CN104162894A - 清扫机器人及清扫机器人的定位方法 - Google Patents

Abstract

一种清扫机器人及清扫机器人的定位方法，该定位方法包含以下步骤：通过一个第一定位装置发出一个具有第一发射强度的第一导引信号，通过一个第二定位装置发出一个具有第二发射强度的第二导引信号，且该第一导引信号的发射范围和该第二导引信号的发射范围交叠；该清扫机器人运动，以找寻该第一导引信号和该第二导引信号的交叠区；及该清扫机器人在位于发射范围交叠处时，根据关于该第一定位装置的一个第一定位坐标，且根据关于该第二定位装置的一个第二定位坐标，来决定该清扫机器人目前所在的定位坐标。

Description

清扫机器人及清扫机器人的定位方法

技术领域

本发明涉及一种清扫机器人，特别是涉及一种能校正定位的清扫机器人。

背景技术

现有技术中，清扫机器人通常会先对一活动空间进行环境探索，以作为后续行走于该空间的参考。例如其会先侦测活动空间范围，以获知空间内的障碍物位置和特定地标位置，如此在接下来的清扫过程中就能适时地规划路径以避开障碍物或接近地标，以及优化清扫效率行进路线。

常见环境探索的方式有两种。一种方式是清扫机器人通过一摄像装置记录行走路径景色，且同时记录清扫机器人坐标位置，然后组合行走过的景色和坐标来拼凑出整个活动空间的地图。另一种方式则为清扫机器人通过一雷射扫描装置发出固定强度的雷射光，而使障碍物反射一信号，然后根据障碍物反射信号的强度换算出与障碍物间的距离，进而获取整个活动空间的地图信息。

然而，摄像装置和雷射扫描装置都属于精密电子产品，造价不斐，尤其配置有摄像装置的清扫机器人还需配置高阶处理器进行多张景色影像的比对。前述高成本因素将使清扫机器人难以在市场上占有价格竞争优势。

此外，清扫机器人于移动过程中可能会遇有路面不平或缓陡坡、缓降坡等的情况，所以需适时调整马达转速来控制清扫机器人左、右轮子的转动，以改变清扫机器人的行走方向。然而，即使清扫机器人已根据路面情况提供期望的马达运转信息，但马达运转的实际精确度和轮子损耗都可能造成清扫机器人无法转动到所期望的行走方向，因而逐渐累积形成路径误差，导致所获取的地图信息和实际活动空间无法匹配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种清扫机器人及清扫机器人的定位方法，使清扫机器人能适时地校正定位，降低路径误差。

本发明清扫机器人的定位方法，包含以下步骤：通过一个第一定位装置发出一个具有第一发射强度的第一导引信号，通过一个第二定位装置发出一个具有第二发射强度的第二导引信号，且该第一导引信号的发射范围和该第二导引信号的发射范围交叠；该清扫机器人运动，以找寻该第一导引信号和该第二导引信号的交叠区；及该清扫机器人在位于发射范围交叠处时，根据关于该第一定位装置的一个第一定位坐标，且根据关于该第二定位装置的一个第二定位坐标，来决定该清扫机器人目前所在的定位坐标。

较佳地，该清扫机器人循着侦测到该第一导引信号强度增强的方向运动，直到所侦测的该第一导引信号强度达到该第一发射强度，就将该清扫机器人目前位置记录为关于该第一定位装置的第一定位坐标；该清扫机器人循着侦测到该第二导引信号强度增强的方向运动，直到所侦测的该第二导引信号强度达到该第二发射强度，就将该清扫机器人目前位置记录为关于该第二定位装置的第二定位坐标。

较佳地，该清扫机器人在位于发射范围交叠处时记录目前朝向角，接着转动并记录一侦测角以及关于该第一导引信号和该第二导引信号的侦测信息；该清扫机器人具有一个用于侦测该等导引信号的导引侦测器，该清扫机器人的朝向角是指该导引侦测器目前朝向与该清扫机器人刚被启动时该导引侦测器朝向的差异。

