CN105078375A - 可自主行走的清洁设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对表面(2)进行清洁或处理的设备(1)，其中，所述设备(1)具有用于利用光照射表面(2)的光源(3)和用于探测被表面(2)反射的光的光学探测装置(4)。此外，本发明还涉及一种用于运行根据本发明的设备的方法。为了提供一种用于清洁或处理表面的设备以及上述类型的方法，所述设备和方法能利用比现有技术更好的分辨率区分不同的表面，在此规定，光学探测装置(4)具有至少一个滤光元件(5)和至少一个传感器元件(6)，所述滤光元件和传感器元件布置和设计用于针对至少四个不同的光谱范围对被表面(2)反射的光进行探测。

Description

可自主行走的清洁设备

技术领域

本发明涉及一种用于对表面进行清洁或处理的设备，其中，所述设备具有用于利用光线照射表面的光源和用于探测从所述表面反射的光线的光学探测装置。所述设备通常可以是可自主行走或手动导引的设备。

此外，本发明还涉及一种运行用于对表面进行清洁或处理的设备的方法，其中，所述表面被光线照射并且被表面反射的光线被探测。

背景技术

上述类型的设备是已知的。所述设备可以例如是用于对地板进行清洁或养护的机器人或用于对草坪进行修剪的机器人。文献DE10357637A1公开了一种可自主行走的地面清洁设备，所述地面清洁设备适用于对表面、例如瓷砖地面进行湿式清洁。文献DE10242257A1例如公开了一种吸尘/清扫机器人。

此外在现有技术中还已知的是，这种类型的设备配备有摄像机，所述摄像机完成对待驶过的表面的摄像。摄像通常要被处理，以便识别例如障碍物或沟壑。

此外从现有技术中还已知的是，对摄像机拍摄的照片进行分析，判断是哪种表面。在实践中清洁活动或处理活动通常应局限在一定的地面区域内、例如若干个房间内。例如尤其应该确保，用于湿式清洁的机器人(也被称为擦洗机器人)仅在适于湿式清洁的表面上施加水和润湿物。由此在现有技术中已经致力于这样配置可自主行走的设备，从而能对相关的表面进行分析并且可靠地对应于确定的类别。基于这种对应，机器人就可以选择适宜的行进和清洁方案。

尽管在现有技术中已知的设备已经具有用于利用光线照射表面的光源和用于探测从所述表面反射的光线的探测装置，然而这种设备在其对于特定应用场合的光谱分辨率方面尚显不足。因为已知设备的光学探测装置具有标准彩色传感器(RGB传感器(三基色传感器))，仅有三个颜色通道用于探测。在此，尤其通常例如使用所谓的拜耳传感器，其具有棋盘状滤光结构，所述滤光结构通常由50％的绿光滤光器和25％的红光和蓝光滤光器组成。该传感器的弊端在于，每个颜色通道仅发出由光谱的相对较大的部分区域组成的集成式颜色信息。由此在借助这种RGB传感器探测光线之后再没有可供使用的详细信息来反推在表面上反射的光线的原始的光谱分布。对此例如两个绿色表面，这两个表面具有不可区分的不同的绿色色调。

发明内容

由此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于对表面进行清洁或处理的设备以及上述类型的方法，所述设备和方法能利用比现有技术更好的分辨率区分不同的表面。

为了解决所述技术问题，本发明规定了一种所述类型的用于对表面进行清洁或处理的设备，其中，光学探测装置仅具有至少一个滤光元件和至少一个传感器元件，所述滤光元件和传感器元件布置和设置用于针对至少四个不同的光谱区域探测从所述表面反射的光线。

利用本发明提供一种用于对表面进行请结合处理的设备，其中，可以利用与现有技术相比更高的分辨率对从表面反射的光线进行光谱分析。与仅具有配备了RGB滤光器的光学探测装置的已知设备相比，可以针对多于三个的光谱组分区域对反射的光线进行探测和分析。由此例如还能区别不同的绿色色调。这尤其在任何具有几乎相同的结构然而具有不同颜色的表面上都是有益的。这例如可以应用在具有不同颜色的同类型地毯或具有不同绿色色调的同类型草皮上。尤其可行的是，必须在地毯地面上根据不同的颜色涂覆不同的清洁剂，或者应该对承受不同强度的日光照射的草皮进行或大或小程度的修剪。

