CN104858871A - 机器人系统及其自建地图和导航的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种机器人系统及其自建地图和导航的方法，主要是通过在机器人上设置标签信息读取器，并在机器人活动空间的每个区域的边界设置可读标签，通过机器人行动过程中的行动轨迹配合标签信息读取器采集的边界信息，做到智能的室内地图精确自建及精确导航，还能实现三维地图自建及三维导航功能，提高了智能化程度。

Description

机器人系统及其自建地图和导航的方法

〖技术领域〗

本发明涉及智能机器人领域，具体涉及一种机器人系统及其自建地图和导航的方法。

〖背景技术〗

随着现代人生活节奏的加快，休息时间越来越少，人们越来越能接受把耗时耗力的一些清洁工作交给特殊机器人来做，清洁机器人技术也就得到了蓬勃的发展。清洁机器人主要有两种，一种是扫地机器人，主要是把地上的杂物、灰尘进行清理；另外一种是擦抹机器人，主要是把黏附在地板的灰尘、泥巴等抹除干净。

清洁机器人最重要的指标是智能程度和覆盖率。市面上现有的清洁机器人基本上都能够实现自动充电、自动工作的功能，实现的方法各不相同，在清洁覆盖率上面和时间效率上，就有了比较大的不同。总结起来，大概可以分为三类：第一种是采用随机碰撞的方式，随着房间空间的增大，通过增加时间来达到清洁覆盖率；第二种是外加导航塔来实现路径规划；第三种是通过内部的激光测距来实现路径规划。第一种采用随机碰撞的方式，算法优化比较好的情况下，覆盖率也比较高，但是重复清洁的区域难以避免，也就导致了清洁时间比较长。第二种和第三种都能够实现路径规划，在空阔的区域效果比较好，当家居家具比较多，遮挡这些信号，或者房间比较多，跨越房间时，导航效果就比较差。无论哪种方式，传统的产品都缺乏智能地图设置，用户不能够远程或者近距离遥控机器人去打扫指定的房间，需要手工把机器搬到特定的房间，然后增加一些“虚拟墙”来隔离不同的房间，用户体验较差。

目前，有专利提及采用自主导航的方式来实现，例如中国公开号为CN102053623的发明专利申请，其中提到了机器人可以自动生成地图，也可以外部输入地图，依靠地图来实现自动导航，但是其存在一些缺点，首先，机器人运行过程中震动比较大，会影响到传感器的精度，并且，现有的传感器在长时间反复运行过程中，容易存在积累误差，所述专利申请文件中没有把这些问题提出并解决，只是停留在一个理论层面；其次，该专利只针对了二维的平面的地图，如果是复式的家居环境，就没有办法适应；第三，该专利没有解决地图存储问题，清洁机器人是带电池工作，一般处理能力弱，地图的存储必须进行优化。

〖发明内容〗

本发明的一个目的是提供一种机器人系统，能够快速、准确地自建地图并自主导航。本发明的目的由以下技术方案实现：

一种机器人系统，包括具有电源模块、主控模块、触碰传感器、距离传感器、加速度传感器、陀螺仪、行动机体及区域操作组件的机器人；其特征在于：所述机器人还包括标签信息读取器，设置于所述行动机体前端，与所述主控模块电连接；所述系统还包括可读标签，可读标签设置于机器人活动空间的每个区域的边界，可读标签设置高度与所述标签信息读取器的读取高度一致。

作为具体的技术方案，所述可读标签为NFC标签或者二维码标签，所述标签信息读取器相应为NFC标签读取器或读取二维码的摄像头。

作为具体的技术方案，所述行动机体包括机壳、万向轮及万向轮驱动机构，万向轮设置于机壳底部，万向轮驱动机构与所述主控模块电连接。

作为进一步的技术方案，所述机器人还包括气压传感器，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接。

作为进一步的技术方案，所述机器人还包括地磁传感器，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接。

作为进一步的技术方案，所述区域操作组件包括清洁组件、摄像组件、加湿组件、除湿组件、灭虫组件中的一个或多个。

作为进一步的技术方案，所述机器人还包括无线通信模块，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接；所述系统还包括与所述无线通信模块通信配合的独立终端。