较佳地，该清扫机器人将可侦测到第一导引信号的最广侦测角范围当作一个第一可辨识角，将可侦测到第二导引信号的最广侦测角范围当作一个第二可辨识角；且该清扫机器人根据该第一定位坐标、该第二定位坐标、该第一可辨识角和该第二可辨识角，来决定该清扫机器人目前所在的定位坐标。

较佳地，该清扫机器人决定目前所在的定位坐标(X,Y)；

$\left\{\begin{array}{c}Y=(X-x1)\tan \mathrm{\φ}1+y1\\ Y=(X-x2)\tan \mathrm{\φ}2+y2\end{array}\right.;$

(x1,y1)为该第一定位坐标，(x2,y2)为该第二定位坐标，为该第一可辨识角，为该第二可辨识角。

较佳地，当该清扫机器人再次运动到发射范围交叠处，便将该清扫机器人目前位置校正为该定位坐标，且根据第一次运动到发射范围交叠处所记录的该侦测角以及本次运动到发射范围交叠处所记录的侦测角来校正该清扫机器人的朝向角。

较佳地，该定位装置和该清扫机器人是使用ZigBee(群蜂)协议、RFID(无线射频识别)协议或bluetooth(蓝牙)协议进行通讯。

本发明清扫机器人，适用于根据一个第一定位装置和一个第二定位装置进行定位校正，该第一定位装置发出一个具有一第一发射强度的第一导引信号，该第二定位装置发出一个具有一第二发射强度的第二导引信号，且该第一导引信号的发射范围和该第二导引信号的发射范围交叠，该清扫机器人包含：一壳体；一运动模块，设置于该壳体内，用于使该壳体运动；一导引侦测器，设置于该壳体内，用于侦测该第一导引信号和该第二导引信号；一处理器，设置于该壳体内，并电连接该运动模块和该导引侦测器；该处理器令该运动模块使该壳体运动，直到该导引侦测器侦测出该第一导引信号达到该第一发射强度，就记录该壳体位置为关于该第一定位装置的一个第一定位坐标；该处理器令该运动模块使该壳体运动，直到该导引侦测器侦测出该第二导引信号达到该第二发射强度，就记录该壳体位置为关于该第二定位装置的一个第二定位坐标；该壳体在位于发射范围交叠处时，该处理器根据该第一定位坐标、该第二定位坐标、一第一可辨识角和一第二可辨识角，决定该壳体目前所在的定位坐标；该第一可辨识角是该导引侦测器可侦测到该第一导引信号的最广角度范围，该第二可辨识角是该导引侦测器可侦测到该第二导引信号的最广角度范围。

较佳地，该处理器决定目前所在的定位坐标(X,Y)；

$\left\{\begin{array}{c}Y=(X-x1)\tan \mathrm{\φ}1+y1\\ Y=(X-x2)\tan \mathrm{\φ}2+y2\end{array}\right.;$

(x1,y1)为该第一定位坐标，(x2,y2)为该第二定位坐标，为该第一可辨识角，为该第二可辨识角。

较佳地，该导引侦测器具有一个传输模块，且是采用ZigBee(群蜂)协议、RFID(无线射频识别)协定或bluetooth(蓝牙)协定。

本发明的有益效果在于：清扫机器人可以通过较低成本的传输模块实现和定位装置间的通讯，而找寻两导引信号交叠区来校正坐标和朝向角，以降低路径误差。

附图说明

图1是说明第一实施例的清扫机器人和定位装置的示意图；

图2是一张方块图，说明清扫机器人和定位装置；

图3是一张示意图，说明清扫机器人以导引侦测器朝前前进；

图4是一张示意图，说明侦测到的导引信号强度变化关系；

图5是一张流程图，说明清扫机器人的定位方法的第一实施例；

图6是一张示意图，说明导引侦测器的波束场型；

图7是一张示意图，说明第二实施例的清扫机器人和定位装置；

图8是一张流程图，说明清扫机器人的定位方法的第二实施例；

图9是一张示意图，说明第一侦测角和第一导引信号的关系。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

参阅图1，本发明清扫机器人10的第一实施例适用于行走于一个设置有一个定位装置30的空间平面20上，该清扫机器人10能通过定位装置30发出的一导引信号进行定位校正。本例的清扫机器人10在其行走期间，定位装置30的设置位置固定，并且，定位装置30的实施态样可以是充电座、用于界定出虚拟墙的灯塔，或其他可发出导引信号的装置。

