CN103431812B

CN103431812B - 一种基于超声雷达探测的清洁机器人及其行走控制方法

Info

Publication number: CN103431812B
Application number: CN201310335079.9A
Authority: CN
Inventors: 尹涓; 罗福源; 张琪; 陈富林
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: CN103431812A

Abstract

本发明公开一种基于超声雷达探测的清洁机器人及其行走控制方法。其中清洁机器人包含机械本体、控制器以及超声雷达系统，超声雷达系统和控制器分别安装在机械本体的上方。超声雷达系统包含可移动超声雷达、固定超声雷达以及舵机，可移动超声雷达安装在舵机上侧，且由舵机带动旋转并探测360°环境信息和障碍物信息，固定超声雷达安装在舵机下侧以探测机器人与基准的距离。本发明还包含一种用于清洁机器人的行走控制方法，包括对利用上述可移动超声雷达获得的360°环境信息进行处理找出直线行走的基准，清洁机器人沿着基准以往复直线运动并自动绕障的方式遍历清洁区域。本发明提高了清洁机器人的工作效率，且控制算法简单。

Description

一种基于超声雷达探测的清洁机器人及其行走控制方法

技术领域

本发明涉及机器人和行走控制方法，特别涉及一种基于超声雷达探测的清洁机器人及其行走控制方法。

背景技术

室内清洁机器人是一种省时省力的新型清洁机，可在无人干预的情况下全自动运行，可按照设定的清洁时间表自主地工作。

现阶段国内外的清洁机器人大多采用随机遍历的方式清扫，不仅效率低下，而且会有很多死角无法清扫。这时，清洁机器人就需要利用传感器感知周围的环境，根据周围的环境因地制宜地让清洁机器人进行清扫。为了达到高效清扫的目的，韩国三星公司研制了一种基于网格地图的同步定位与自主导航控制的清洁机器人(专利号200710086152.8)。该专利利用传感器测得的环境信息融合进网格地图，进行地图的实时更新，利用网格地图导航清洁机器人的行走。但是，这种方法需要的算法过于复杂，对清洁机器人的处理器要求很高，增加了清洁机器人的成本。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于超声雷达探测的清洁机器人及其行走控制方法。

为了实现上述的技术目的，本发明的技术方案是：

一种基于超声雷达探测的清洁机器人，该机器人包含机械本体、控制器以及超声雷达系统，所述的超声雷达系统和控制器分别安装在机械本体的上方；所述的超声雷达系统包含可移动超声雷达、固定超声雷达以及舵机，可移动超声雷达安装在舵机上侧，由控制器控制舵机带动可移动超声雷达旋转并探测360°环境信息和障碍物信息，对360°环境信息进行数据处理和直线拟合，找出直线行走的基准，固定超声雷达安装在舵机下侧以探测机器人与基准的距离信息；所述的控制器接收可移动超声雷达和固定超声雷达探测的信息，控制机器人的行进路线和位姿；所述的可移动超声雷达包含四个正交分布的超声测距传感器，所述的固定超声雷达包含四个分成两组对称安装在机器人左右两侧的超声测距传感器；所述的机械本体包含机器人主体、至少一个驱动轮和至少一个万向轮，所述的驱动轮和万向轮分别安装在机器人主体的下侧，所述驱动轮的运动受控制器控制，所述的万向轮处于自由状态，辅助机器人的运动。

本发明还包括一种用于上述基于超声雷达探测的清洁机器人的行走控制方法，包括：对利用上述可移动超声雷达获得的360°环境信息进行数据处理和直线拟合，从而找出直线行走的基准，控制清洁机器人沿着基准以往复直线并自动绕障的的方式遍历清洁区域；还包括：所述的清洁机器人沿着基准平行方向前进时，利用上述固定超声雷达来调整位姿，当机器人左侧距离基准较近时，用机器人左侧的超声测距传感器测量机器人与基准的距离，设前面的超声测距传感器测得的距离为d_i，后面的超声测距传感器测得的距离为d_j，若d_i>d_j且差值大于阈值ε_d，说明机器人右偏，应调整机器人向左转；若d_j>d_i且差值大于阈值ε_d，说明机器人左偏，应调整机器人向右转，其中，阈值ε_d为一个预先设定的常数；反之，当机器人右侧距离基准较近时，用机器人右侧的超声测距传感器测量机器人与基准的距离，判断方法与上述一致。

