CN103926912B - 一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能监控技术领域，具体公开了一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统；包括：远程监控终端、无线传感控制设备和家庭服务机器人；远程监控终端通过网络与家庭服务机器人进行通讯，操控家庭服务机器人进行全方位视频监控；无线传感控制设备与家庭服务机器人交互，负责监测收集家庭各类环境数据，上报给远程监控终端；家庭服务机器人包括核心控制装置、底盘移动装置和感知执行装置，核心控制装置通过CAN总线分别与底盘移动装置和感知执行装置相连接，获取机器人自身运动状态，感知外部环境信息，控制底盘移动装置的运动，并实现对家电的控制和监测。本发明通过家庭服务机器人实现对家庭环境的定期巡检和对异常目标区的针对性监控，实现远程监控。

Description

一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统

技术领域

本发明涉及智能家居监控技术领域，尤其是涉及一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统。

背景技术

随着移动互联网的强势崛起，智能家居产业得到了迅猛发展，越来越多的家庭开始引进智能化系统和设备。在物联网方面，基于Zigbee的无线传感网络技术，因为有着低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易维护、便于快速大规模部署等特点，在智能家居领域逐渐获得应用。另一方面，随着人工智能技术的快速发展，使得机器人开始能够胜任需要人类思考才能完成的复杂工作，服务型机器人开始走入家庭，从事助老助残、康复护理、清洁、教育娱乐等方面的工作。

传统的智能家庭监控系统是基于有线方式部署，近些年随着无线联网技术的逐渐成熟和普及，尤其是低功耗、自组网的zigbee无线传感网络技术的发展，无线联网越来越成为智能家庭监控系统部署的主流方式。而基于这两类方式部署的家庭监控系统，绝大多数是基于固定地点的守候式监控，考虑到对家庭网络的改造和部署成本，多少会留下监控盲区。为了解决这些问题，具备家居安防监控功能的家庭服务机器人因其有移动、自主、智能等特点，逐渐从实验室走入家庭，如中科院深圳先进院研制的家庭监控机器人可以自如移动，监测家中是否漏水、着火、煤气泄露等，一旦发现异常，它会主动向主人的手机发送报警短信。

但现有技术中，基于家庭服务机器人的家庭监控系统主要集中在机器人一些基本功能的实现上，考虑到复杂的工作环境和存在的技术难度，无法真正自主完成完整的家庭监控任务。这些技术难度包括：

1.当火情或可燃气泄漏发生后，机器人如何感知；

2.在复杂的家居环境下，机器人如何实现精确定位和导航；

3.在房门被关上后，机器人如何打开房门，从一个房间到另一个房间；

4.考虑到改造成本，在每个房间没有部署红外转发器的情况下，机器人如何遥控家电。

以上这些问题现有技术都无法解决，如何开发一种对既有家庭环境改造影响最小、部署容易，又能全面监控覆盖的智能家庭监控系统，是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，本发明通过家庭服务机器人和多个传感设备共同组成的无线传感网络，进行多种感知信息的融合和分析，对家庭环境和家庭设备进行更为全面的监视和控制。具体通过家庭服务机器人与其他传感设备相互配合，优势互补，一方面，家庭服务机器人监控其他传感设备无法覆盖的区域或设备，另一方面，其他传感设备为家庭服务机器人辅助导航，并监控家庭服务机器人无法到达或控制的区域或设备。本发明实现了对家庭环境的监测和家庭设备的监控，家庭安全防护包括视频监控、防火、防盗、防气体泄漏、防水泄漏的报警和监测与控制；家电控制与监测包括空调、冰箱温度的调节与控制、电视的控制、录像设备的控制、窗帘的开合和灯光控制。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，包括：远程监控终端、无线传感控制设备和家庭服务机器人；

所述远程监控终端通过网络与所述家庭服务机器人和所述无线传感控制设备进行通讯；所述远程监控终端远程操控所述家庭服务机器人对家庭环境全方位视频监控，并控制所述家庭服务机器人移动到目标区域采集数据或控制设备，以及操控所述家庭服务机器人的监视角度；所述远程监控终端还远程监测所述无线传感控制设备所采集的数据，并操控所述无线传感控制设备执行动作；

所述无线传感控制设备包括：无线开关、无线插座、无线智能锁、无线声光报警器、无线阀门机械手、无线门、窗磁感应器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、无线温度湿度传感器和无线漏水传感器；所述无线传感控制设备中的设备相互之间，以及所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人之间，通过无线Zigbee协议互联，自组织组网进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人共同构建起室内无线传感网络，负责监测收集家庭各类环境数据，遇到紧急情况时联动执行应急动作，并上报告警信息给所述远程监控终端；在房间的天花板上设有所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器；在室内的进水管道阀门和可燃气管道阀门分别部署所述无线阀门机械手；所述无线烟雾探测器、所述无线可燃气泄露探测器和所述无线阀门机械手内设有支持Zigbee协议的无线收发芯片。

