CN104007765B - 扫地机器人避障、定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫地机器人避障、定位系统及方法，碰撞检测由九段组成，方向检测组件为三轴磁阻传感器，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。距离检测组件包括多极磁环（16）和霍尔传感器（17），多极磁环（16）外壁上包覆有磁屏蔽层（18）。本发明将扫地机器人半圆形前罩分割成九段进行碰撞检测，可准确、具体地识别碰撞方位。采用三轴磁阻传感器实现方向检测，结构简单、成本低廉，且通过磁屏蔽组件紧罩住马达，进一步降低了马达的漏磁干扰。采用霍尔传感器配合万向轮实现测距，结构简单且成本低，采取严格的磁屏蔽处理，有效避免马达的漏磁干扰，多极磁环磁屏蔽层还可将多极磁环上产生的磁场约束在霍尔传感器检测的径向范围内，测距准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及智能清洁机器人领域，特别是涉及一种扫地机器人避障、定位系统及方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，智能家用电器的应用越来越广泛，而且具有非常广阔的市场前景。扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘器、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。扫地机器人最早在欧美市场进行销售，随着国内生活水平的提高，逐步进入中国市场。
现有扫地机器人的工作方式主要分为两类：定位引擎和随机碰撞：
(一)定位引擎可分为：偏移检测式定位引擎和边界扫描式定位引擎：
1)偏移检测式定位引擎：美国Evolution公司的NorthStar北极星室内定位系统；
2)边界扫描式定位引擎：韩国Samsung、LG公司为代表的高清摄像头和NeatoXV-11的RPS激光绘图。
基于定位引擎的产品技术门槛较高，特别是对定位系统的硬件检测精度有着较为严格的要求，成本较高，所以目前国产扫地机器人产品中暂时还没有搭载定位引擎的高端产品问世。
(二)随机碰撞
目前国内扫地机器人产品常用的避障机制是随机碰撞，随机碰撞式扫地机器人在发生碰撞后以随机角度转向，无法做出智能转向判断，因此存在重复清洁、清洁覆盖率低、清洁效率低下等缺点。
现有随机碰撞扫地机器人前障探测采用的是红外加前杠碰撞装置，以感应前方障碍物，为机器的转向提供依据。
A.红外检测方式的缺陷：现有扫地机器人前撞红外检测都采用3段式（左、中、右）红外结构，由于红外的发射及接收都具有很强的方向性，因此：
a)红外探测的角度很受限制：在红外探测夹角内，体积较大、反射能力较强的物体能被检测到，但是对于体积较小的小物体（如桌椅的腿等）一般探测不到，透明的玻璃门、玻璃鱼缸等也无法有效检测；
b)红外探测的方位很受限制：探测到前方障碍物时，仅能知道障碍物位于机器人的左边、中间还是右边，对于障碍物相对方位的检测不够具体；
c)对窗帘、下垂的床单常误判。
B.前杠碰撞装置的缺陷：由于采用的是一整块碰撞装置，仅能识别是左侧或右侧发生碰撞，无法准确有效地提供碰撞方位角，且对正前方的障碍物经常出现误判。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可准确检测障碍物碰撞方位的扫地机器人避障、定位系统及方法，将扫地机器人半圆形前罩分割成九段碰撞检测单元，通过读取每个碰撞检测单元的信号，准确、具体地识别碰撞方位；通过万向轮实现测距，且采取严格的磁屏蔽处理，避免马达的漏磁干扰，避障、定位准确度高，且成本较低。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：扫地机器人避障、定位系统，它包括碰撞检测组件、方向检测组件、距离检测组件、沿墙检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件，碰撞检测组件、方向检测组件、距离检测组件和沿墙检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。
