CN105147199A - 一种具有环境认知功能的智能清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，包括有上层模板、底层模板及充电座，所述上层模板包括有中央处理器模块一及与中央处理器模块一连接USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块，所述下层模板包括有中心处理器模块二及与中心处理器模块二连接的电源模块、按键模块、电机驱动模块、电机开关电路模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、碰撞开关模块、红外线发射模块及串口模块，所述充电座包括有中心处理器芯片及LED灯模块灯，本发明具有构建环境地图，全覆盖智能清扫，手机遥控，实时视频监控，自动寻找并返回充电座的优点。

Description

一种具有环境认知功能的智能清洁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种具有环境认知功能的智能清洁机器人。

背景技术

目前市场上的清洁机器人的智能化程度普遍较低，而且功能比较单一。大部分清洁机器人都是根据一些简单的轻触开关检测是否碰撞到障碍物，发生碰撞后稍微调整角度后重新前进，如此循环地进行清扫，这种随机性的清洁方式大部分情况下会造成某些清洁区域会反复清扫，而一些卫生死角则无法到达的状况，并且在走动人员较多的情况下效果会更加严重。对于一些清洁环境较为复杂的条件下，由于清洁机器人无法预知当前环境情况，从而使得清洁的效果和效率都是不能让人满意的。这些实用性清洁机器人的功能扩展空间是很大的，但目前往往都是局限在清扫这单一功能上。综合上述目前清洁机器人的清洁效果差、功能单一以及价格昂贵的状况，因此大部分的消费者都不会选择购买这类型的产品。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种具有环境认知功能的智能清洁机器人。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。

一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，包括有上层模板、底层模板及充电座，所述上层模板包括有中央处理器模块一及与中央处理器模块一连接USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块，所述下层模板包括有中心处理器模块二及与中心处理器模块二连接的电源模块、按键模块、电机驱动模块、电机开关电路模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、碰撞开关模块、红外线发射模块及串口模块，所述充电座包括有中心处理器芯片及LED灯模块灯。

其中，所述中央处理器模块一为CortexA8处理器。

其中，所述中央处理器模块二为STM32处理器。

其中，所述中心处理器芯片为STC89C51处理芯片。

其中，所述上层模板与所述下层模板之间通过串口进行数据交互。

其中，所述一种具有环境认知功能的智能清洁机器人设有手机连接、视频监控、手动构图、自动构图、自动清扫、虚拟墙设置、自动导航、自动回充电座功能。

本发明的有益效果为：本发明所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，包括有上层模板、底层模板及充电座，所述上层模板包括有中央处理器模块一及与中央处理器模块一连接USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块，所述下层模板包括有中心处理器模块二及与中心处理器模块二连接的电源模块、按键模块、电机驱动模块、电机开关电路模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、碰撞开关模块、红外线发射模块及串口模块，所述充电座包括有中心处理器芯片及LED灯模块灯。

（1）构建环境地图；目前市面上的清洁机器人由于缺少感知周围环境的传感器，因此只能通过反复随机碰撞修正的方法来遍历清扫，从而导致覆盖不完全而且效率低的清洁效果；本发明利用了激光雷达传感器，以及构图与定位的技术，可以将周围的清洁环境以地图的形式保存；完成地图的构建之后，智能机器人就可以根据获得的地图数据进行一系列的操作，而不是盲目地随机寻找路径；用户也可以在手机上查看地图图片，获知当前机器人所在的位置以及清扫的进度，避免了过往中需要人手寻找机器人所在位置和检查房间是否已经清扫的繁琐操作。

（2）全覆盖智能清扫；由于清洁机器人保存了整个清扫区域的地图数据，所以在进行清扫的过程中，可以根据地图计算出最高效的清洁路径进行清扫，因此可以有效解决部分区域重复清扫而卫生死角无法到达的问题；在进行清扫的过程，若路径上出现行走的人员阻挡，通过激光雷达可以实现实时避障，无需发生碰撞后才能检测出障碍物，避免与行人碰撞时存在的安全隐患；发现障碍物后会重新计算路径，并且保存行人所在区域为未清扫，便于后期对这个区域重新清扫；当机器人进入死节点之后，能够通过A*算法，寻找出最优的逃离路径至未清扫区域，继续完成清洁，整个清洁过程无需人工协助。当完成清扫操作后，机器人会自动返回起点。