优选的，所述家庭服务机器人包括核心控制装置、底盘移动装置和感知执行装置，所述核心控制装置通过CAN总线分别与所述底盘移动装置和所述感知执行装置相连接，获取机器人自身运动状态，感知外部环境信息，控制底盘移动装置的运动。

更加优选的，所述核心控制装置，是一个智能嵌入式系统，由Web服务器、视频服务器、规划决策与调度控制模块、地图构建与定位导航模块、无线传感器网络接入模块和远程通信接入模块组成；对外通过WLAN接入家庭路由器，或直接通过远程无线通信协议与外部网络相连，对内通过Zigbee协议与所述无线传感控制设备相连。

更加优选的，所述底盘移动装置包括运动控制器、调速电机、红外避障传感器、陀螺仪、加速度计和激光雷达，所述运动控制器与所述调速电机相连，所述运动控制器接收来自核心控制装置的命令，将规划决策和调度控制指令转变为期望的机械运动；所述红外避障传感器、所述陀螺仪、所述加速度计和所述激光雷达共同组成家庭服务机器人的位姿感应系统，实时监测机器人的自身状态，并通过CAN总线反馈给所述核心控制装置。

更加优选的，所述底盘移动装置内部还包括一块充电电池；所述充电电池通过内部电源线与所述核心控制装置、所述感知控制装置和所述底盘移动装置相连接，提供电能。

更加优选的，所述底盘移动装置的下方设有四个轮子，包括两个驱动轮和两个万向随动轮；两个所述驱动轮布置在底盘的左右两侧，两个所述万向随动轮布置在底盘的前后两侧；所述底盘移动装置外部结构为一个圆形，两个所述驱动轮的轴线通过圆心。

更加优选的，所述感知执行装置包括云台、摄像头、话筒、扬声器、温度传感器、湿度传感器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、学习型遥控器、电磁吸盘、开关门执行机构、自动充电执行机构，所述家庭服务机器人的主动控制视觉系统由所述云台和所述摄像头组成，所述摄像头的角度通过云台调整，所述主动控制视觉系统部署在所述家庭服务机器人的头部，实现左右旋转、上下旋转以及图像传感器的变焦和聚焦；所述家庭服务机器人的语音交互系统由所述话筒、所述扬声器和语音识别及合成处理器组成，通过语音与所述家庭服务机器人实现人机交互，以及对家电的控制和家庭环境的监测；所述语音识别及合成处理器含有一颗DSP芯片，对内通过IIC总线与所述核心控制装置相连，对外通过音频输入接口与所述话筒相连，通过语音线路输出接口与所述扬声器相连。

更加优选的，所述家庭服务机器人在底盘前端设有开关门执行机构和所述电磁吸盘，所述开关门执行机构由一个半圆弧形电动导轨和一个可伸缩的电动推杆组成，控制所述电磁吸盘在所述底盘前端正负90度范围摆动，所述家庭服务机器人通过所述开关门执行机构和所述电磁吸盘自主打开房门，在房门被锁时，通过所述无线传感控制设备中的所述无线智能锁进行解锁；所述家庭服务机器人通过所述激光雷达和由所述无线传感控制设备组成的无线传感网络完成定位、导航，并通过所述红外避障传感器避障；所述家庭服务机器人通过所述学习型遥控器实现对家电的控制；所述家庭服务机器人在电池电量低时，自动寻找充电座，并通过所述自动充电执行机构与充电座连接进行自主充电。

更加优选的，所述自动充电执行机构包括电池电压监测模块、充电连接监测模块和直流电极连接簧片；所述电池电压监测模块在电池电量低时，反馈给所述核心控制装置，所述核心控制装置通过控制所述底盘移动装置，自动导航趋近充电座，并通过所述直流电极连接簧片与所述充电座连接进行自主充电。

更加优选的，所述家庭服务机器人还包括探测系统，所述探测系统包括所述温度传感器、所述湿度传感器、所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器，所述家庭服务机器人通过与所述无线传感控制设备中的所述无线温度传感器、所述无线温度传感器、所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器进行交互，扩大所述家庭服务机器人的感知范围；所述家庭服务机器人通过自身探测系统对家居环境的温度、湿度、以及烟雾、可燃气泄漏进行定期巡检或针对性监测。