所述的碰撞检测组件设置于扫地机器人前端，由至少三个碰撞检测单元组成，每个碰撞检测单元包括弧形活动罩和与弧形活动罩相配合的固定检测器，各碰撞检测单元的弧形活动罩组合构成扫地机器人前端的半圆形前罩。
所述的碰撞检测单元设置有九个，各碰撞检测单元之间的夹角为20°，九个碰撞检测单元的九段弧形活动罩组合构成扫地机器人前端的半圆形前罩。
所述的碰撞检测单元为轻触开关，轻触开关固定安装在塑胶基座上，轻触开关与弧形活动罩之间通过弹簧连接，弧形活动罩与塑胶基座之间的间隙中填充有防潮海绵层。
所述的碰撞检测单元为叉指电容，包括叉指电容PCBlayout层、PCB绝缘层和塑胶件，塑胶件的外侧设置有防损硅胶条，塑胶件的内侧设有金属镀层，金属镀层与叉指电容PCBlayout层之间填充有弹性防潮海绵层，叉指电容PCBlayout层的内侧依次设置有PCB绝缘层和反面屏蔽层。
所述的方向检测组件为三轴磁阻传感器；所述的行走驱动组件包括多个马达，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。通过对马达的磁屏蔽，阻止马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器产生影响。进一步地，三轴磁阻传感器将远离干扰源安装在扫地机器人上壳中心位置上。
所述的距离检测组件设置于万向轮上，包括设置于万向轮中轴上的多极磁环和设置于多极磁环两端的霍尔传感器，多极磁环的外壁上包覆有磁屏蔽层。
所述的沿墙检测组件设置于扫地机器人的左右两个侧边上，包括红外发射器和红外接收器，红外发射器和红外接收器分别与微控制器MCU电连接。
扫地机器人避障、定位方法，它包括以下步骤：
S1：扫地机器人在行进过程中，障碍物撞到半圆形前罩上某一段弧形活动罩上，该段弧形活动罩受压向固定检测器位移，固定检测器检测到弧形活动罩的位移，从而检测到发生碰撞的具体方位，记录碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置；
S2：微控制器MCU根据碰撞方位计算出扫地机器人的横向避障距离X0及纵向避障距离Y0；
S3：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人在纵向方向上后退距离Y0，后退的距离由距离检测组件确定；
S4：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人向左旋转90°，再横向前进距离X01；
S5：障碍物撞到与第一次碰撞的弧形活动罩相对称的弧形活动罩上，微控制器MCU继续控制扫地机器人向左旋转，直到沿墙检测组件检测到沿墙信号为止，记录扫地机器人所旋转的角度；
S6：微控制器MCU根据沿墙检测组件检测到的沿墙信号控制扫地机器人沿障碍物行走，直到沿墙信号消失为止，沿障碍物行走过程中，距离检测组件记录扫地机器人所行走的距离，即为障碍物的长度；
S7：结合扫地机器人所旋转的角度，计算出扫地机器人在横向、纵向两个方向上移动的距离，再结合碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置，计算得到避障后扫地机器人所处的坐标位置。
所述距离检测组件实现距离检测的步骤包括以下子步骤：
SS1：万向轮滚动过程中带动多极磁环在两端霍尔传感器之间滚动；
SS2：微控制器MCU根据霍尔传感器输出的信号计算出万向轮的转速；
SS3：结合万向轮的外径周长计算出扫地机器人的即时行走速度；
SS4：结合行走时间计算出扫地机器人行走的距离。
本发明的有益效果是：
1）将扫地机器人半圆形前罩分割成九段碰撞检测单元，通过读取每个碰撞检测单元的信号可准确、具体地识别碰撞方位，为机器人的智能判断及转向提供了可靠了物理依据。
2）弧形活动罩与塑胶基座，或是金属镀层与叉指电容PCBlayout层之间均设置有弹性防潮海绵层，不仅为弧形活动罩提供了复位的回弹力，而且可有效起到防潮作用，保护碰撞检测单元内部电路。
3）叉指电容PCBlayout层内侧设置有PCB绝缘层和反面屏蔽层，增加了叉指电容工作的可靠性。