（3）手机遥控；利用手机客户端上的软件程序，用户可以直接通过手机对机器人进行操作，避免寻找遥控器的麻烦；在手机客户端上除了可以对机器人进行直走、转弯等基本操作外，还可以查看整个地图文件以及已经清扫过的区域；若用户需要机器人到达某个指定区域时，可以在手机上的地图图片上点取目标点，清洁机器人收到目标坐标后开始进行智能导航，寻找最优路径到达目标点，这个功能可以使得用户方便地控制机器人更有针对性地进行清洁，不需要手动移动机器人到不同地方。

（4）实时视频监控；本发明上装有摄像头并且连接到服务器上，因此用户可以通过手机终端通过网络连接到机器人上，就可以接收到清洁机器人上的摄像头传输过来的图像数据，因此尽管没人在家里的时候，也可以随时掌握家里的情况，起到了实时监控的作用。

（5）自动寻找并返回充电座；当清洁机器人需要充电的时候，无需人为地为它插上电源，只需要启动相应充电功能，机器人就可以自动寻找红外信号并返回充电座进行充电；其最大的特点是机器人在红外作用范围外的时候，可以贴着墙壁一直寻找红外信号，当进入红外作用范围内的时候，才开始逐步向充电座靠近，直到准确地连接起来之后，才会停止移动并开始充电。

附图说明

下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的底层模板结构框图；

图2为本发明的电源14.4V转12V电路图；

图3为本发明的电源14.4V转5V电路图；

图4为本发明的电源5转3.3V电路图；

图5为本发明的串口电平转换电路图；

图6为本发明的电机驱动电路图；

图7为本发明的电机控制信号缓冲电路图；

图8为本发明的编码器电路图；

图9为本发明的电机开关电路图；

图10为本发明的碰撞开关电路图；

图11为本发明的红外发射电路图；

图12为本发明的红外接收电路图；

图13为本发明的上层模板架构图；

图14为本发明的功能结构图；

图15为本发明的与手机通信原理流程图；

图16为本发明的判断NAT类型原理图；

图17为本发明的STUN原理图；

图18为本发明的发送图像原理图；

图19为本发明的手机APP接收图像原理图；

图20为本发明的充电座结构图。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。

如图1-20所示，一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，包括有上层模板、底层模板及充电座，所述上层模板包括有中央处理器模块一及与中央处理器模块一连接USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块，所述下层模板包括有中心处理器模块二及与中心处理器模块二连接的电源模块、按键模块、电机驱动模块、电机开关电路模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、碰撞开关模块、红外线发射模块及串口模块，所述充电座包括有中心处理器芯片及LED灯模块灯。

进一步的，所述中央处理器模块一为CortexA8处理器。

进一步的，所述中央处理器模块二为STM32处理器。

进一步的，所述中心处理器芯片为STC89C51处理芯片。

进一步的，所述上层模板与所述下层模板之间通过串口进行数据交互。

更进一步的，所述一种具有环境认知功能的智能清洁机器人设有手机连接、视频监控、手动构图、自动构图、自动清扫、虚拟墙设置、自动导航、自动回充电座功能。

需更进一步的解释，如图1所示，本发明底层控制板包括STM32中央处理模块、电机驱动模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、电机开关电路模块、碰撞开关模块、红外线模块、串口模块等；其中，串口模块用于实现本发明底层模板与上层模板之间的通信；通信的主要数据包括串口调试数据和上层模板的控制信息等，电机驱动模块用于控制直流电机的转动快慢和方向；电机控制信号缓冲模块用于连接STM32和电机驱动芯片之间，避免电机的反馈电压带给STM32影响；编码器模块用于获取电机转动时产生的脉冲个数，计算车轮转动的速度；电机开关模块用于控制本发明上的扫地电机、抽风电机等；碰撞开关模块用于检测本发明是否发生碰撞；红外模块用于接收充电座发给机器人底层模板的信号，用于控制机器人返回充电座；电源模块用于提供各种电机和底层模板的电源。