请同时参阅图2，清扫机器人10包含一壳体11，以及设置于壳体11中的一处理器12、一运动模块13及一导引侦测器15。处理器12分别电连接运动模块13和导引侦测器15。

导引侦测器15用于侦测定位装置30所发出的导引信号。处理器12根据导引侦测器15的侦测信息而令运动模块13使壳体11运动，即移动及旋转。当运动模块13驱使壳体11移动时，清扫机器人10的其他组件会和壳体11同步移动。当运动模块13驱使壳体11转动时，清扫机器人10的其他元件会和壳体11同步转动。

更详细地，运动模块13包括多个轮子(图未示)，且如图3所示，壳体11例如可以为具有一环形侧面和一底面大致呈扁平圆柱状的壳体，导引侦测器15沿着壳体11的部分环形侧面而设置。假设清扫机器人10刚被启动时导引侦测器15是朝向一参考方向，那么下文将会述及的“朝向角”，指的是导引侦测器15目前的朝向与该参考方向的差异，且下文所提及的“清扫机器人10前行”，是指维持朝向角而以导引侦测器15朝前移动。

清扫机器人10执行本发明清扫机器人的定位方法的第一实施例，而使用导引侦测器15侦测定位装置30发出的导引信号来实现清扫机器人10的定位校正。本例主要是侦测导引信号的接收信号强度指示(ReceivedSignalStrengthIndication,RSSI)，但也可以是侦测导引信号的其他特性。值得注意的是，定位装置30所发出的导引信号发射强度可由外部控制，且会将导引信号的发射强度通知清扫机器人10。参阅图1，通常导引信号强度在定位装置30处最强且随着与定位装置30的距离拉大而梯度式且指数式地递减，更明确地，「侦测到的导引信号强度」会如图4般指数式地负相关于「清扫机器人10与定位装置30的距离」。

定位方法包含图5的步骤：

步骤71：壳体11受运动模块13驱动而于空间平面20上运动(移动与转动)，直到导引侦测器15侦测到导引信号。

步骤72：壳体11前行一段取样距离。

步骤73：处理器12判断导引侦测器15侦测到的导引信号是否达到发射强度。若是，进行步骤76；否则，进行步骤74。

步骤74：处理器12判断导引侦测器15侦测到的导引信号是否有增强趋势。若是，回到步骤72；否则，继续步骤75。

步骤75：处理器12令运动模块13驱使壳体11转动一角度。然后，回到步骤72。

较佳地，第一次执行步骤75是使壳体11顺时针转动90°，之后第N次执行步骤75是使壳体11以相反于第N-1次执行步骤75的方向转动180°，N≧2。当然，在其他应用中，第一次执行步骤75也可以使壳体11逆时针转动90°。此第一次执行步骤75所转动的顺时针或逆时针的角度并不限定为90°，也可以是15°、30°、45°、60°、75°或任何其他设定的转动角度，其均不脱本发明请求专利保护的范围。

步骤76：处理器12记录壳体11目前所在位置坐标，当作关于发出该导引信号的定位装置30的定位坐标。

之后，如果清扫机器人10行走于空间平面20上而从没有侦测到导引信号，变成有侦测到导引信号，那么清扫机器人10将再次执行前述定位方法的步骤72～75，直到侦测到的导引信号达到发射强度，就使壳体11位置校正为步骤76得到的定位坐标。

因此，即使清扫机器人10反复行走于空间平面20上，基于种种自身因素和环境因素造成路径误差的累积，只要再次执行前述定位方法，就可以根据步骤76的定位坐标校正所在位置信息。