该方法还包括：所述的清洁机器人沿着基准前进时，利用可移动超声雷达判断障碍物的大小，并将障碍物的尺寸与一设定值比较，若大于设定值，则将该障碍物视为墙壁，从而把不能绕行的墙壁与能够绕行的小型障碍物区分开来；当机器人接近墙壁时进给一个清洁可达宽度再反方向沿基准行进；当发现小型障碍物的终止边角之后自动绕障，随着绕障的进行，机器人位姿不断变化，当机器人的位姿与绕障开始时刻的位姿正好相反时，结束绕障，机器人回到原来主行进方向继续前行。

该方法还包括：所述的清洁机器人环境探测装置每走完一个直线就将此直线信息的起始点和此直线上障碍物的起始点记录下来，建成电子地图。

所述的电子地图的表示方法为设置一个动态数组Map[m][n]来记录这个机器人探测过的环境数据，m表示机器人走过的行程编号，n表示每个行程中被障碍物打断的直线号。

本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明增加在传统清洁机器人的基础上增加了自行构造的超声雷达，可以实时地进行环境探测并通过探测结果进行分析运算出行进路径，从而区别于传统清洁机器人的随机行走；

(2)由于本发明合理的路径规划，清洁机器人清扫效率得到了提高，达到了节省能源的目的；

(3)本发明使用的算法简单，需要的处理器性能要求不高，同时采用了廉价的超声测距传感器，大大降低了整个清洁机器人的成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明中传感器系统结构图；

图3是本发明中可移动超声雷达和舵机的相互位置关系图；

图4是本发明利用可移动超声雷达进行旋转扫描探测环境示意图；

图5是本发明中清洁机器人直线行走方式图；

图6是本发明中清洁机器人障碍物探测和绕障演示图；

图7是本发明的一种清扫环境表示方法；

图8是本发明中清洁机器人清扫流程图。

标号说明：1、可移动超声雷达；2、固定超声雷达；3、控制器；4、机器人主体；5、驱动轮；6、万向轮；7、舵机。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，清洁机器人的传感器系统包含可移动超声雷达1、固定超声雷达2及舵机7。3为控制器，4为机器人主体，5为驱动轮，6为万向轮。

如图2和图3所示，可移动超声雷达1由1-1,1-2,1-3,1-4四个正交分布的超声测距传感器构成，可移动超声雷达1依靠其下面的舵机7驱动旋转。舵机7每旋转一个小角度后暂停，这时四个超声测距传感器分别进行一次超声探测。这样，只要舵机7旋转90°就可以高效率地检测出清洁机器人周围360°环境的边界信息。

例如，利用上述方法探测如图4a所示的一个房间ABCD，该房间左上角有一个块状障碍物。可移动超声雷达1放置在O点位置，四个正交分布的超声测距传感器1-1、1-2、1-3与1-4将待检测的房间分成I、II、III、IV四个区域。舵机原位不动时，四个超声测距传感器各自进行一次超声检测，获得四个点的距离数据。然后舵机7旋转3°后暂停，四个超声测距传感器再各自进行一次超声检测，再获得四个点的距离数据。然后舵机7再旋转3°后暂停，超声测距传感器再做超声检测。如此不断重复，直到舵机7旋转90°为止。此时，四个超声测距传感器合作完成了I、II、III、IV四个区域的障碍物距离扫描。将所有点的距离数据按照的I、II、III、IV区域的位置关系拼接在一起，就形成了被测环境360°的数据点集，如图4b所示。

由于超声波反射、机械振动、测量随机误差等原因，由前述方法获得的数据中通常含有噪声甚至错误；此外，数据点过多将严重影响计算机处理速度，因此检测得到的原始数据必须经过一些必要的处理才能使用。为此，首先通过数字滤波方法识别和剔除数据中明显错误的点，处理后的数据如图4c所示。然后将余下的这些点按方向属性分成若干组，每组分别使用最小二乘法拟合成一条直线，得到如图4d所示墙面直线EF、GH、KJ、ML以及障碍物轮廓直线QP和NP。由于原始数据中除墙角A外，其余都是有数据的，故将直线EF、GH、KJ、ML分别延长，获得三个交点B、C、D，从而形成较完整的房间墙壁边界。通过比较，容易判断出直线BC是最长的，因此将墙壁BC作为路径规划的基准。