其中，所述Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的近距离无线组网通讯技术。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络；其特点是低功耗、低成本、高数据速率、近距离、低复杂度、自组织、支持大量节点、支持多种网络拓扑、快速、安全和可靠。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，ZigBee网络中的设备可分为协调器、汇聚节点、传感器节点等三种角色。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.所述智能家庭监控系统通过家庭服务机器人实现对家庭环境的定期巡检和对异常目标区的针对性监控；所述智能家庭监控系统通过无线传感控制设备实现对家庭环境的定点监控；所述智能家庭监控系统中的机器人或无线传感控制设备在监测到异常、紧急情况发生时，比如门窗被非法打开、可燃气泄漏、发生火灾、水溢等，会自动通知有执行能力的无线传感控制设备进行联动，关闭电源和阀门，并触发声光报警，同时上报告警给远程监控终端；所述智能家庭监控系统的任何设备只要监测到异常情况，都会联动通知家庭服务机器人前往事故现场，进行拍照和录像，供远程监控终端访问。

2.本发明采用固定、移动相融合的方式，实现对家庭环境更为全面有效的监控。包括对火警的监测，因为烟雾通常会向上对流集聚，机器人位置低，无法及时探测到，只有布置在目标区天花板上的烟雾传感器才能发挥作用。而对于视频监控，机器人可以移动到每个房间，实现全覆盖监控，而无需在各个房间安装摄像头。

3.本发明实现的无线传感网络辅助家庭服务机器人自主导航技术，定位精度更高，可靠性好，任务执行效率高，可以更为有效地完成自主开关门、自主充电、智能移动监控等任务。

4.本发明实现了无手臂轮式机器人开门或关门，进而实现室内机器人跨房间无障碍监控，实用性好。

5.本发明实现了移动式万能遥控器，无需在每个房间安装红外转发器，就可以实现对传统非智能家电(如电视、空调、冰箱、DVD机和电动窗帘)以及智能家电的统一遥控。

附图说明

图1示例性的示出了本发明一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统的架构示意图；

图2示例性的示出了本发明的无线传感网络辅助家庭服务机器人自主定位与导航算法的流程示意图；

图3示例性的示出了本发明家庭服务机器人的开关门执行机构结构示意图；

图4示例性的示出了本发明的家庭服务机器人开门或关门的流程示意图；

图5示例性的示出了本发明的无线传感器部署和导航、避障、开门过程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明所解决的技术问题、所提供的技术方案，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明的实施，但并不用于限定本发明。

在优选的实施例中，图1示例性的示出了本发明一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统的架构示意图，本发明由一个家庭服务机器人，多个无线传感控制设备，一个或多个远程监控终端(如智能手机、PAD或PC机)组成；

所述远程监控终端通过网络与所述家庭服务机器人和所述无线传感控制设备进行通讯；所述远程监控终端远程操控所述家庭服务机器人对家庭环境全方位视频监控，并控制所述家庭服务机器人移动到目标区域采集数据或控制设备，以及操控所述家庭服务机器人的监视角度；所述远程监控终端还远程监测所述无线传感控制设备所采集的数据，并操控所述无线传感控制设备执行动作；

所述无线传感控制设备包括：无线开关、无线插座、无线智能锁、无线声光报警器、无线阀门机械手、无线门、窗磁感应器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、无线温度湿度传感器和无线漏水传感器；所述无线传感控制设备中的设备相互之间，以及所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人之间，通过无线Zigbee协议互联，自组织组网进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人共同构建起室内无线传感网络，负责监测收集家庭各类环境数据，遇到紧急情况时联动执行应急动作，并上报告警信息给所述远程监控终端；所述无线温度湿度传感器、无线烟雾可燃气泄露探测器是无线传感网络中的传感器，与机器人本体中的温度湿度传感器、烟雾可燃气泄露探测器通过无线传感网交换信息，形成互补，可扩大机器人的感知范围。考虑到烟雾、气体等通常会向上对流集聚，机器人位置低，无法及时探测到，在房间的天花板上设有所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器，这样可以更加有效地对家居环境的温度、湿度、以及烟雾、可燃气泄漏进行监测。在室内的进水管道阀门和可燃气管道阀门分别部署所述无线阀门机械手；所述无线烟雾探测器、所述无线可燃气泄露探测器和所述无线阀门机械手内设有支持Zigbee协议的无线收发芯片，负责与其他无线传感控制设备和家庭服务机器人进行无线通信。例如，所述无线阀门机械手和所述无线可燃气泄露探测器实现联动，当无线可燃气泄露探测器探测到可燃气浓度超标后，会直接通过Zigbee协议与安装在可燃气管道阀门上的无线阀门机械手进行通信，触发其动作，关闭可燃气管道阀门。