作为进一步的技术方案，所述系统还包括为机器人的电源模块充电的充电座，设置于所述机器人活动空间内。

作为具体的技术方案，所述机器人活动空间的每个区域至少设置一组相对设置的可读标签。

作为具体的技术方案，所述行动机体上设置有休眠唤醒开关，用于人为移动行动机体时唤醒主控模块进入工作模式。

本发明的又一个目的是提供一种基于上述机器人系统的自建地图和导航方法，该又一目的由以下技术方案实现：

一种基于上述机器人系统的自建地图和导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)机器人的主控模块接收到自建地图指令时，控制行动机体在机器人活动空间内从一个基准点开始空间搜索行动；

(2)加速度传感器采集机器人在搜索行动过程中的距离信息，陀螺仪采集机器人在行动过程中的角度信息，标签信息读取器通过读取机器人活动空间的每个区域的可读标签采集每个区域的边界信息；

(3)主控模块根据采集的距离信息、角度信息及所述基准点，绘制机器人从所述基准点开始的搜索行动轨迹，并根据搜索行动轨迹及每个区域的边界信息生成地图信息，保存所述地图信息并供导航时调用；

(4)机器人的主控模块接收指定区域操作指令时，调用所述地图信息，对行动机体行动至指定区域进行导航，并控制区域操作组件在指定区域执行相应功能操作。

作为具体的技术方案，步骤(1)中所述的行动机体在机器人活动空间内的空间搜索行动以随机碰撞或者沿边的模式进行。

作为进一步的技术方案，步骤(1)中机器人接收自建地图指令的同时，还接收搜索区域操作指令，步骤(2)所述的搜索行动过程中，主控模块控制区域操作组件在搜索行动轨迹上执行相应功能操作。

作为具体的技术方案，所述相应功能操作包括清洁操作、摄像操作、加湿操作、除湿操作、灭虫操作中的一种或多种。

作为具体的技术方案，所述自建地图和导航方法还包括：在没有接收到指定区域操作指令时，通过机器人设置的休眠唤醒开关唤醒主控模块，控制加速度传感器采集机器人在人为搬动过程中的距离信息，控制陀螺仪采集机器人在人为搬动过程中的角度信息。

作为进一步的技术方案，步骤(2)还包括：通过机器人设置的气压传感器采集气压信息，并利用该采集的气压信息对所述加速度传感器采集的距离信息、陀螺仪采集的角度信息、基准点及标签信息读取器采集的每个区域的边界信息进行楼层的区分。

作为进一步的技术方案，步骤(2)还包括：通过机器人设置的地磁传感器采集地磁信息，并利用该采集的地磁信息对所述陀螺仪采集的角度信息进行修正。

作为具体的技术方案，步骤(2)中，所述机器人活动空间的每个区域至少设置一组相对设置的可读标签，当机器人的标签信息读取器探测到一个可读标签时，就以当前可读标签垂直的位置区搜索相对设置的可读标签，搜索到后，就标定出一个边界。

作为具体的技术方案，步骤(3)中，所述地图信息的存储以栅格方式进行存储，以一定的大小做为一个格点，内部存储器中以一个比特位作为一个格点，1表示有效区域，0表示无效区域。

作为具体的技术方案，所述自建地图指令、指定区域操作指令时、搜索区域操作指令由一独立终端生成，独立终端通过机器人设置的无线通信模块，将生成的所述自建地图指令、指定区域操作指令时、搜索区域操作指令发送至所述主控模块。