接下来，清洁机器人沿着与基准平行的方向以直线往复运动的方式遍历清洁区域，如图5所示。为了保证清洁机器人的运动方向与基准直线平行，需要利用固定超声雷达2。固定超声雷达2由固定安装在机器人左侧的2个超声测距传感器2-1和2-2以及右侧的2个超声测距传感器2-3和2-4组成,它们分别用来探测机器人左、右侧与基准之间的距离，并以此调整机器人的位姿。为提高可靠性和精度，当机器人行进时，如果机器人左侧距离基准较近，则采用超声测距传感器2-1和2-2进行距离检测和位姿监控；反之，如果机器人右侧距离基准较近，则采用超声测距传感器2-3和2-4。

如图5a所示，假设机器人左侧的超声测距传感器2-1、2-2测得清洁机器人离基准的距离分别为d_i和d_j。如果d_i>d_j，说明机器人右偏，应调整机器人向左转；如果d_i<d_j，说明机器人左偏，应调整机器人向右转；如果d_i＝d_j，说明机器人与基准平行，无需调整。但是，d_i和d_j精确相等的情况实际上是很少出现的，因此采用上述方法的结果通常会使得机器人行进过程中不断地左摇右摆。为避免这种情况，本发明在位姿控制时采用了阈值控制方法：设定一个阈值ε_d，只有当d_i和d_j的差值大于这个阈值的时候，才根据偏差情况进行机器人的左转或右转调整，否则不调整机器人的行进方向。这样有效地抑制了机器人直线移动时不停地左右摇摆情况的发生，提高了其运动稳定性。

机器人按照如图5b所示的往复直线路径规划形式进行清扫。当机器人沿基准方向前进时，通过可移动超声雷达1探测前方障碍物的距离。当探测到障碍物的距离小于设定值时，停止前进，先转到障碍物轮廓方向，沿着障碍物轮廓向前进给一个清扫可达宽度，然后转到与原来前进方向相反的方向，再接着向前移动，如图5b所示。通过这样的往复直线清扫，机器人可以高效完成清洁任务。

机器人在行进过程中通过可移动超声雷达1判断障碍物的大小，并将障碍物的尺寸与一设定值比较，若大于设定值，则将该障碍物视为墙壁，从而把不能绕行的墙壁与能够绕行的小型障碍物区分开来。判断障碍物大小的具体方法如图6a所示,机器人在行进过程中通过可移动超声雷达1先后记录障碍物的起始边角线s₁和终止边角线s₂，这两条边角线之间的距离即为障碍物的大小。其中判断障碍物边角的方法如图6b所示：超声测距传感器检测到的数据在边角位置会发生明显的跃迁。

当发现小型障碍物的终止边角之后，机器人自动执行绕障程序。机器人绕障行走的方法与紧贴基准墙行走的方法相同；随着绕障的进行，机器人位姿不断变化，当机器人的位姿与绕障开始时刻的位姿正好相反时，结束绕障程序，机器人回到原来主行进方向继续前行，如图6c所示。

清洁机器人在清扫过程中记录环境信息的方法如图7所示。其中图7a所示为一个含有三个障碍物的实验室。先用类似于栅格地图的方法把这个房间分成图7b所示的矩形条状，其条宽为机器人一次清扫可达的宽度。宽度取的越小，环境表示精度相应的就越高。在程序中设置一个动态数组Map[m][n]记录下这个机器人探测过的环境数据。其中m＝1,2,3…,代表机器人走过的行程编号，n＝1,2,3…,代表每个行程中被障碍物打断的直线号。如图7c按照其行走方式走完一条直线后，发现没有遇到障碍物，此时，在Map[1][1]中记录下直线两端的坐标。图7d，7e所示时刻表示，当遇到障碍物时，线被切割成几段。此时分别在Map[3][1]，Map[3][2]和Map[4][1]，Map[4][2]，Map[4][3]中记录下始末的坐标。以此类推，机器人扫完这个空间，相应的环境信息就记录下来了。结果如图7f所示，如果下次在同一环境中清扫，就可以利用这个信息减少环境识别工作量，提高清扫效率。