如图2所示，14.4V转12V电路采用LM2575-12芯片。

如图3所示，14.4V转5V电路采用LM2375-5芯片。

如图4所示，5转3.3V电路采用AMS117-3.3芯片。

如图6所示，电机驱动模块采用TB6612FNG芯片。

如图7所示，电机控制信号缓冲模块采用74HC125D芯片。

如图13所示，本发明上层板包括了Cotex-A8中央处理器模块、USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块等；其中USB接口模块用连接摄像头模块和激光雷达模块等；以太网口模块用于连接无线路由器模块。SD卡模块用于连接SD卡，SD卡用于存储和启动机器人上层板的linux操作系统；无线路由器模块用于连接家庭路由器，用于机器人与服务器的通信；摄像头模块用于获取当前机器人环境的视频数据；激光雷达模块用于获取当前机器人环境的局部地图。

如图14所示，本发明的功能包括了，与手机连接、视频监控、手动构图、自动构图、自动清扫、虚拟墙设置、自动导航、自动回充电座等功能。

手动构图构图：主要使用了SLAM构图算法，启动了手动构图的线程之后，就会开始一个循环构图的函数，直到结束手动构图；手动构图最大特点是构图的路径是由用户实时控制的，因此可以人为地保证所有地图角落都能够遍历以及构建地图，用户一直通过手机控制机器人遍历空间中所有可以行走的区域，而在这个遍历的过程中本发明上层板中的构图程序就会每隔单位时间(1s)进行一次地图构建，在这个过程中有两幅地图，分别是全局地图和局部地图；每隔1s时间激光雷达扫描仪就会获得一张局部地图，得到这张局部地图后，结合相应的位姿信息，就可以将这幅局部地图正确的插入到全局地图中，此时的全局地图就是当前最新的地图文件，由于同时用户一直通过手机控制机器人遍历所有可以行走的区域，如此单位时间内反复插入局部地图，当遍历完所有区域并且结束手动构图线程之后，最后获得的全局地图就是由很多张局部地图组成的最为完整的地图文件。

自动构图：自动构图与手动构图的最大别在于路径的查找，由于手动构图时经过的路径是由用户通过手机人为地实时控制的，而在自动构图过程中机器人需要自己寻找这些既可以到达也还没有构建地图的目标点；当找到这些目标点之后，还需要进行一个路径规划，使得机器人可以正确的移动到这个目标点上；当进入死节点之后，机器人需要根据当前已经构得的全局地图，查找出一个逃离节点，以便继续完成构图；而使用的构图函数部分原理也是手动构图时所使用相似，但在自动构图过程中并非每隔1s单位时间获取一次局部地图，而是当机器人找到符合条件的目标点之后，在移动到这个目标点的路径规划中，每完成这个规划中的一小步则获取一幅局部地图，从而逐步构得全局地图。

自动清扫：当清洁机器人完成地图构建后，即可以根据得到的地图文件进行全覆盖的清扫功能，在全覆盖清扫的过程中，清洁机器人具有实时避障的功能；当清洁到死节点后，能够自动逃离到未清扫的区域进继续清扫功能。

自动导航：当构建完地图文件之后，程序上机器人就可以根据这个全局地图二维数组进行两点之间的路径规划，这部分与自动构图中的路径规划十分相似，差别在与自动导航中的目标点是由用户通过手机客户端点取的，而不是机器人自动寻找的。其具体原理也一致，也是将用户点取的目标点与机器人当前坐标点作为参数传到A*算法中，通过A*算法即可以找到这两点之间的最优路径，并且拆分为多个分解点与动作，最后机器人根据这些分解动作完成导航移动。

设置虚拟墙：当构建完地图文件之后，通过机器人与手机通信，把全局地图发送到手机APP上，在手机APP的全局地图上设置虚拟墙，设置完后，把设置了虚拟墙的全局地图发送到机器人上。