光学探测装置由此可以设计为多光谱摄像机、超光谱摄像机或微光谱摄像机的形式。

探测装置为此可以具有至少四个滤光元件，其中，每个滤光元件具有与其他滤光元件不同的光谱范围。滤光元件可以例如布置在旋转的滤片上，其中，对于每次测量都分别将一个滤光元件保持在被表面反射的光线的光轴上。由此通过滤片的旋转使所有滤光元件依次朝向反射光，从而使得沿光线的传播方向布置的传感器元件能依次测量光线的不同的光谱组分。根据使用了多少个具有彼此不同的光谱范围的滤光元件，可以改变光学探测装置的分辨率。在此，分辨率随着所使用的滤光元件的数量而增加。原则上，尤其可以在需要特别高的分辨率的光谱组分范围内使用特别多的滤光元件。例如如果是主要具有绿色色调的表面，就应该设有特别多的用于绿色光谱范围的滤光元件，而对于光谱上相邻的部分范围仅需要设置少数几个或甚至不设有滤光元件。

根据探测装置的光学结构的种类的不同，滤光元件可以是例如带通滤光器或带停滤光器。带通滤光器选择进行透射的光线，而带停滤光器选择进行反射的光线(例如作为双色镜)。

结合之前所述的滤片的布置建议，探测装置具有为滤光元件共同配属的传感器元件。通过配备了不同滤光元件的滤片的旋转，可以使滤光元件分别相对于反射光线的传播方向位于传感器元件之前，从而使光线在时间上依次分别相对于不同的光谱范围被过滤。

在此特别有利地，共同配属的传感器元件可以是单独的光电二极管。在滤光元件均匀地沿周向分布在滤片上的情况下，光电二极管则以时间上的复现率被读取，所述复现率等于滤光元件数量与滤片的旋转频率的乘积。由此在光学探测装置从第一滤光元件替换为第二滤光元件之前，建议读取光电二极管。光电二极管可以是成本低廉的批量产品，并且可以在无需大型仪器费用的情况下被读取。此外，还可以使用这种光电二极管，所述光电二极管具有特别大的像素面积和由此特别高的灵敏度。这尤其在分析只能勉强反射的表面时是有利的。

可选地还能实现的是，探测装置具有多个传感器元件，其中，为每个滤光元件配属有各自的传感器元件。在此，根据光电二极管阵列的类型布置传感器元件，其中，使用至少四个光电二极管有利于根据本发明的多光谱探测。光电二极管阵列在此可以是集成模块，然而或者也可以由单独的光电二极管、必要时甚至由不同的光电二极管组成。在此，为每个传感器元件配属有单独的滤光元件，从而使传感器元件仅探测确定的光谱范围内的光线。在此，传感器元件的滤光特性总体上这样选择，从而使传感器元件覆盖所有的可见光的光谱范围。在使用四个滤光元件和四个相应的传感器元件的情况下，例如红光滤光器和光电二极管可以发挥探测红色光谱范围的作用，而黄光滤光元件和光电二极管可以发挥探测黄色光的作用，绿光滤光元件和光电二极管发挥探测绿色光谱组分的作用，而蓝光滤光元件和光电二极管发挥探测蓝色光谱组分的作用。

除了上述光电二极管阵列之外还可行的是，探测装置具有CCD芯片(电荷耦合元件芯片)或CMOS芯片(互补金属氧化物半导体芯片)。在此，芯片的不同区域可以被具有不同波长的光线照射，其中，例如逐行地自芯片读取的数据可以分配给光线的确定的光谱范围。根据该设计，多个光电二极管是多余的。