较特别的是，本例中，定位装置30如图2般包括一个设置有全向性天线(图未示)的ZigBee(群蜂)传输模块31，导引侦测器15包括一个设置有指向性天线(图未示)的ZigBee传输模块151，指向性天线的波束场型可参考图6的粗实线，其只会在一特定方向(即图中0°)具有最大强度。如熟悉本技艺者所知，ZigBee传输协议主要操作于中心频率为2.45GHz的频带，支持250kbps的数据传输率，有效通讯距离高达100～400公尺，是一种兼具电路体积小、低成本和低耗电的通讯标准。因此，本实施例清扫机器人10通过ZigBee传输模块151、31实现清扫机器人10和定位装置30间的通讯，可以有效降低电路成本。当然，在其他应用中，也可以使用RFID(radiofrequencyidentification,无线射频识别)或bluetooth(蓝牙)等低成本的传输模块来取代ZigBee传输模块151、31。

参阅图7，相较于第一实施例，本发明清扫机器人10的第二实施例的差异在于：空间平面20上设置有一个第一定位装置30a和一个第二定位装置30b。第一定位装置30a用于发出一个具有第一发射强度的第一导引信号，第二定位装置30b发出一个具有第二发射强度的第二导引信号。值得注意的是，在发射范围内，第一导引信号强度在第一定位装置30a处最强且随着与第一定位装置30a的距离增大而指数式且梯度式地递减，第二导引信号强度在第二定位装置30b处最强且随着与第二定位装置30b的距离增大而指数式且梯度式地递减。

较特别的是，第二实施例会以外部控制该两个定位装置30a、30b发出的导引信号，而使两个导引信号的发射范围交叠，且利用清扫机器人10位于交叠区的侦测信息以及关于该两个定位装置30a、30b的定位坐标来进行定位校正和朝向角校正。

详细来说，清扫机器人10所执行的本发明清扫机器人10的定位方法的第二实施例包含图8的以下步骤：

步骤81：清扫机器人10执行前述于图5中的步骤71～76来分别获取关于第一定位装置30a的第一定位坐标(x1,y1)和关于第二定位装置30b的第二定位坐标(x2,y2)。

清扫机器人10于第一定位坐标(x1,y1)侦测到的第一导引信号达到第一发射强度，于第二定位坐标(x2,y2)侦测到的第二导引信号达到第二发射强度。

步骤82：壳体11于空间平面20上运动，直到导引侦测器15从没有侦测到任何导引信号变成仅侦测到其中一个导引信号，此时清扫机器人10应该是位于所侦测导引信号强度最弱且为最外围的那个梯度上。

步骤83：壳体11沿着该最外围梯度运动，直到碰到两个导引信号发射范围的交叠区，就记录目前的朝向角。

步骤84：处理器12令运动模块13驱使壳体11在一个固定取样时间内转动，且记录目前侦测信息、第一侦测角与第二侦测角。

目前侦测信息例如为是否侦测到第一导引信号或第二导引信号。当壳体11在一个固定取样时间内转动而使导引侦测器15侦测到不同的第一导引信号强度，处理器12会将取样时间内侦测到第一导引信号平均强度的那个方向记录成第一侦测角，并记录此平均强度。同理，处理器12也记录取样时间内关于第二导引信号的第二侦测角，并记录对应的第二导引信号平均强度。

值得注意的是，用于决定出第一侦测角的平均强度不同于第一定位装置30a所能发出的第一导引信号最大强度(即第一发射强度)。此外，随着壳体11转动，导引侦测器15于取样时间内侦测到第一导引信号平均强度的方向也会跟着改变，所以壳体11的每一次转动都会对应到一个特定第一侦测角。同理，壳体11的每一次转动也都会对应到一个特定第二侦测角。

步骤85：处理器12根据所有已记录的侦测信息，判断是否满足以下四要件。也就是说，已记录侦测信息所形成的并集是否满足以下四要件。若是，继续步骤86；否则，回到步骤84。

要件一：壳体11转动，而从没有侦测到第一导引信号变成侦测到第一导引信号。

要件二：壳体11转动，而从有侦测到第一导引信号变成没有侦测到第一导引信号。

要件三：壳体11转动，而从没有侦测到第二导引信号变成侦测到第二导引信号。

要件四：壳体11转动，而从有侦测到第二导引信号变成没有侦测到第二导引信号。

步骤86：处理器12计算要件一和要件二的第一侦测角差异而得到关于第一定位装置30a的第一可辨识角计算要件三和要件四的第二侦测角差异而得到关于第二定位装置30b的第二可辨识角