4）采用三轴磁阻传感器实现方向检测，结构简单、成本低廉，且各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件，通过对马达的磁屏蔽，阻止马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器产生影响；进一步地，三轴磁阻传感器远离干扰源安装在扫地机器人上壳中心位置上，进一步降低了马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器的影响。
5）采用霍尔传感器配合万向轮实现测距，结构简单且成本较低，采取严格的磁屏蔽处理，磁屏蔽层可将多极磁环上产生的磁场约束在霍尔传感器检测的径向范围内，测距准确度高。
6）传统扫地机器人在完成随机避障后就不知道其自身所处位置了，无法实现重新定位，无法继续后续的智能控制；而本发明在避障过程中可精确识别和记录其相对避障前运动的角度和距离，从而可实现避障后的精确重新定位。
附图说明
图1为本发明系统结构示意框图；
图2为本发明碰撞检测组件结构示意图；
图3为轻触开关型碰撞检测单元结构示意图；
图4为叉指电容型碰撞检测单元结构示意图；
图5为本发明距离检测组件结构示意图；
图6为本发明沿墙检测组件结构示意图；
图7~11为本发明避障、定位过程中扫地机器人与障碍物相对位置关系示意图；
图中，1-弧形活动罩，2-固定检测器，3-套杆，4-弹簧，5-触片，6-塑胶基座，7-防潮海绵层，8-叉指电容PCBlayout层，9-PCB绝缘层，10-塑胶件，11-防损硅胶条，12-金属镀层，13-弹性防潮海绵层，14-反面屏蔽层，15-万向轮，16-多极磁环，17-霍尔传感器，18-磁屏蔽层。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，扫地机器人避障、定位系统，它包括碰撞检测组件、方向检测组件、距离检测组件、沿墙检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件，碰撞检测组件、方向检测组件、距离检测组件和沿墙检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。
所述的碰撞检测组件设置于扫地机器人前端，由至少三个碰撞检测单元组成，每个碰撞检测单元包括弧形活动罩1和与弧形活动罩1相配合的固定检测器2，各碰撞检测单元的弧形活动罩1组合构成扫地机器人前端的半圆形前罩。
如图2所示，所述的碰撞检测单元设置有九个，各碰撞检测单元之间的夹角为20°，九个碰撞检测单元的九段弧形活动罩1组合构成扫地机器人前端的半圆形前罩。
如图3所示，所述的碰撞检测单元为轻触开关，轻触开关固定安装在塑胶基座6上，轻触开关与弧形活动罩1之间通过弹簧4连接，弹簧4一端固定安装在弧形活动罩1上，另一端套接在轻触开关的套杆3上，未发生碰撞时弹簧4不对触片5产生压力；发生碰撞时，弹簧4受压，对触片5产生压力，轻触开关接通。弧形活动罩1与塑胶基座6之间的间隙中填充有防潮海绵层7。弧形活动罩1的外侧也设置有用于防磨损的硅胶条。
如图4所示，所述的碰撞检测单元为叉指电容，包括叉指电容PCBlayout层8、PCB绝缘层9和塑胶件10，塑胶件10的外侧设置有防损硅胶条11，塑胶件10的内侧设有金属镀层12，金属镀层12与叉指电容PCBlayout层8之间填充有弹性防潮海绵层13，叉指电容PCBlayout层8的内侧依次设置有PCB绝缘层9和反面屏蔽层14。
所述的方向检测组件为三轴磁阻传感器；所述的行走驱动组件包括多个马达，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。通过对马达的磁屏蔽，阻止马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器产生影响。进一步地，三轴磁阻传感器将远离干扰源安装在扫地机器人上壳中心位置上。
如图5所示，所述的距离检测组件设置于万向轮15上，包括设置于万向轮15中轴上的多极磁环16和设置于多极磁环16两端的霍尔传感器17，多极磁环16的外壁上包覆有磁屏蔽层18。
如图6所示，所述的沿墙检测组件设置于扫地机器人的左右两个侧边上，包括红外发射器和红外接收器，红外发射器和红外接收器分别与微控制器MCU电连接，红外发射器与红外接收器之间有一定夹角，红外发射器发射的红外信号经墙体或障碍物反射后，由红外接收器接收。
扫地机器人避障、定位方法，它包括以下步骤：