本发明还规定，探测装置具有光学散射的元件。由此得到了除多个滤光元件的布置之外的备选方案，所述滤光元件各自具有与其他滤光元件不同的光谱范围。在特别简单的设计中，光学散射元件是棱镜或光栅，所述光学散射元件将被表面反射的光线分散成其独立的光谱组分，从而使光谱组分能在空间上分离地触及一个或多个传感器元件。由此可以省去对大量传感器元件的制备。此外，还可以省去之前所述的滤片，所述滤片需要特殊结构以及用于驱动滤片的电动机。由此可以特别简单且可靠地设计光学探测装置。在此，光学散射元件既可以结合单独的传感器元件使用也可以结合CCD芯片或CMOS芯片使用。

根据本发明还规定，由光源发出的光线的波长被调节得与表面的至少一部分的反射特性相协调。由此，光源可以适宜地在光的光谱范围内进行辐射，表面的一部分具有针对该光谱范围的高反射率。由此，表面可以例如设有一种“隔离带”，所述隔离带针对光谱的不属于可见光的范围具有特别高的反射。为此目的，所述表面例如被标记以人眼不可见的颜色。这种“不可见的颜色”例如被应用在标记纸币中，并且可以通过紫外光被激发，由此发射荧光，所述荧光可以被相应的传感器元件探测到。由此得到了由光源、表面和传感器元件组成的特别系统。此外，还可以在特殊表面上、例如木材、地毯、瓷砖、草地上对这种光源传感器元件系统进行优化。

根据本发明，光源可以是白光源、尤其是卤素灯，或者可以是UV光源(紫外线光源)。此外，根据不同的表面类型也可以考虑其他在与白光源不同的光谱范围内进行辐射的光源。

无论光源还是探测装置优选都布置在设备的壳体内部，其中，壳体具有出口，所述出口这样设计和布置，从而使光源的光线抵达所述表面，并且被表面反射的光抵达探测装置。该布局一方面保护光源和探测装置免受污染，另一方面确保光源的光线能从壳体中发出，并且当在表面上反射之后重新回到壳体中，以便能在该处被探测装置探测到。

最后本发明规定，所述设备具有处理单元，所述处理单元设计用于对借助探测装置探测到的光线在不同光谱范围中的强度进行评估处理，并且为了确定表面的种类而与不同表面的参比强度进行对比。处理单元由此一直对被探测装置探测到的光线进行处理，以确定该光线是否或哪些光线与已知的表面相一致。只要确定了一致性，则由此可以推断，当前所处理的表面是所述已知的表面。基于这种认可则可以完成自动作业的设备，所述设备优化其在被识别的表面上的行驶和/或清洁方案/作业方案。

除了上述设备之外，根据本发明还提供了一种用于运行这种设备的方法，其中，表面被光线照射，并且被表面反射的光线针对至少四个不同的光谱范围被探测。

附图说明

以下结合实施例对本发明进行更详尽的阐述。在附图中：

图1示出在表面上的根据本发明的设备；

图2示出根据本发明的设备的仰视图；

图3示出根据第一变型方式的探测装置；

图4示出根据第二变型方式的探测装置；

图5示出根据第三变型方式的探测装置；

图6示出根据第四变型方式的探测装置。

具体实施方式

图1所示的设备1是用于对表面2进行清洁或处理的设备1。这种设备用于对表面2进行清洁或处理。所述表面2既可以是地板，例如地毯、层压板、镶花地板或类似表面，必要时也可以是待修剪的草坪。示例性示出的设备1配置有控制设备1的行驶和清洁行为或者说处理行为的控制装置。这样，示例性的设备1就完全自主地在空间内来回行驶并实施清洁过程或者说处理过程。这样设计为抽吸机器人的设备1可以例如系统地在一个或多个空间内行驶，从而无缺漏地清洁表面。

设备1的外观由其如图1所示和设计的壳体7表现出来。

图2示出设备1的仰视图。设备1具有例如由电机驱动的行驶轮10以及同样由电机驱动的刷子11。刷子11位于吸嘴开口12内部，所述刷子穿过例如作为窗户形状的组合开口的壳体7。为了将灰尘和污物吸进设备1的容器中，设备1具有抽风机(未示出)。此外，设备1在其底侧上还具有位于壳体7内部的出口8，在该出口后面布置有光学探测装置4(在图2中未示出)。通过所述出口8可以使光线从壳体7中发出，并且传导至表面2上。处理单元9与光学探测装置4相连，所述处理单元处理探测到的信号。