更具体地，第一可辨识角是指可侦测到第一导引信号的最广侦测角范围，第二可辨识角是指可侦测到第二导引信号的最广侦测角范围。

步骤87：处理器12将第一定位坐标(x1,y1)、第二定位坐标(x2,y2)、第一可辨识角和第二可辨识角代入下列式(1)，而得到壳体11目前位置的定位坐标(X,Y)。

之后，如果清扫机器人10再度从没有侦测到任何导引信号变成仅侦测到其中一个导引信号，那么在沿着最外围梯度运动而碰到导引信号交叠区时，就可以将清扫机器人10所在位置校正为步骤87算出的定位坐标(X,Y)。并且，因为步骤84有记录转动期间第一侦测角和对应第一导引信号强度以及第二侦测角和对应第二导引信号强度，所以清扫机器人10还可以将目前所侦测到的第一导引信号强度和第二导引信号强度相比于所记录信息，而校正此时的朝向角。

以下详细说明朝向角的校正。清扫机器人10首次进入交叠区时，壳体11立即原地逆时针旋转，且壳体11转动的同时清扫机器人10会搜集侦测的第一导引信号强度，据以计算于最近的取样时间内的第一导引信号的平均强度，进而决定对应到的第一侦测角。而机器人首次进入交叠区的第一侦测角和第一导引信号的关系，可参考图9的实线。

之后，清扫机器人10第二次回到交叠区时，会进行原地逆时针旋转，以取得第一导引信号的平均强度和对应第一侦测角(如图9的虚线)，直到无法取得第一导引信号，就将此次回到交叠区的信息相比于第一次于交叠区的信息。

更具体地，为了比较这两次于交叠区的信息，处理器12会观察第一导引信号平均强度为一特定值Ri的情况下，这两次于交叠区决定出的第一侦测角的差异di，其中i=1,2…N。然后，求取一补偿角度再使清扫机器人10目前的朝向角扣去该补偿角度，以得到校正后的朝向角。类似地，清扫机器人10首次进入交叠区时，也会计算于最近的取样时间内的第二导引信号的平均强度，进而决定对应到的第二侦测角，以作为之后再次进入交叠区校正朝向角的依据。

较佳地，在一实施例中，可以通过这两次于交叠区决定出的第一侦测角的差异，并通过这两次于交叠区决定出的第二侦测角的差异，来校正朝向角。但其他实施例也可以仅通过这两次于交叠区决定出的第一侦测角的差异或第二侦测角的差异。

虽然，第二实施例是以两个定位装置30a、30b来加以说明，但是其他应用也可以使用更多个定位装置，且使两两定位装置的导引信号交叠，如此清扫机器人10于空间平面20上运动时就可以更频繁地校正坐标和朝向角，使路径误差降低。

综上所述，前述较佳实施例中，清扫机器人10可以通过较低成本的传输模块实现和定位装置30间的通讯，而循着导引信号增强的方向走到定位装置30来校正坐标，或找寻两导引信号交叠区来校正坐标和朝向角，以降低路径误差，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (10)

1.一种清扫机器人的定位方法，其特征在于：包含以下步骤：

通过一个第一定位装置发出一个具有第一发射强度的第一导引信号，通过一个第二定位装置发出一个具有第二发射强度的第二导引信号，且该第一导引信号的发射范围和该第二导引信号的发射范围交叠；

一个清扫机器人运动，以找寻该第一导引信号和该第二导引信号的交叠区；及

该清扫机器人在位于发射范围交叠处时，根据关于该第一定位装置的一个第一定位坐标，且根据关于该第二定位装置的一个第二定位坐标，来决定该清扫机器人目前所在的定位坐标。

2.根据权利要求1所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：

该清扫机器人循着侦测到该第一导引信号强度增强的方向运动，直到所侦测的该第一导引信号强度达到该第一发射强度，就将该清扫机器人目前位置记录为关于该第一定位装置的第一定位坐标；