本发明与手机APP的通信：

为减轻服务器负担，手机APP与机器人的通信使用P2P（PeertoPeer对等通信）方式，为适应不同类型的网络使用ICE算法，在此通信中主要存在3个部分：

1.手机APP；

2.P2P服务器；

3.机器人；

其中手机APP和本发明在通信结构中处相同地位，作为通信终端，P2P服务器主要负责身份验证、数据/地址转发等功能；

ICE算法根据两个通信终端（手机APP、机器人）所处网络类型使用不同的通信策略：

对称型--对称型：TRUN

对称型--非对称型：端口猜测STUN

非对称型--非对称型：STUN

若两个通信终端在同一局域网则使用局域网通信。

使用ICE算法前需先判断两个通信终端所处网络的NAT类型；在通过服务器进行通信地址信息转发，首先尝试使用局域网地址进行通信，若成功则不使用ICE算法；若局域网地址不能通信，说明两通信终端不在同一局域网中，需要使用ICE算法进行通信，选定NAT的穿越策略进行NAT穿越（或服务转发）。此后两终端便可以进行通信。

无论APP和机器人处于哪种NAT类型后，服务都会向APP和机器人发送对方的地址信息，地址信息中都含有对方的局域网地址；APP向机器人局域网地址发送通信请求（重复数次）；若机器人收到通信请求，设请求数据的源地址为APP通信地址，并向APP返回响应；APP收到响应后将响应的源地址设为机器人通信地址；此后便可使用对方的通信地址进行通信；若APP没有接收到机器人的响应，则说明不能使用局域网通信。

若两个通信终端都处于非对称型NAT后，这种情况可以直接进行NAT穿越；APP和机器人同时向对方发送通信请求，由NAT穿越的特性，先到达的请求将被NAT过滤，后到达的请求将会到达；接收到请求的一方立即返回响应。这是双方可以正常通信。

如图17所示，视频监控在APP和本发明可以正常通信后，可以进行视频传输；本发明使用OpenCV从摄像头获取图像后，将图像拆成1400B的包，封装包头后发送，APP开辟3个缓存空间，每个缓存空间可存储一帧图像，所以可同时接收3帧图像。当APP接收到图像数据包后，根据包头的ID信息，判断是否正在缓存此ID的图像，若是则将此包中的图像数据放在此缓存空间的对应位置；若接收的数据包是结束包，则显示此缓存空间中的图像；若APP并没有缓存空间正在缓存此ID的图像，则寻找空闲缓存空间进行缓存；若找不到空闲缓存空间，则将3个缓存空间中ID最小的缓存替换为此ID的缓存。

如图20所示，本发明的充电座包括了STC89C51中央处理模块、LED灯模块灯，STC89C51模块用于与如图11的红外发送模块连接，用于发送返回充电座的信息给本发明。

自动返回充电座：

启动充电座后，红外发射管会分时发送不同信号；

当本发明返回到充电座，可以触发轻触开关，模拟本发明已回到充电座进行充电，红外管发送本发明停止信号使本发明停止。

1、本发明收到回充电座命令；

2、无红外信号时，本发明以自身为中心螺旋式搜索信号，旋转两周后若任无信号则沿墙搜索信号，直至找到信号或收到停止搜索命令为止；

3、本发明处于A区，本发明右转，直到A区信号消失，本发明前进一个固定距离；

4、本发明处于B区，本发明左转，直到B区信号消失，本发明前进一个固定距离；

5、C区为无信号区，本发明处于C区时，本发明会进行信号搜索，搜索到信号后，本发明依据第二、三条规则进行处理。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：包括有上层模板、底层模板及充电座，所述上层模板包括有中央处理器模块一及与中央处理器模块一连接USB接口模块、以太网口模块、SD卡模块、无线路由器模块、摄像头模块、激光雷达模块，所述下层模板包括有中心处理器模块二及与中心处理器模块二连接的电源模块、按键模块、电机驱动模块、电机开关电路模块、电机控制信号缓冲模块、编码器模块、碰撞开关模块、红外线发射模块及串口模块，所述充电座包括有中心处理器芯片及LED灯模块灯。

2.根据权利要求1所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：所述中央处理器模块一为CortexA8处理器。

3.根据权利要求1所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：所述中央处理器模块二为STM32处理器。

4.根据权利要求1所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：所述中心处理器芯片为STC89C51处理芯片。

5.根据权利要求1所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：所述上层模板与所述下层模板之间通过串口进行数据交互。

6.根据权利要求1所述的一种具有环境认知功能的智能清洁机器人，其特征在于：所述一种具有环境认知功能的智能清洁机器人设有手机连接、视频监控、手动构图、自动构图、自动清扫、虚拟墙设置、自动导航、自动回充电座功能。