对设备1的各个部件、尤其是用于行驶轮10的驱动电机、用于刷子11的电动驱动、用于抽风机的电机和其他部件的供电是通过未示出的、可反复充电的蓄电池确保的。

示例性示出的设备1具有控制装置(未示出)，所述控制装置根据处理单元9的计算结果对设备1的行驶行为和/或清洁或处理行为进行控制。在此根据被探测到的表面2的类型或参数、例如布置在表面2上的障碍物或表面2的污染程度进行控制。设备1原则上可以是可自主行走的或手动牵引的设备1。

如图3至图5所述，设备1具有用于利用光线照射表面2的光源以及用于探测被表面2反射的光线的光学探测装置4。为了使由布置在壳体7内部的光源3发出的光线能够到达表面2，壳体7设有出口8。光线从光源3通过所述出口8到达表面2，并且至少部分地被表面2沿光学探测装置4的方向反射。

如附图所示，光学探测装置4具有至少一个滤光元件5和至少一个传感器元件6。不论是一个或多个滤光元件5还是一个或多个传感器元件6都布置和设计用于相对于至少四个不同的光谱范围对被表面2反射的光线进行探测。

在根据图3的实施例中，光学探测装置4具有大量滤光元件5，所述滤光元件布置在滤片13上。总共六个滤光元件5沿滤片13的环形轨道布置。滤片13绕旋转轴线14旋转，从而使各个滤光元件5同时绕旋转轴线14沿环形轨道运行。在此，滤光元件5的位置分别与被表面2反射的光线的光轴相关。被表面2反射的光线由此按从侧面的顺序穿过布置在滤片13上的滤光元件5。滤片13在此可以持续地以缓慢的速度旋转，或滤片13可以这样被控制，从而使滤片适宜地处于这样的位置，在该位置上，滤光元件5的位置准确地位于反射的光线的光轴上。一旦达到这样的位置，滤片就可以停顿，以便在滤光元件5的静止过程中实现测量。一旦测量结束，滤片13则可以继续旋转，直至下一个滤光元件5位于反射的光线的光轴上。

位于滤片13内部的滤光元件5根据图3被设计为透射滤光器(带通滤光器)。在此，精确地允许光线的与滤光元件5的滤光特性相对应的光谱组分通过。过滤后的光部分随后达到传感器元件6，所述传感器元件可以是光电二极管。在此规定，在滤光元件5与传感器元件6之间的光轴上布置有光学元件15，所述光学元件将从滤光元件5透射的光线聚焦在传感器元件6上。光学元件15可以是例如聚焦透镜。

除了将滤光元件5设计为透射滤光器(带通滤光器)之外，滤光元件5也可以被设计为反射滤光器(带停滤光器)。在此情况下，滤光元件5对反射的光线的要被滤除的光谱组分进行反射，从而使传感器元件6同样应布置在滤光元件5的一侧，该侧相当于滤光元件5的朝向表面2的侧面。

图3所示的传感器元件6除了光电二极管之外还可以是普通的摄像机芯片，例如CCD芯片或CMOS芯片。

滤片13在该实施例中配置了六个不同的滤光元件5。滤光元件5在光的透射光谱范围方面不同。例如第一滤光元件5透射第一光谱组分范围，而第二滤光元件5透射第二光谱组分范围。为了光学探测装置4的尽可能高的分辨率，建议滤片13配置尽可能多的滤光元件5。使用越多的滤光元件5进行探测，则被表面2反射的光线就被划分成越多个光谱组分范围。每当新的滤光元件5布置在表面2的光反射部分与作为传感器元件6的光电二极管之间的光轴上时，传感器元件6(在该实施例中传感器元件是光电二极管)就在此被处理单元9读取。可选地，处理单元9也可以连续地读取二级管电流，并且将滤光元件5的位置与反射的光线的光轴相一致的时刻的二级管电流的值用于处理。