作为具体的技术方案，所述自建地图和导航方法还包括：对步骤(3)中对生成的地图信息中的区域进行命名或删除。

本发明的有益效果在于：通过传感器融合和可读标签，能够克服现在市面上清洁机器人自建地图比较繁琐、效率低且不准确的不足，做到智能的室内地图精确自建及精确导航，还能实现三维地图自建及三维导航功能，提高了智能化程度。

〖附图说明〗

图1为本发明实施例提供的机器人系统的原理图。

图2为本发明实施例所涉及的家居环境被机器人搜索到标签的初始化状态地图。

图3为本发明实施例所涉及的家居环境被机器人搜索到标签的完整地图。

图4为本发明实施例提供的机器人系统的独立终端的示意图。

〖具体实施方式〗

如图1所示，本实施例提供的机器人系统，包括机器人8、充电座6、独立终端(参见图4)及可读标签。机器人8包括行动机体1、主控模块4、传感器集合5，还包括无线通信模块、可充电电源模块及区域操作组件。其中，行动机体1包括机壳、万向轮2、3及万向轮驱动机构，万向轮设置于机壳底部，万向轮驱动机构与主控模块电连接。传感器集合5包括触碰传感器、距离传感器、标签信息读取器、加速度传感器、陀螺仪、气压传感器及地磁传感器，均与主控模块电连接。所述区域操作组件是指对机器人所处区域进行某些功能操作的组件，可以为清洁组件、摄像组件、加湿组件、除湿组件、灭虫组件中的一个或多个，本实施例以清洁组件为例进行说明，即本实施例所述的机器人为清洁机器人。

机器人的无线通信模块设置于行动机体上，与所述主控模块电连接，同时还与独立终端通信配合。如图4所示，独立终端具有机壳501、显示屏502及按键503，实际中可以为带有显示器的遥控器或者是安装了应用的智能终端。充电座设置于所述机器人活动空间内(房屋内)，用于对机器人的电源模块进行充电。

触碰传感器和距离传感器均为现有清洁机器人常用配制，陀螺仪用于实时提供机器人旋转方向信息、加速度传感器用于提供加速度信息、地磁传感器提供一个恒定的角度用于参考，气压传感器用于提供气压信息，以识别机器人所处的水平高度。通过加速度传感器对加速度的积分运算可以得到机器人行动距离信息，通过陀螺仪角度的积分可以得到机器人的角度信息；同时，由于存在积累误差，通过地磁传感器采集的地磁信息来对角度信息进行一些修正，知道了距离和角度的信息，就可以绘制从基准点(一般为充电座)开始的行走轨迹。

标签信息读取器设置于行动机体前端，用于识别并读取可读标签的信息。本实施例中，可读标签为NFC标签或者二维码标签，相应地，标签信息读取器为NFC标签读取器或读取二维码的摄像头。本实施例中的可读标签用于区域的标定，标签的内容有初始的设定，两张为一组，上面有左右对应的标记，用户需要在每个区域边界的地方贴上标签，如门框的两边或房屋各房间的墙体7上，贴的高度需要和机器人的标签读取器的高度一致。

当机器人活动空间有多个楼层时，可以通过气压传感器的信息进行区分。不同的楼层均要设置基准点，需要放置充电座或者放置基准标签。机器人第一次工作时，可以是随机碰撞的方式或者是沿边模式，来搜索工作区域，内部地图同步生成。当机器人识别到用户贴的其中一个标签时，它就会往标签垂直的方向直线行走，查找另外一个标签，查找到两个标签后，就界定出一个新的区域，继续搜索新的区域，内部生成对应的地图。这些NFC或者二维码的标签可以通过智能设备上的APP进行重新的定义。

基于上述机器人系统的自建地图和导航方法，主要包括如下步骤：

(1)机器人的主控模块接收到自建地图指令时，控制行动机体在机器人活动空间内从一个基准点开始空间搜索行动；

(2)加速度传感器采集机器人在搜索行动过程中的距离信息，陀螺仪采集机器人在行动过程中的角度信息，标签信息读取器通过读取机器人活动空间的每个区域的可读标签采集每个区域的边界信息；