图8所示为控制机器人清扫的流程图。步骤620首先探测出行走的直线基准，步骤630机器人沿基准直线前进，步骤640探测前方是否有障碍物，如果有转到650，如果没有转回630。步骤650探测障碍物后还有没有要清扫的空间，如果有转到630，如果没有转到660，记录这条直线的清扫轨迹，进给一个清扫可达宽度后继续直线清扫，并记录下环境信息。步骤670判断是否清扫完，如果清扫完了转到680，清扫完毕。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种基于超声雷达探测的清洁机器人，其特征在于：该机器人包含机械本体、控制器以及超声雷达系统，所述的超声雷达系统和控制器分别安装在机械本体的上方；所述的超声雷达系统包含可移动超声雷达、固定超声雷达以及舵机，可移动超声雷达安装在舵机上侧，由控制器控制舵机带动可移动超声雷达旋转并探测360°环境信息和障碍物信息，对360°环境信息进行数据处理和直线拟合，找出直线行走的基准，固定超声雷达安装在舵机下侧以探测机器人与基准的距离信息；所述的控制器接收可移动超声雷达和固定超声雷达探测的信息，控制机器人的行进路线和位姿；所述的可移动超声雷达包含四个正交分布的超声测距传感器，所述的固定超声雷达包含四个分成两组对称安装在机器人左右两侧的超声测距传感器；所述的机械本体包含机器人主体、至少一个驱动轮和至少一个万向轮，所述的驱动轮和万向轮分别安装在机器人主体的下侧，所述驱动轮的运动受控制器控制，所述的万向轮处于自由状态，辅助机器人的运动。

2.一种用于权利要求1所述基于超声雷达探测的清洁机器人的行走控制方法，其特征在于，包括：对利用上述可移动超声雷达获得的360°环境信息进行数据处理和直线拟合，从而找出直线行走的基准，控制清洁机器人沿着基准以往复直线并自动绕障的的方式遍历清洁区域；还包括：所述的清洁机器人沿着基准平行方向前进时，利用上述固定超声雷达来调整位姿，当机器人左侧距离基准较近时，用机器人左侧的超声测距传感器测量机器人与基准的距离，设前面的超声测距传感器测得的距离为d_i，后面的超声测距传感器测得的距离为d_j，若d_i>d_j且差值大于阈值ε_d，说明机器人右偏，应调整机器人向左转；若d_j>d_i且差值大于阈值ε_d，说明机器人左偏，应调整机器人向右转，其中，阈值ε_d为一个预先设定的常数；反之，当机器人右侧距离基准较近时，用机器人右侧的超声测距传感器测量机器人与基准的距离，判断方法与上述一致。

3.根据权利要求2所述的一种行走控制方法，其特征在于，还包括：所述的清洁机器人沿着基准前进时，利用可移动超声雷达判断障碍物的大小，并将障碍物的尺寸与一设定值比较，若大于设定值，则将该障碍物视为墙壁，从而把不能绕行的墙壁与能够绕行的小型障碍物区分开来；当机器人接近墙壁时进给一个清洁可达宽度再反方向沿基准行进；当发现小型障碍物的终止边角之后自动绕障，随着绕障的进行，机器人位姿不断变化，当机器人的位姿与绕障开始时刻的位姿正好相反时，结束绕障，机器人回到原来主行进方向继续前行。

4.根据权利要求3所述的一种行走控制方法，其特征在于，还包括：所述的清洁机器人环境探测装置每走完一个直线就将此直线信息的起始点和此直线上障碍物的起始点记录下来，建成电子地图。

5.根据权利要求4所述的一种行走控制方法，其特征在于：所述的电子地图的表示方法为设置一个动态数组Map[m][n]来记录这个机器人探测过的环境数据，m表示机器人走过的行程编号，n表示每个行程中被障碍物打断的直线号。