由此，处理单元9在滤片13完整地360°旋转时得到了包含在被表面2反射的光线中的光谱组分的分解结果。因为处理单元9包含的信息与何种光谱的滤光元件5在何时位于反射的光线的光轴上有关，则可以将强度与各个光谱的光部分相对应。处理单元9由此设置被反射的光线的光谱，并且将测得的光谱与已知的表面2的参比光谱相比较。只要确认了测得的光谱与参比光谱之间的一致性，则处理单元9就可以识别测得的表面2。例如处理单元9检测出待清洁的表面2是绿色的地毯地面。就可以使用这一信息，使得允许设备1仅在“敞露”的表面2上行驶。一旦设备1识别出当前所行驶的表面22的光谱发生变化，则可以设置促使设备1反向行驶的路线。同样的，由设备1实施的清洁过程或处理过程还可以根据测得的光谱被控制。例如为表面2的不同颜色使用不同的清洁剂。

在图4中示出了光学探测装置4的另一种实施例。该光学探测装置4具有光源3以及作为滤光元件5的棱镜和作为传感器元件6的芯片。芯片可以例如是CCD芯片或CMOS芯片。所述芯片总体上通常应用在数码摄像机中。本发明根据该实施变型方式这样发挥作用，即，由光源3发射的光线抵达确定的表面2上，并且从该处开始通过设备壳体7的出口8向滤光元件5的方向反射。滤光元件5例如是具有作为底面的等边三角形的棱镜，所述棱镜将被表面2反射的光线展开为其光谱组分。由此光线的光谱组分已经在空间上分离地存在，从而使所述光谱组分能整体地传递到传感器元件6上。那么摄像机芯片就可以例如被逐行读取，从而使确定的行可以与反射光的规定的光谱范围相对应。由此在读取传感器元件6之后得到反射光的光谱，所述光谱代表单独光谱范围的强度。如之前结合图3所述的，当测得的光谱与已知表面2的参比光谱相比较，并且在与已知表面2的参比光谱相一致的情况下实施相应的设备1的行驶路线或清洁/处理路线。

除了使用CCD芯片或CMOS芯片之外还可以考虑由线性并排布置的光电二极管组成的光电二极管阵列。在此情况下，分别将反射光的各个光谱组分反射到单独的光电二极管上。并排布置的光电二极管的间距在此这样测定，从而使该间距等于滤光元件5、也即棱镜之后的光线的光谱组分的间距。通过棱镜的旋转使得光谱组分的间距还与光电二极管的给定间距相适应。

在图5中示出光学探测装置4的另一种实施例，所述光学探测装置具有确定数量的滤光元件5和与此相对应数量的传感器元件6。例如滤光元件5是四个透射滤光器，并且传感器元件6是四个光电二极管。光电二极管在此例如线性并排布置并且与线性并排布置的滤光元件5的间距相对应。然而原则上滤光元件5和传感器元件6还可以以自由空间布局的方式定位。重要的仅在于，滤光元件和传感器元件位于被表面2反射的光的传播方向上。由光源3发出的光线这样通过光学元件15传输，从而使表面2的更大区域被照亮。被表面2反射的光照射在并排布置的滤光元件5上，其中，每个滤光元件5透射反射光的确定的光谱范围。第一滤光元件5在此例如可以使光线的确定的绿光组分通过，而第二滤光元件5可以使光线的红光组分通过。各个光谱组分分别通过各自的光学元件15达到各自独立的光电二极管。与光电二极管相连的处理单元9所采用的信息与那个光电二极管对应于光线的那个光谱组分相关。由此处理单元9可以确定被表面2反射的光的光谱。该测得的光谱再次与存储的已知表面2的光谱相对比，并且在确认肯定的情况下用于控制设备1的确定的行驶过程或清洁/处理过程。