在更加优选的实施例中，所述家庭服务机器人包括核心控制装置、底盘移动装置和感知执行装置，所述核心控制装置通过CAN总线分别与所述底盘移动装置和所述感知执行装置相连接，获取机器人自身运动状态，感知外部环境信息，控制底盘移动装置的运动。

在更加优选的实施例中，所述核心控制装置，是一个智能嵌入式系统，由Web服务器、视频服务器、规划决策与调度控制模块、地图构建与定位导航模块、无线传感器网络接入模块和远程通信接入模块组成；所述核心控制装置是还具备家庭网关功能，对外可通过WLAN接入家庭路由器，或直接通过3G等无线通信协议与Internet相连，对内使用Zigbee协议与其他无线传感控制设备相连。

在更加优选的实施例中，所述底盘移动装置包括运动控制器、调速电机、红外避障传感器、陀螺仪、加速度计和激光雷达，所述运动控制器与所述调速电机相连，所述运动控制器接收来自核心控制装置的命令，将规划决策和调度控制指令转变为期望的机械运动；所述红外避障传感器、所述陀螺仪、所述加速度计和所述激光雷达共同组成家庭服务机器人的位姿感应系统，实时监测机器人的自身状态，并通过CAN总线反馈给所述核心控制装置；

在更加优选的实施例中，所述底盘移动装置内部还包括一块充电电池；所述充电电池通过内部电源线与所述核心控制装置、所述感知控制装置和所述底盘移动装置相连接，提供电能。

在更加优选的实施例中，如图3所示，所述底盘移动装置的下方设有四个个轮子(如图3标号①②③④所示)，包括两个驱动轮和两个万向随动轮；两个所述驱动轮布置在底盘的左右两侧，两个所述万向随动轮布置在底盘的前后两侧；所述底盘移动装置外部结构为一个圆形，两个所述驱动轮的轴线通过圆心。这种结构能实现原地零半径转向而不发生位移，运动更灵活。

在更加优选的实施例中，所述感知执行装置包括云台、摄像头、话筒、扬声器、温度传感器、湿度传感器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、学习型遥控器、电磁吸盘、开关门执行机构、自动充电执行机构，所述家庭服务机器人的主动控制视觉系统由所述云台和所述摄像头组成，所述摄像头的角度通过云台调整，所述主动控制视觉系统部署在所述家庭服务机器人的头部，实现左右旋转、上下旋转以及图像传感器的变焦和聚焦；所述家庭服务机器人的语音交互系统由所述话筒、所述扬声器和语音识别及合成处理器组成，通过语音与所述家庭服务机器人实现人机交互，以及对家电的控制和家庭环境的监测；所述语音识别及合成处理器含有一颗DSP芯片，对内通过IIC总线与所述核心控制装置相连，对外通过音频输入接口与所述话筒相连，通过语音线路输出接口与所述扬声器相连。

在更加优选的实施例中，所述家庭服务机器人还包括探测系统，所述探测系统包括所述温度传感器、所述湿度传感器、无线烟雾探测器和无线可燃气泄露探测器，所述家庭服务机器人通过与所述无线传感控制设备中的所述无线温度传感器、所述无线温度传感器、所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器进行交互，扩大所述家庭服务机器人的感知范围；所述家庭服务机器人通过自身的探测系统对家居环境的温度、湿度、以及烟雾、可燃气泄漏进行定期巡检或针对性监测。

在更加优选的实施例中，所述家庭服务机器人在底盘前端还设有开关门执行机构和所述电磁吸盘(如图3标号⑦所示)，所述开关门执行机构由一个半圆弧形电动导轨(如图3标号⑤所示)和一个可伸缩的电动推杆(如图3标号⑥所示)组成，控制所述电磁吸盘在所述底盘前端正负90度范围摆动，所述家庭服务机器人通过所述开关门执行机构和所述电磁吸盘自主打开房门，在房门被锁时，通过所述无线传感控制设备中的所述无线智能锁进行解锁；所述家庭服务机器人通过所述激光雷达和由所述无线传感控制设备组成的无线传感网络完成定位、导航，并通过所述红外避障传感器避障；所述家庭服务机器人通过所述学习型遥控器实现对家电的控制；所述家庭服务机器人在电池电量低时，自动寻找充电座，并通过所述自动充电执行机构与充电座连接进行自主充电。

在更加优选的实施例中，所述自动充电执行机构包括电池电压监测模块、充电连接监测模块和直流电极连接簧片；所述电池电压监测模块在电池电量低时，反馈给所述核心控制装置，所述核心控制装置通过控制所述底盘移动装置，自动导航趋近充电座，并通过所述直流电极连接簧片与所述充电座连接进行自主充电。