该清扫机器人循着侦测到该第二导引信号强度增强的方向运动，直到所侦测的该第二导引信号强度达到该第二发射强度，就将该清扫机器人目前位置记录为关于该第二定位装置的第二定位坐标。

3.根据权利要求1所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：

该清扫机器人在位于发射范围交叠处时记录目前朝向角，接着转动并记录一侦测角以及关于该第一导引信号和该第二导引信号的侦测信息；

该清扫机器人具有一个用于侦测所述导引信号的导引侦测器，该清扫机器人的朝向角是指该导引侦测器目前朝向与该清扫机器人刚被启动时该导引侦测器朝向的差异。

4.根据权利要求3所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：

该清扫机器人将可侦测到第一导引信号的最广侦测角范围当作一个第一可辨识角，将可侦测到第二导引信号的最广侦测角范围当作一个第二可辨识角；且

该清扫机器人根据该第一定位坐标、该第二定位坐标、该第一可辨识角和该第二可辨识角，来决定该清扫机器人目前所在的定位坐标。

5.根据权利要求4所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：该清扫机器人决定目前所在的定位坐标(X,Y)；

$\left\{\begin{array}{c}Y=(X-x1)\tan \mathrm{\φ}1+y1\\ Y=(X-x2)\tan \mathrm{\φ}2+y2\end{array}\right.;$

(x1,y1)为该第一定位坐标，(x2,y2)为该第二定位坐标，为该第一可辨识角，为该第二可辨识角。

6.根据权利要求3所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：当该清扫机器人再次运动到发射范围交叠处，便将该清扫机器人目前位置校正为该定位坐标，且根据第一次运动到发射范围交叠处所记录的该侦测角以及本次运动到发射范围交叠处所记录的侦测角来校正该清扫机器人的朝向角。

7.根据权利要求1所述的清扫机器人的定位方法，其特征在于：该定位装置和该清扫机器人是使用群蜂协议、无线射频识别协议或蓝牙协议进行通讯。

8.一种清扫机器人，适用于根据一个第一定位装置和一个第二定位装置进行定位校正，该第一定位装置发出一个具有一第一发射强度的第一导引信号，该第二定位装置发出一个具有一第二发射强度的第二导引信号，且该第一导引信号的发射范围和该第二导引信号的发射范围交叠，其特征在于：该清扫机器人包含：

一壳体；

一运动模块，设置于该壳体内，用于使该壳体运动；

一导引侦测器，设置于该壳体内，用于侦测该第一导引信号和该第二导引信号；

一处理器，设置于该壳体内，并电连接该运动模块和该导引侦测器；

该处理器令该运动模块使该壳体运动，直到该导引侦测器侦测出该第一导引信号达到该第一发射强度，就记录该壳体位置为关于该第一定位装置的一个第一定位坐标；

该处理器令该运动模块使该壳体运动，直到该导引侦测器侦测出该第二导引信号达到该第二发射强度，就记录该壳体位置为关于该第二定位装置的一个第二定位坐标；

该壳体在位于发射范围交叠处时，该处理器根据该第一定位坐标、该第二定位坐标、一第一可辨识角和一第二可辨识角，决定该壳体目前所在的定位坐标；

该第一可辨识角是该导引侦测器可侦测到该第一导引信号的最广角度范围，该第二可辨识角是该导引侦测器可侦测到该第二导引信号的最广角度范围。

9.根据权利要求8所述的清扫机器人，其特征在于：该处理器决定目前所在的定位坐标(X,Y)；

$\left\{\begin{array}{c}Y=(X-x1)\tan \mathrm{\φ}1+y1\\ Y=(X-x2)\tan \mathrm{\φ}2+y2\end{array}\right.;$

(x1,y1)为该第一定位坐标，(x2,y2)为该第二定位坐标，为该第一可辨识角，为该第二可辨识角。

10.根据权利要求8所述的清扫机器人，其特征在于：该导引侦测器具有一个传输模块，且是采用群蜂协议、无线射频识别协议或蓝牙协定。