在图6中示出光学探测装置4的另一种实施例。该光学探测装置4同样包含有滤光元件5和对应数量的传感器元件6。与根据图5的布局相比，滤光元件5被设计为反射滤光器。该反射滤光器沿光线的传播方向依次布置。为每个滤光元件5配置了独立的传感器元件6。传感器元件6在此位于滤光元件5的朝向表面2的侧面上。每个滤光元件5在此将被表面2反射的光的确定的光谱范围反射到相关的传感器元件6上。在此，第一滤光元件5例如可以反射光线的确定的绿光组分，而第二滤光元件5可以反射红光组分，以此类推。这样，光线的被滤过的光谱组分就到达各自的传感器元件6上。例如与图5所示类似地借助处理单元9进行对光谱组分的处理的后续步骤。

在所有情况下都可以使光源3、滤光元件5以及传感器元件6的选择与确定的表面2相适应。例如可行的是，表面2适宜地具有确定的光学特性，从而仅能反射确定光谱的光部分。表面2尤其可以具有带标记的部分区域，所述标记例如吸收紫外光并且在确定的光谱范围内发射荧光射线。荧光射线在此适当地通过UV光源3的光线被激发。不论是滤光元件5还是传感器元件6都根据放射的荧光射线的与光源相应的光谱组成来选择。由于预期的荧光射线通常在其光谱组成方面是已知的，最终可以使该光谱范围经受探测，也就是说最终使用透射该光谱部分范围的光线的滤光元件5。由此可行的是，例如红色荧光进一步分成几个光谱部分范围。

为了确保光学探测装置4的可靠的功能，在本发明的范畴内还可以规定，以一定的时间间隔在“标准白(Weiβ-Standard)”上实施参比测量。这种“标准白”例如可以安装在壳体7的内侧上。可选地例如还可行的是，当设备1处于基站时实施参比测量。尤其可以将该基站的基板设计为“参比色”，从而使光学探测装置4可以在不可变的测量布局和测量方向上实施参比测量。在此，基站的基板在本发明的范畴内是表面2。参比测量例如可以设置在每次由光学探测装置4进行探测之前，然而可选地，参比测量还可以在确定次数的测量之后重复进行，或规则地每月或类似频率地进行。

附图标记清单

1设备

2表面

3光源

4探测装置

5滤光元件

6传感器元件

7壳体

8出口

9处理单元

10行驶轮

11刷子

12抽吸开口

13滤片

14旋转轴线

15光学元件

Claims (11)

1.一种用于对表面(2)进行清洁或处理的设备(1)，其中，所述设备(1)具有用于利用光照射表面(2)的光源(3)和用于探测被表面(2)反射的光的光学探测装置(4)，其特征在于，所述光学探测装置(4)具有至少一个滤光元件(5)和至少一个传感器元件(6)，所述滤光元件(5)和传感器元件(6)布置和设计用于针对至少四个不同的光谱范围对被表面(2)反射的光进行探测。

2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述光学探测装置(4)具有至少四个滤光元件(5)，其中，每个滤光元件(5)具有与其他滤光元件(5)不同的光谱范围。

3.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述光学探测装置(4)具有共同配属于滤光元件(5)的传感器元件(6)。

4.根据权利要求1或2所述的设备(1)，其特征在于，所述光学探测装置(4)具有多个传感器元件(6)，其中，为每个滤光元件(5)配属有各自的传感器元件(6)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述传感器元件(6)是光电二极管。

6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述传感器元件(6)是CCD芯片或CMOS芯片。

7.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述滤光元件(5)是光学散射元件。

8.根据权利要求7所述的设备(1)，其特征在于，所述光学探测装置(4)具有多个线性并排布置的传感器元件(6)、尤其是光电二极管。

9.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，由光源(3)发射的光的波长与表面(2)的至少一部分的反射特性相适应。

10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于处理单元(9)，所述处理单元(9)设计用于对借助所述光学探测装置(4)探测到的光在不同光谱范围内的强度方面进行评估处理，并且为了确定表面(2)的类型而与不同的表面(2)的参比强度相比较。

11.一种用于运行对表面(2)进行清洁或处理的设备(1)的方法，所述设备(1)尤其是根据权利要求1至10中任一项所述的设备(1)，其特征在于，利用光照射表面(2)，并且针对至少四个不同的光谱范围对被表面(2)反射的光进行探测。