(3)主控模块根据采集的距离信息、角度信息及所述基准点，绘制机器人从所述基准点开始的搜索行动轨迹，并根据搜索行动轨迹及每个区域的边界信息生成地图信息，保存所述地图信息并供导航时调用；

(4)机器人的主控模块接收指定区域操作指令时，调用所述地图信息，对行动机体行动至指定区域进行导航，并控制区域操作组件在指定区域执行相应功能操作。

地图以图3的家居环境为例，它是一个典型的三房两厅的房子，可以分为六个区域：一个客厅401、一个厨房402、三个房间404、405、406、一个浴室403。第一次使用时，用户把标签(NFC标签或者是二维码标签)放置在区域边界地方，然后开动机器人，机器人就会以随即碰撞或者沿边的模式进行搜索和清扫，如果用户希望一边打扫一边搜索，就选择随机碰撞模式，如果用户希望尽快找到地图区域，则选择沿边模式。当机器人探测到用户标签时，就会以当前标签垂直的位置区搜索另外一个标签，搜索到后，就标定出一个边界，图2的地图是机器搜索到标签的初始化状态，搜索到标签后，就会先分配一个格点，以这个格点为基础，不断搜索新的区域，最终会得到一个图3的地图。

存储在机器人内部的地图，是一个一层的或多层的二维地图，取决于家具的楼层。主控模块带有非易失存储器，地图信息放在存储器中。为了节省地图的空间，采用小区块的方式来进行存储，地图的存储以栅格方式进行存储，以一定的大小做为一个格点，如50厘米见方作为一个格点，内部存储器中以一个比特位作为一个格点，1表示有效区域，0表示无效区域。用单一比特来确定地图，这样极大地减少了存储量。例如，预留200平米的空间，则只需要800个比特，100个字节。实际应用时，预留1000平米的空间，将初始位置放在中间，基本上可以满足大部分的应用。在机器人搜索阶段只要搜索到超过边界的新区域，就会增加一个新的小区快，表示有新的空间加入。在每次的运行过程中，会不断的对空间进行修正。有了地图信息后，清洁机器人就可以规划清洁路线，可以做到不重复一次性把所有的空间清扫完成。

家具的空间可能会有变化，如原来一个地方放置了一个箱子，后来移除了，机器人走到原有地图边界时，会发现有新的区域之前没有到达，就会在原有地图的基础上增加新的空间。机器人会随时增加新的空间，但是基本不会删除空间，这是因为，只要以前曾经有过的空间，有可能是被暂时的物体挡住了，没有必要删除，可以通过机器人自主防碰撞系统来避开。唯一的例外就是如果机器人在一处地方卡住了，需要用户协助搬离，此时，用户可以通过按键告知机器人，这个区域不能进入，会把地图删除，并且，以后也不会再次尝试这个区域。

独立终端与清洁机器人进行通信后，能够看到机器人绘制出来的地图，用户可以修改各种参数，如定时清扫、修改地图空间命名等，已经绘制好的地图，用户可以通过触摸指定机器人到特定的区域进行工作。例如，用户发现儿童房地板特别脏，而其他房间很干净，同时，为了不打扰客厅休息的客人，用户可以直接指定机器人到儿童房进行清洁，收到指令后，机器人会以最低的噪声从充电座出发，到达儿童房进行清洁。

本发明的有益效果在于：使用可读标签进行区域标定，节省自建地图时间，提高了智能化程度及准确度。生成的地图信息高效存储，节省内部存储器，地图大部分情况下只做增加，不做删除处理，适应清洁机器人的使用场景，预留有障碍区域删除的功能。用户可以通过独立终端对生成的地图设定空间名字，方便用户以日常名字来制定空间位置，如客厅、主人房、客人房等，极大的提升了用户体验。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，基于本发明创新主旨的、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当属于本申请揭露的范围。

