收头，扫地机内的处理器分析计算出距离r，然后扫地机继续前进很小的距离L2，同时检测到和导航仪之间的距离L3，获得目前的水平姿态角，从而可以知道目前扫地机在房间内的位置信息。

2.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：导航仪左右两边安装了为了防止扫地机运行的时候撞上导航仪，从而导致导航仪位移，影响位置基准的红外发射管。

3.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：在需要打扫的多个房间分别安装一台导航仪，每台导航仪有不同的地址编码，扫地机接收到多个应答信息后，知道有多个房间打扫，从而进入相应的房间打扫。

4.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：在扫地机内部安装MEMS陀螺仪，在房间的角落或由于物体的阻挡，无法接收到导航仪发出的红外和噪声波信号的地方，采用MEMS陀螺仪并结合卡尔曼滤波算法可以保证每分钟导航仪和扫地机之间的角度误差在1度以内。

5.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：所述扫地机上安装的红外发射管，射向正上方为120度发射角度，还有两个红外接收头，接收头正面朝向前方，另外一个接收头是背面朝正前方。

6.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：在所述导航仪上有四个红外发射管，分别射向正上方，正前方，左边，右边，其中正上方的发光管为120度发射角度；前方的红外发射管通过一个长的圆孔，发射角度为1度；左边和右边则采用30度的发射；左右两边的红外发射功率很小，调整有效发射距离为8-12cm。

7.根据权利要求1所述的扫地机器人智能导航系统，其特征在于：所述导航仪上安装的红外接收头，为120度接收角度，正面朝上。