具体实施例：

所述智能家庭监控系统通过家庭服务机器人实现对家庭环境的定期巡检和对异常目标区的针对性监控。所述智能家庭监控系统通过无线传感控制设备实现对家庭环境的定点监控。所述智能家庭监控系统中的机器人或无线传感控制设备在监测到异常、紧急情况发生时，比如门窗被非法打开、可燃气泄漏、发生火灾、水溢等，会自动通知有执行能力的无线传感控制设备进行联动，关闭电源和阀门，并触发声光报警，同时上报告警给远程监控终端。所述智能家庭监控系统的任何设备只要监测到异常情况，都会联动通知家庭服务机器人前往事故现场，进行拍照和录像，供远程监控终端访问。

如图2所示，本发明所述无线传感网络辅助家庭服务机器人自主定位与导航技术，实施过程如下：

首先，在室内各个房间需要的位置布置好相应的无线传感控制设备，构建家庭无线传感网络。这里的无线传感控制设备包括但不限于：无线开关或插座、无线智能锁、无线声光报警器、无线阀门机械手、无线门、窗磁感应器、无线烟雾可燃气泄露探测器、无线温度湿度传感器和无线漏水传感器。

本系统开始工作前，为保证家庭服务机器人的定位精度，需要控制机器人构建起初步的室内Zigbee信号特征数据库。为此，选择以充电座、客厅中央、进户门或任何其他易测量的位置作为原点建立家庭平面坐标系。

建立室内Zigbee信号特征数据库步骤如下：

1.在室内各个房间均匀选择几个机器人容易到达的位置，测量出相对坐标原点的位置。

2.控制机器人在选好的位置自动采样Zigbee信号，建立该位置与各无线传感设备节点RSSI(接收的信号强度指示)或LQI(链路质量指示)指标值的对应关系，构建好初步的室内Zigbee信号特征数据库。

在构建Zigbee无线信号特征数据库时，尽量将一些特征点和关键点加入，如门型区域点、坐标原点、充电座位置点。

当Zigbee无线信号特征数据库建立完毕后，机器人即可开始工作。本发明的创新之处在于：在后续工作过程中，所述家庭服务机器人通过激光雷达扫描获取环境的线段特征，通过无线传感网络采集各个无线传感设备的Zigbee信号特征数据，基于EKF(扩展卡尔曼滤波)的即时定位与地图构建(SLAM)算法，逐步构建起室内全局线段特征地图和Zigbee信号特征数据库，同时完成自身的定位和导航，算法实现过程如下：

①开始工作时，全局线段特征地图初始化为空，EKF初始估计状态为当前Zigbee信号测量得到的位置。当判断到全局特征地图尚未建立时，控制激光雷达360度扫描当前房间，提取周围环境的线段特征，加入全局地图。

②机器人在导航过程中，取上一次计算的最优位姿作为EKF初始估计状态。通过所采集的Zigbee信号数据查询无线信号特征数据库，获取当前位置，作为一个控制量加入EKF预测过程。

③激光雷达通过扫描前方环境，提取局部线段特征数据，并与全局线段特征数据相比较。若符合线段匹配规则，则完成定位，获得机器人当前位姿的测量值。若不符合，将新的特征线段加入全局特征线段地图，测量值直接取第2步所得的预测值。

④结合第2步预测值和第3步的测量值，计算得到卡尔曼增益，获取机器人的当前位姿的最优化估算值，完成定位。

⑤使用当前位姿的最优化估算值，将校正后的局部线段特征数据更新到全局线段特征地图。

⑥使用当前位姿的最优化估算值更新Zigbee无线信号特征数据库。

⑦重复执行第2步到第6步的过程。

本发明中，家庭服务机器人在遇到障碍时，激光雷达会提前识别，触发避障行为。在避障过程中发现的新的线段特征，则记录到临时特征数据库，如果后面连续3次存在，则加入全局地图，避免虚假特征导致地图信息的大规模膨胀。

本发明的创新之处在于：所述家庭服务机器人通过激光雷达扫描获取环境的线段特征后，在构建全局线段特征地图时，地图数据包括普通线段特征、门型特征和激光条形码三类，家庭服务机器人会自动识别门型特征和贴有激光条形码的电磁门吸吸板和充电座，并做特殊记录。在需要时，通过激光雷达实现目标精确定位和趋近。

本发明的创新之处在于：家庭服务机器人使用无线传感网络定位，不是利用RSSI或LQI进行三边或三角测距定位，这种方法因无线信号受室内多径效应以及在室内环境中路径损耗模型描述而不准确，导致定位精度不高。而是在基于上述通过人工干预方式建立的室内Zigbee信号特征数据库的基础上，家庭服务机器人会自动按照室内均匀分布和最大采样点数两个维度做控制，补采信标数据，建立起完整的室内Zigbee信号特征数据库，从而提供更高的定位精度。