Claims (16)

1.一种机器人系统，包括具有电源模块、主控模块、触碰传感器、距离传感器、加速度传感器、陀螺仪、行动机体及区域操作组件的机器人；其特征在于：所述机器人还包括标签信息读取器，设置于所述行动机体前端，与所述主控模块电连接；所述系统还包括可读标签，可读标签设置于机器人活动空间的每个区域的边界，可读标签设置高度与所述标签信息读取器的读取高度一致。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述可读标签为NFC标签或者二维码标签，所述标签信息读取器相应为NFC标签读取器或读取二维码的摄像头。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人还包括气压传感器，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人还包括地磁传感器，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接。

5.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人还包括无线通信模块，设置于所述行动机体上，与所述主控模块电连接；所述系统还包括与所述无线通信模块通信配合的独立终端。

6.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述机器人活动空间的每个区域至少设置一组相对设置的可读标签。

7.一种基于权利要求1所述机器人系统的自建地图和导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)机器人的主控模块接收到自建地图指令时，控制行动机体在机器人活动空间内从一个基准点开始空间搜索行动；

(2)加速度传感器采集机器人在搜索行动过程中的距离信息，陀螺仪采集机器人在行动过程中的角度信息，标签信息读取器通过读取机器人活动空间的每个区域的可读标签采集每个区域的边界信息；

(3)主控模块根据采集的距离信息、角度信息及所述基准点，绘制机器人从所述基准点开始的搜索行动轨迹，并根据搜索行动轨迹及每个区域的边界信息生成地图信息，保存所述地图信息并供导航时调用；

(4)机器人的主控模块接收指定区域操作指令时，调用所述地图信息，对行动机体行动至指定区域进行导航，并控制区域操作组件在指定区域执行相应功能操作。

8.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(1)中所述的行动机体在机器人活动空间内的空间搜索行动以随机碰撞或者沿边的模式进行。

9.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(1)中机器人接收自建地图指令的同时，还接收搜索区域操作指令，步骤(2)所述的搜索行动过程中，主控模块控制区域操作组件在搜索行动轨迹上执行相应功能操作。

10.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，所述自建地图和导航方法还包括：在没有接收到指定区域操作指令时，通过机器人设置的休眠唤醒开关唤醒主控模块，控制加速度传感器采集机器人在人为搬动过程中的距离信息，控制陀螺仪采集机器人在人为搬动过程中的角度信息。

11.根据权利要求7至10任意一项所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(2)还包括：通过机器人设置的气压传感器采集气压信息，并利用该采集的气压信息对所述加速度传感器采集的距离信息、陀螺仪采集的角度信息、基准点及标签信息读取器采集的每个区域的边界信息进行楼层的区分。

12.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(2)还包括：通过机器人设置的地磁传感器采集地磁信息，并利用该采集的地磁信息对所述陀螺仪采集的角度信息进行修正。

13.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(2)中，所述机器人活动空间的每个区域至少设置一组相对设置的可读标签，当机器人的标签信息读取器探测到一个可读标签时，就以当前可读标签垂直的位置区搜索相对设置的可读标签，搜索到后，就标定出一个区域。

14.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，步骤(3)中，所述地图信息的存储以栅格方式进行存储，以一定的大小做为一个格点，内部存储器中以一个比特位作为一个格点，1表示有效区域，0表示无效区域。

15.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，所述自建地图指令、指定区域操作指令时、搜索区域操作指令由一独立终端生成，独立终端通过机器人设置的无线通信模块，将生成的所述自建地图指令、指定区域操作指令时、搜索区域操作指令发送至所述主控模块。

16.根据权利要求7所述的自建地图和导航方法，其特征在于，所述自建地图和导航方法还包括：对步骤(3)中对生成的地图信息中的区域进行命名或删除。