S1：扫地机器人在行进过程中，障碍物撞到半圆形前罩上某一段弧形活动罩1上，该段弧形活动罩1受压向固定检测器2位移，固定检测器2检测到弧形活动罩1的位移，从而检测到发生碰撞的具体方位，记录碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置；
S2：微控制器MCU根据碰撞方位计算出扫地机器人的横向避障距离X0及纵向避障距离Y0（如图7所示）；
S3：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人在纵向方向上后退距离Y0（如图8所示），后退的距离由距离检测组件确定；
S4：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人向左旋转90°（如图9所示），再横向前进距离X01（如图10所示）；
S5：障碍物撞到与第一次碰撞的弧形活动罩相对称的弧形活动罩上，微控制器MCU继续控制扫地机器人向左旋转，直到沿墙检测组件检测到沿墙信号为止，记录扫地机器人所旋转的角度（如图11所示）；
S6：微控制器MCU根据沿墙检测组件检测到的沿墙信号控制扫地机器人沿障碍物行走，直到沿墙信号消失为止，沿障碍物行走过程中，距离检测组件记录扫地机器人所行走的距离，即为障碍物的长度；
S7：结合扫地机器人所旋转的角度（即机身与东西南北方向的夹角），计算出扫地机器人在横向、纵向两个方向上移动的距离（即扫地机器人在东西方向移动的距离X1和南北方向移动的距离Y1），再结合碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置，计算得到避障后扫地机器人所处的坐标位置（如图11所示）。
所述距离检测组件实现距离检测的步骤包括以下子步骤：
SS1：万向轮15滚动过程中带动多极磁环16在两端霍尔传感器17之间滚动；
SS2：微控制器MCU根据霍尔传感器17输出的信号计算出万向轮15的转速；
SS3：结合万向轮15的外径周长计算出扫地机器人的即时行走速度；
SS4：结合行走时间计算出扫地机器人行走的距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (2)
1.扫地机器人避障、定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：扫地机器人在行进过程中，障碍物撞到半圆形前罩上某一段弧形活动罩（1）上，该段弧形活动罩（1）受压向固定检测器（2）位移，固定检测器（2）检测到弧形活动罩（1）的位移，从而检测到发生碰撞的具体方位，记录碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置；
S2：微控制器MCU根据碰撞方位计算出扫地机器人的横向避障距离X0及纵向避障距离Y0；
S3：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人在纵向方向上后退距离Y0，后退的距离由距离检测组件确定；
S4：微控制器MCU控制行走驱动组件驱动扫地机器人向左旋转90°，再横向前进距离X01；
S5：障碍物撞到与第一次碰撞的弧形活动罩相对称的弧形活动罩上，微控制器MCU继续控制扫地机器人向左旋转，直到沿墙检测组件检测到沿墙信号为止，记录扫地机器人所旋转的角度；
S6：微控制器MCU根据沿墙检测组件检测到的沿墙信号控制扫地机器人沿障碍物行走，直到沿墙信号消失为止，沿障碍物行走过程中，距离检测组件记录扫地机器人所行走的距离，即为障碍物的长度；
S7：结合扫地机器人所旋转的角度，计算出扫地机器人在横向、纵向两个方向上移动的距离，再结合碰撞时刻扫地机器人所处坐标位置，计算得到避障后扫地机器人所处的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的扫地机器人避障、定位方法，其特征在于：所述距离检测组件实现距离检测的步骤包括以下子步骤：
SS1：万向轮（15）滚动过程中带动多极磁环（16）在两端霍尔传感器（17）之间滚动；
SS2：微控制器MCU根据霍尔传感器（17）输出的信号计算出万向轮（15）的转速；
SS3：结合万向轮（15）的外径周长计算出扫地机器人的即时行走速度；
SS4：结合行走时间计算出扫地机器人行走的距离。
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