本发明的创新之处在于：家庭服务机器人使用Zigbee无线信号特征数据库定位时，计算测得的各个无线传感器的RSSI或LQI值与数据库中信标数据的均方差，取均方差最小的信标节点坐标作为机器人的位置。

如图4所示，本发明的创新之处在于：所述家庭服务机器人通过开关门执行机构和电磁吸盘自主打开房门，若房门被锁，可通过无线智能锁解锁。所述无手臂轮式机器人开门或关门的实施过程如下：

1)首先，在每个房门两侧的门扇下角固定大小约6cm×4cm长方形电磁门吸吸板，在吸板上方贴好激光条形码。如果原来有门吸吸板，则可直接利用。

2)本发明的创新之处在于：在机器人核心控制系统中建立起条形码与门型(合页门还是滑轨门)、开门方向(向后还是向前，向左还是向右)的数据映射关系。

当机器人在到达门型区域识别范围后，通过激光雷达进行扫描测量。经过对测量的线段特征进行分析，若判别可通过，则通过避障和导航相结合的方式，穿门通过；

如果判别不可通过，机器人通过激光雷达扫描门吸吸板上方的激光条形码，精确定位门吸吸板并逐渐趋近，当距离快要接近0时，停止前进。

3)机器人通过扫描所获得的激光条形码，会识别出当前门是合页门还是滑轨门，识别出开门的方向。同时，识别出当前门的无线智能锁状态是否处于解锁状态。

如果当前门的无线智能锁处于锁定状态，机器人通过无线传感网络给无线智能锁设备发送解锁信号，进行解锁。

若当前门是合页门，则接下来，机器人对合页门的开门过程如下：

1.直接给电磁吸盘通电，同时通过电动推杆带动电磁吸盘逐渐逼近门吸吸板，直至与门吸吸板紧紧吸合。

2.如果是开门方向是向后，机器人带动合页门以门轴为圆心，以门宽为半径向后做圆弧运动。如果开门方向是向前，机器人带动合页门以门轴为圆心，以门宽为半径向前做圆弧运动。

3.在开门过程中，通过惯性导航传感器计算移动的距离，如果门被打开的范围超过机器人本体宽度后，则停止运动，同时切断电磁吸盘电源，收回电动推杆和电磁吸盘。

4.控制本体朝向背离门轴的方向原地旋转90度，然后前进一个本体身位，与合页门脱离接触。

5.通过激光雷达和无线传感网络重新定位，获取当前的位姿，转入正常的导航、避障过程。

若当前门是滑轨门，则接下来，机器人对滑轨门的开门过程如下：

⑴如果是开门方向是向左，控制本体原地朝向开门的方向向左旋转90度。如果开门方向是向右，控制本体原地朝向开门的方向向右旋转90度。

⑵通过半圆弧形电动导轨，将电动推杆和电磁吸盘以与本体旋转方向相反的方向旋转90度，使电磁吸盘靠近门吸吸板。

⑶给电磁吸盘通电，同时通过电动推杆带动电磁吸盘逐渐逼近门吸吸板，直至与门吸吸板紧紧吸合。

⑷机器人带动滑轨门向前运动。

⑸在开门过程中，通过惯性导航传感器计算移动的距离，如果门被打开的范围超过机器人本体宽度后，则停止运动，同时切断电磁吸盘电源，收回电动推杆和电磁吸盘，并还原电动导轨至0度位置。

⑹原地向相反方向旋转180度后，然后前进一个本体身位，与滑轨门脱离接触。

⑺通过激光雷达和无线传感网络重新定位，获取当前的位姿，转入正常的导航、避障过程。

如上所述是开门过程，本发明中，机器人关门是开门的逆过程，通过开关门执行机构和电磁吸盘的配合，可顺利实现关门动作，本行业的技术人员应该明白，在此不再描述。

如图5所示，本发明以家庭服务机器人从卧室到厨房进行视频监控为例，说明本发明中机器人自主导航、避障、开门，以及与远端监控设备配合执行任务的实现过程。图中不失一般性，①②③④⑤⑥⑦是部署在室内各个房间的无线传感控制设备，分别是进户门无线门磁感应器、卧室1无线门磁感应器、卧室2无线窗磁感应器、卧室2无线智能锁、客厅无线插座、厨房无线烟雾可燃气泄露探测器、卫生间无线漏水传感器。⑧为家庭服务机器人，⑨为充电座。①②③④⑤⑥⑦和⑧共同组成了家庭无线传感网络。

