CN103439973A - 自建地图家用清洁机器人及清洁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自建地图家用清洁机器人及清洁方法，包括壳体、设置在壳体内的控制中心、供电模块、存储单元、摄像头、照明报警装置、以及分别与控制中心连接的超声波传感器、红外传感器和光敏传感器，还设有与控制中心相连接的无线模块和RFID读写器,还包括贴在墙壁四周下方的多个RFID标签,记录有此标签的位置坐标信息，采用有源的RFID标签。清洁机器人能够建立室内二维地图，实现室内的定位功能，获知自己在所处房间的坐标点，在二维地图上标出了可行走区和不可行走区，快速确定清洁路径，准确到达清洁目标；对于无法清洁的卫生死角，手动操作控制，自动保存操控数据，再次清洁此卫生死角时调用已保存的操控数据清理目标。

Description

自建地图家用清洁机器人及清洁方法

技术领域

本发明涉及清洁机器人，特别是能自建地图、定位并能实现自动和无线手动两种控制方式清理目标的自建地图家用清洁机器人及清洁方法。

背景技术

清洁机器人是为人类服务的特种机器人，能在房间内自主移动，避开房间的内障碍物，主要从事家庭卫生的清洁、清洗等工作，使人们从繁重的清洁工作中解脱出来。

目前，家用清洁机器人主要包括控制系统、清洁系统、测量系统、动力系统等，其中控制系统是整个机器人的核心，它能处理测量系统收集的数据，协调各个系统的工作。清洁系统用于清理异物，其清理动作受控于控制中心。测量系统的各个传感器与控制中心连接，将传感器测量的环境数据送入控制中心。动力系统包括驱动电路和电机，控制中心控制电机启停来驱动机器人移动方向和行进距离。

定位技术属于家用清洁机器人的测量系统，其原理是确定机器人在二维坐标中相对全局坐标的位置。在确定了自身所在二维地图中的位置后，可以对二维地图中设置好的区域或者整个地图域进行清扫。

现有技术是利用安装在机器人上的速度传感器、加速度传感器、陀螺仪等传感器，感知机器人自身移动状态，将传感器测量的数据经过程序处理来确定其位置。这种定位方式需要将大量的传感器观测数据进行融合处理，从而使机器人获得最大量的外部信息，然后将信息数据送入处理器，对所测量计算后得出位置坐标。采用此种方式的机器人所需传感器的数量多，从而导致制造成本高，定位需要的参数多，对控制单元处理速度要求高。同时机器人移动过程中与地面存在打滑现象，所测量的行进距离会有误差，这种误差会随着机器人运动距离的增加而积累变大，最终导致机器人获得错误的定位坐标，不能准确到达清理地点。

此外，清洁机器人并不是每个可以清洁的地方都能打扫干净，在清理房间卫生死角时，由于程序算法和自身机械结构的限制，导致清理不干净，需要人为对这些卫生死角进行二次清理，无形之中增加了人的劳动量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种自建地图家用清洁机器人，其能够建立室内二维地图，并且实现室内的定位功能，使清洁机器人获知自己在所处房间的坐标点，在二维地图上标出了可行走区和不可行走区，快速确定清洁路径，准确到达清洁目标；对于清洁机器人无法清洁的卫生死角，手动操作控制，自动保存操控数据，再次清洁此卫生死角时调用已保存的操控数据清理目标。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

一种自建地图家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的控制中心、供电模块、存储单元、摄像头、照明报警装置、以及分别与控制中心连接的超声波传感器、红外传感器和光敏传感器，还设有与控制中心相连接的无线模块和RFID读写器, 还包括贴在墙壁四周下方的多个RFID标签,记录有此标签的位置坐标信息，采用有源的RFID标签。