依据此示意场景，家庭主人通过远程智能监控终端，向家庭服务机器人下达了到厨房进行视频监控的任务，完整的实现过程如下：

(一)机器人收到任务之后，首先通过激光雷达和无线传感网络，确定自己当前位姿。

(二)通过核心控制系统查询，确定好厨房这个目标区域特征点所在的坐标位置。

(三)通过搜索前期构建地图过程中所积累的关键点、特征点位置，经过最短路径搜索算法计算出从当前位置到目标区域的所要经过的节点，构造出任务执行路径拓扑图，如图5中A、B、C、D、E所示。实心★表示路径搜索时所规划的关键节点，空心☆表示避障过程中临时加入的节点。

(四)机器人导航任务按照导航路径规划分别拆分成一个个子任务，第一个子任务就是通过A路径，从起始位置到卧室2门的中心点。

(五)执行这个任务过程中，最短直线距离会被床挡住。机器人在导航过程中，接近床这个障碍物时，会优先执行避障过程。

(六)机器人融合红外避障传感器、激光雷达以及无线传感网络所采集的信息，完成整个避障过程。

(七)机器人在避障完成后，判别此处障碍物是否连续三次出现，若是，则将当前所采集的特征线段加入到全局线段特征地图中。同时，机器人以新的位置为起始节点，重新计算到本子任务目标节点的路径，即B路径，然后调整位姿，继续前进。

(八)当到达卧室2的门型区域识别范围后，机器人首先通过激光雷达扫描判别是否可以穿门通过，若否，则进入合页门的解锁、开门过程，如前文所述。

(九)通过卧室2门后，就进入下一个子任务，即路径C的导航过程，下一个节点是走廊型区域的中心点。

(十)机器人调整位姿，路径C没有障碍物，直线通过，进入下一个子任务，即路径D的导航过程，下一个节点厨房门的中心点。

(十一)路径D上也没有障碍物，直接到达厨房门附近。当到达厨房的门型区域识别范围后，机器人首先通过激光雷达扫描判别是否可以穿门通过，若否，则进入滑轨门的解锁、开门过程，如前文所述。

(十二)通过厨房门后，就进入最后一个子任务，即路径E的导航过程，目标节点就是厨房要监控的特征位置。

(十三)机器人调整位姿，此路径也没有障碍，直线抵达目标区域，然后向远程监控终端报告本次导航任务结束。

(十四)在整个导航过程中，家庭主人可以通过监控终端客户端软件，远程访问机器人上的视频服务器，监控整个导航过程和沿途环境。

(十五)到达目标区域后，家庭主人可以通过监控终端远程控制机器人上的云台，必要时还可以遥控机器人前进、后退、转身，从不同角度，全方位监控目标环境。

另外，本发明的创新之处在于：本发明所述家庭服务机器人通过事先学习各类家电遥控器的无线电或红外控制信号，可以在任意房间遥控家电，实施过程如下：

a.通过学习型遥控器模块，学习各类家电遥控器的无线电或红外控制信号，存储到记忆芯片。

b.机器人通过Zigbee无线传感网络接入模块控制无线插座或智能开关对被控家电通电或断电。

c.当被控家电通电后，机器人就可通过学习型遥控器选择该被控设备，进行遥控。

d.如果机器人不在被遥控家电的房间，则会自主导航来到该房间，通过学习型遥控器控制家电。这样，无需在各个房间安装红外转发器，真正实现一台遥控器对家电的统一控制。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的基本原理之内，所作的任何修改、组合及等同替换等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，包括：远程监控终端、无线传感控制设备和家庭服务机器人；

所述远程监控终端通过网络与所述家庭服务机器人和所述无线传感控制设备进行通讯；所述远程监控终端远程操控所述家庭服务机器人对家庭环境全方位视频监控，并控制所述家庭服务机器人移动到目标区域采集数据或控制设备，以及操控所述家庭服务机器人的监视角度；所述远程监控终端还远程监测所述无线传感控制设备所采集的数据，并操控所述无线传感控制设备执行动作；

所述无线传感控制设备包括：无线开关、无线插座、无线智能锁、无线声光报警器、无线阀门机械手、无线门、窗磁感应器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、无线温度湿度传感器和无线漏水传感器；所述无线传感控制设备中的设备相互之间，以及所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人之间，通过无线Zigbee协议互联，自组织组网进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；所述无线传感控制设备与所述家庭服务机器人共同构建起室内无线传感网络，负责监测收集家庭各类环境数据，遇到紧急情况时联动执行应急动作，并上报告警信息给所述远程监控终端；在房间的天花板上设有所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器；在室内的进水管道阀门和可燃气管道阀门分别部署所述无线阀门机械手；所述无线烟雾探测器、所述无线可燃气泄露探测器和所述无线阀门机械手内设有支持Zigbee协议的无线收发芯片；