所述控制中心含有自建地图单元，建立的地图为二维平面地图，记录坐标为X，Y两个方向的数据，将障碍物位置信息和路径信息以二维坐标的方式标记到地图中。

所述的无线模块为Wi-Fi无线模块，其传输距离远，覆盖范围广，传输速率高，能满足摄像头拍摄的图片或者视频传输到客户端的带宽要求。

所述的RFID读写器含有射频收发器芯片和天线，固定在外壳上，识别RFID标签，还可以与RFID标签进行数据交换，天线与无线射频芯片连接，无线射频芯片通过RS232接口连接到控制中心。

RFID读写器读取固定在房间墙壁上的RFID标签信息，获取两者之间的无线射频信号强度值，在读写器获取了与多个标签的信号强度值后，依据信号的强弱计算出RFID读写器在二维地图中的位置坐标。

所述控制方式为自动和无线手动两种方式，遇到不能手动清理的卫生死角时切换到手动模式。

所述供电模块的电源采用可充电的锂电池供电，其安全性好、容量大，保证机器人长时间工作；形状上可定制，便于机器人的外观设计；重量轻，减少了机器人的负载。

所述控制中心采用ARM9处理芯片，能满足高速的处理速度要求；良好的扩展性能兼容多种传感器模块；其极低能耗也能使机器人的续航时间更长。

所述存储单元包括NAND FLASH存储器和SDRAM存储器，清洁程序和地图数据存储在NAND FLASH中，确保关机后数据不会遗失；在开机启动后，程序和地图信息调入SDRAM中并运行，快速的为处理芯片提供需要的数据。

所述摄像头通过USB连接线连接到控制中心，采集的数据传送到客户端显示，为手动操作提供依据。

所述照明报警装置为LED灯和扬声器，LED灯保证摄像头摄像时有足够的光照强度，扬声器提醒人们有不能自动清理的卫生死角。

所述超声波传感器用来测量机器人与障碍物或者墙壁之间的距离，实现避障功能，同时也提供辅助定位数据。

所述红外传感器用来防止机器人工作过程中从高处跌落。

所述光敏传感器用来检测周围的光照强度，在检测到光强不在设定的阈值时打开LED照明灯。

机器人工作时，控制中心通过驱动电路驱动电机转动，从而带动清洁机器人的机械移动部分运行，使机器人在房间内移动。

所述清洁机器人的清洁方法，包括以下步骤： 

（1）机器人上电启动；

（2）机器人提示输入清洁完毕后回到的指定坐标点坐标值，然后自动检测是否为第一次在此房间运行，若为第一次运行，手动输入房间的长度和宽度数据，此时就建立了一个矩形二维地图，输入完毕后，机器人计算当前所在位置坐标；如果不是第一次在此房间运行，机器人直接计算当前所在位置坐标；

（3）确定好位置坐标，机器人按指定的遍历方式移动并清洁地面，当超声波传感器检测到前方有障碍物，停止移动，根据机器人所计算的当前位置坐标和超声波传感器检测到的障碍物与机器人之间的距离确定障碍物在地图中的坐标，并在二维地图中标记此障碍物位置坐标值，标记完毕绕开障碍物，按指定的遍历方式继续移动；没有障碍物，机器人按指定的遍历方式继续移动；若超声波传感器检测到已经标记在二维地图中障碍物消失，则停止移动，在二维地图中删除此障碍物位置坐标后继续按指定的遍历方式移动；若没有消失，则绕开障碍物后按指定遍历方式继续移动；

（４）机器人移动并清洁地面，没有将整个地图遍历完毕或者没有检测到停机信号，返回步骤（２）；将整个地图遍历完毕或者检测到停机信号，机器人回到指定坐标点，停止运行。

所述指定的遍历方式指的是以一点为起点，以螺旋线的方式向外辐射式的移动，或以折线的方式移动，或其他的方式。

所述停机信号有两种方式，一种是遍历完整个房间后机器人自动停机，回到指定的坐标点。另外一种是不论是否遍历完成，只要客户端给停机信号，机器人就停止遍历过程，回到指定坐标点。

所述指定坐标点是在系统运行之前就设定好的，系统每次上电后就提示是否需要设定指定坐标点，如果超过指定的时间（5秒）没有输入，就默认清洁完毕后回到上次设置的指定位置，如果从来没有设置过，则回到地图坐标原点。

当清洁机器人遇到卫生死角不能自动清理干净时，进入手动控制程序，包括以下步骤： 

（1）在二维地图中标记此卫生死角的坐标；

（２）光敏传感器检测光照强度是否在设定的阈值内，如果在设定的阈值内，开启摄像头；如果不在设定的阈值内，开启LED灯，开启摄像头；

（3）将所拍摄的图像通过Wi-Fi传输到客户端，机器人记录手动操作命令；

（4）如果没有检测到客户端发出的清理完毕的信号，返回步骤（3），直到检测到客户端清理完毕信号，关闭摄像头和LED灯，并退出手动操作程序。

在建立二维地图过程中，需要将房间的长宽值手动输入到存储器中，长为X轴，宽为Y轴，原点为X轴和Y轴的交点，此时就建立了一个房间二维地图框架。在房间墙壁四周靠近下方处贴若干RFID标签，这些标签记录有此标签位置坐标信息，RFID读写器读取标签信息，确定标签在二维地图中的位置，并标记在二维地图上，然后再通过参考标签与移动读写器之间的通信，获取两者之间的无线射频信号强度值，继而获取读写器与多个参考标签之间的距离关系，选取离读写器距离最近的几个参考标签，根据这几个最邻近参考标签的坐标和参考标签与读写器的射频信号强度值，计算出读写器的坐标值，也就是机器人在二维地图中的位置坐标。

机器人清扫过程中，会遇到很多障碍物，例如桌腿、衣柜等，当超声波检测到前方有障碍物后，如果检测到与前方障碍物的距离小于设定的阈值后，机器人停下，先计算出此机器人在地图中的位置坐标，用此位置坐标值加上超声波传感器测量到的机器人与障碍物之间的距离，得出新的坐标值，此坐标值就是障碍物在二维地图中的坐标，标记在二维地图中。当机器人遍历了整个房间后，就会在二维地图中标记出各个障碍物的位置坐标，遍历次数越多，得到障碍物的位置坐标越精确，二维地图信息就越完整。当个别障碍物移走后，超声波传感器检测不到此障碍物，则在二维地图中删除此障碍物坐标信息。此二维地图明确标出了可行走区和不可行走区，为路径规划提供依据。

清洁机器人并不是每个可以清洁的地方都能打扫干净，在清理房间卫生死角时，由于程序算法和自身机械结构的限制，导致清理不干净，在卫生死角停留时间超过设定时间而垃圾还没有被清理干净时，记录此位置坐标，启动无线Wi-Fi模块，与手机客户端连接，手动遥控清理，机器人保存手机客户端发出的控制命令到存储器，再次清洁这些死角位置时，直接调用保存的控制命令，清洁目标。清洁床底等光线昏暗的卫生死角时，光敏传感器检测到亮度低于所设定的阈值，启动LED照明灯和摄像头，将所拍摄的视频信息实时传送到手机客户端显示，为准确的清理操作提供保障。

本发明的有益效果是：该清洁机器人能够建立室内二维地图，并且实现室内的定位功能，使清洁机器人获知自己所处房间的坐标点，定位所需传感器数量少，计算坐标方法简便，在二维地图上标出了可行走区和不可行走区，快速的确定清洁路径准确到达清洁目标；对于清洁机器人无法清洁的卫生死角，手动操作控制，自动保存操控数据，再次清洁此死角时调用已保存的操控数据清理目标，清理目标动作快速准确，省去了人为二次清理的麻烦。