所述家庭服务机器人包括核心控制装置、底盘移动装置和感知执行装置，所述核心控制装置通过CAN总线分别与所述底盘移动装置和所述感知执行装置相连接，获取机器人自身运动状态，感知外部环境信息，控制底盘移动装置的运动；

所述核心控制装置为一个智能嵌入式系统，由Web服务器、视频服务器、规划决策与调度控制模块、地图构建与定位导航模块、无线传感器网络接入模块和远程通信接入模块组成；对外通过WLAN接入家庭路由器，或直接通过远程无线通信协议与外部网络相连，对内通过Zigbee协议与所述无线传感控制设备相连。

2.根据权利要求1所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述底盘移动装置包括运动控制器、调速电机、红外避障传感器、陀螺仪、加速度计和激光雷达，所述运动控制器与所述调速电机相连，所述运动控制器接收来自核心控制装置的命令，将规划决策和调度控制指令转变为期望的机械运动；所述红外避障传感器、所述陀螺仪、所述加速度计和所述激光雷达共同组成家庭服务机器人的位姿感应系统，实时监测机器人的自身状态，并通过CAN总线反馈给所述核心控制装置。

3.根据权利要求1或2所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述底盘移动装置内部还包括一块充电电池；所述充电电池通过内部电源线与所述核心控制装置、所述感知控制装置和所述底盘移动装置相连接，提供电能。

4.根据权利要求1或2所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述底盘移动装置的下方设有四个轮子，包括两个驱动轮和两个万向随动轮；两个所述驱动轮布置在底盘的左右两侧，两个所述万向随动轮布置在底盘的前后两侧；所述底盘移动装置外部结构为一个圆形，两个所述驱动轮的轴线通过圆心。

5.根据权利要求1所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述感知执行装置包括云台、摄像头、话筒、扬声器、温度传感器、湿度传感器、无线烟雾探测器、无线可燃气泄露探测器、学习型遥控器、电磁吸盘、开关门执行机构、自动充电执行机构，所述家庭服务机器人的主动控制视觉系统由所述云台和所述摄像头组成，所述摄像头的角度通过云台调整，所述主动控制视觉系统部署在所述家庭服务机器人的头部，实现左右旋转、上下旋转以及图像传感器的变焦和聚焦；所述家庭服务机器人的语音交互系统由所述话筒、所述扬声器和语音识别及合成处理器组成，通过语音与所述家庭服务机器人实现人机交互，以及对家电的控制和家庭环境的监测；所述语音识别及合成处理器含有一颗DSP芯片，对内通过IIC总线与所述核心控制装置相连，对外通过音频输入接口与所述话筒相连，通过语音线路输出接口与所述扬声器相连。

6.根据权利要求5所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述家庭服务机器人在底盘前端设有开关门执行机构和所述电磁吸盘，所述开关门执行机构由一个半圆弧形电动导轨和一个可伸缩的电动推杆组成，控制所述电磁吸盘在所述底盘前端正负90度范围摆动，所述家庭服务机器人通过所述开关门执行机构和所述电磁吸盘自主打开房门，在房门被锁时，通过所述无线传感控制设备中的所述无线智能锁进行解锁；所述家庭服务机器人通过激光雷达和由所述无线传感控制设备组成的无线传感网络完成定位、导航，并通过红外避障传感器避障；所述家庭服务机器人通过所述学习型遥控器实现对家电的控制；所述家庭服务机器人在电池电量低时，自动寻找充电座，并通过所述自动充电执行机构与充电座连接进行自主充电。

7.根据权利要求5所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述自动充电执行机构包括电池电压监测模块、充电连接监测模块和直流电极连接簧片；所述电池电压监测模块在电池电量低时，反馈给所述核心控制装置，所述核心控制装置通过控制所述底盘移动装置，自动导航趋近充电座，并通过所述直流电极连接簧片与所述充电座连接进行自主充电。

8.根据权利要求1所述的基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统，其特征在于，所述家庭服务机器人还包括探测系统，所述探测系统包括所述温度传感器、所述湿度传感器、所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器，所述家庭服务机器人通过与所述无线传感控制设备中的所述无线温度传感器、所述无线温度传感器、所述无线烟雾探测器和所述无线可燃气泄露探测器进行交互，扩大所述家庭服务机器人的感知范围；所述家庭服务机器人通过自身的探测系统对家居环境的温度、湿度、以及烟雾、可燃气泄漏进行定期巡检或针对性监测。