附图说明

图1为实施例的连接框图；

图2为实施例清洁机器人的清洁方法工作流程图；

图3为实施例清洁机器人的手动清洁操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例

参照图1，一种自建地图家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的控制中心1、供电模块13、存储单元9、摄像头2、照明报警装置8、以及分别与控制中心1连接的超声波传感器3、红外传感器4和光敏传感器5，还设有与控制中心1相连接的无线模块10和RFID读写器14，还包括贴在墙壁四周下方的多个RFID标签,记录有此标签的位置坐标信息，采用有源的RFID标签。

控制中心1含有自建地图单元，建立的地图为二维平面地图，记录坐标为X，Y两个方向的数据，将障碍物位置信息和路路径信息以二维坐标的方式标记到地图中。

无线模块10为Wi-Fi无线模块，其传输距离远，覆盖范围广，传输速率高，能满足摄像头拍摄的图片或者视频传输到客户端的带宽要求。

RFID读写器14含有射频收发芯片12和天线11，固定在外壳上，识别RFID标签，还可以与RFID标签进行数据交换，天线11与射频收发芯片12连接，射频收发芯片12通过RS232接口连接到控制中心1。

RFID读写器14读取固定在房间墙壁上的RFID标签信息，获取两者之间的无线射频信号强度值，在读写器获取了与多个标签的信号强度值后，依据信号的强弱计算出RFID读写器14在二维地图中的位置坐标。

控制方式为自动和无线手动两种方式，遇到不能自动清理的卫生死角时切换到手动模式。

供电模块13的电源采用可充电的锂电池供电，其安全性好、容量大，保证机器人长时间工作；形状上可定制，便于机器人的外观设计；重量轻，减少了机器人的负载。

控制中心1采用ARM9处理芯片，能满足高速的处理速度要求；良好的扩展性能兼容多种传感器模块；其极低能耗也能使机器人的续航时间更长。

存储单元9包括NAND FLASH存储器和SDRAM存储器，清洁程序和地图数据存储在NAND FLASH中，确保关机后数据不会遗失；在开机启动后，程序和地图信息调入SDRAM中并运行，快速的为处理芯片提供需要的数据。

摄像头2通过USB连接线连接到控制中心1，采集的数据传送到客户端显示，为手动操作提供依据。

照明报警装置8为LED灯和扬声器，LED灯保证摄像头2摄像时有足够的光照强度，扬声器提醒人们有不能自动清理的卫生死角。

超声波传感器3用来测量机器人与障碍物或者墙壁之间的距离，实现避障功能，同时也提供辅助定位数据。

红外传感器4用来防止机器人工作过程中从高处跌落。

光敏传感器5用来检测周围的光照强度，在检测到光强不在设定的阈值时打开LED照明灯。

机器人工作时，控制中心1通过驱动电路6驱动电机7转动，从而带动清洁机器人的机械移动部分运行，使机器人在房间内移动。

参照图2，清洁机器人的清洁方法为：

在步骤S101，机器人上电启动；

在步骤S102，机器人提示输入清洁完毕后回到的指定坐标点坐标值，然后启动步骤S103自动检测是否为第一次在此房间运行，若为第一次运行启动步骤S104提示输入房间的长度和宽度，此时就建立了一个矩形二维地图，输入完毕后启动步骤S105，计算清洁机器人当前位置的坐标；如果不是第一次在此房间运行启动步骤S105；

计算完毕，在步骤S106，通过超声波传感器检测前方是否有障碍物，若没有检测到障碍物则启动步骤S109，让机器人按指定的遍历方式继续移动；若检测到障碍物则启动步骤S107停止移动并在二维地图中标记此位置坐标值，标记完毕启动步骤S108避开障碍物，然后启动步骤S110；

在步骤S110，如果超声波传感器检测到已经标记在二维地图中障碍物消失，则启动步骤S111停止移动，在二维地图中删除此障碍物位置坐标，然后启动步骤S113继续按指定的遍历方式移动；如果没有消失，则启动步骤S112绕开障碍物后启动S113按指定遍历方式继续移动；

在步骤S114，如果没有将整个地图遍历完毕或者没有检测到停机信号则继续从S105开始，直到在步骤S114检测到停机信号，启动步骤S115机器人回到指定坐标点，停止运行。

参照图3，当清洁机器人遇到卫生死角不能自动清理干净时，进入手动控制程序，包括以下步骤： 

在步骤S201，在二维地图中标记此卫生死角的坐标；

在步骤S202，通过光敏传感器检测光照强度是否在设定的阈值内，如果在设定的阈值内，则启动步骤S204，开启摄像头；如果超出设定的阈值，光线不足时，则启动步骤S203，开启LED灯，然后启动步骤S204，启动摄像头；

在步骤S205，将所拍摄的图像通过Wi-Fi传输到手机客户端；

在步骤S206，机器人记录手动操作命令；

在步骤S207，如果没有检测到客户端发出的清理完毕的信号，则继续从步骤S205开始，直到在步骤S207检测到客户端清理完毕信号；

在步骤S208，关闭摄像头和LED灯，并退出手动操作的中断程序。

Claims (6)

1.一种自建地图家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的控制中心、供电模块、存储单元、摄像头、照明报警装置、以及分别与控制中心连接的超声波传感器、红外传感器和光敏传感器，其特征在于：还设有与控制中心相连接的无线模块和RFID读写器, 还包括贴在墙壁下方的RFID标签,记录有此标签的位置坐标信息。

2.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于：所述控制中心含有自建地图单元，建立的地图为二维平面地图，记录坐标为X，Y两个方向的数据。

3.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于：所述的无线模块为Wi-Fi无线模块。

4.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于：所述的RFID读写器含有射频收发器芯片和天线，固定在外壳上。

5.根据权利要求1-4所述的清洁机器人的清洁方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）机器人上电启动；

（2）机器人提示输入清洁完毕后回到的指定坐标点的坐标值，然后自动检测是否为第一次在此房间运行，若为第一次运行，手动输入房间的长度和宽度数据，此时就建立了一个矩形二维地图，输入完毕后，机器人计算当前所在位置坐标；如果不是第一次在此房间运行，机器人直接计算当前所在位置坐标；

（3）确定好位置坐标，机器人按指定的遍历方式移动并清洁地面，当超声波传感器检测到前方有障碍物，停止移动，根据机器人所计算的当前位置坐标和超声波传感器检测到的障碍物与机器人之间的距离，确定障碍物在地图中的坐标，并在二维地图中标记此障碍物位置坐标值，标记完毕绕开障碍物，按指定的遍历方式继续移动；没有障碍物，机器人按指定的遍历方式继续移动；若超声波传感器检测到已经标记在二维地图中的障碍物消失，则停止移动，并在二维地图中删除此障碍物位置坐标，继续按指定的遍历方式移动；若没有消失，则绕开障碍物后按指定遍历方式继续移动；

（４）机器人移动并清洁地面，没有将整个地图遍历完毕或者没有检测到停机信号，返回步骤（２）；将整个地图遍历完毕或者检测到停机信号，机器人回到指定坐标点，停止运行。

6.根据权利要求5所述的清洁机器人的清洁方法，其特征在于，还包括以下步骤： 

（１）当机器人遇到卫生死角停留时间超过设定时间，而垃圾还没有被清理干净时，在二维地图中自动标记此卫生死角的坐标值，然后进入手动控制程序；

（２）通过光敏传感器检测光照强度是否在设定的阈值内，如果在设定的阈值内，开启摄像头拍摄图像；如果不在设定的阈值内，光线不足时开启LED灯，方便摄像头拍摄图像；

（3）将所拍摄的图像通过Wi-Fi模块传输到客户端，手动遥控清理，机器人保存客户端发出的操作命令到存储器；

（4）机器人接收到客户端发出的清理完毕的信号，关闭摄像头和LED灯，退出手动操作程序；没有接收到客户端发出的清理完毕的信号，返回步骤（3），直到接收到客户端清理完毕信号，关闭摄像头和LED灯，并退出手动操作程序。

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