CN105446350B

CN105446350B - 自移动机器人移动界限划定方法

Info

Publication number: CN105446350B
Application number: CN201410504400.6A
Authority: CN
Inventors: 汤进举
Original assignee: Ecovacs Robotics Suzhou Co Ltd
Current assignee: Ecovacs Robotics Suzhou Co Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: US10520950B2; EP3200040A1; EP3200040B1; CN105446350A; EP4345564A1; EP3889725A1; EP3889725B1; US20200089235A1; US20170248956A1; EP3200040A4; WO2016045617A1

Abstract

一种自移动机器人移动界限划定方法，步骤100：在自移动机器人的运动区域内设置三个以上基站并建立坐标系；步骤200：在自移动机器人的运动区域内人为规划移动路径，采集该路径上的样本点，确定样本点在所述坐标系中的坐标；步骤300：根据采集到的样本点坐标划定界限，并设定自移动机器人在所述界限内或外进行作业。本发明基于固定基站测距定位从而实现对移动界限的划定，与现有技术相比，无论是精度还是便捷性，都具备明显优势。

Description

自移动机器人移动界限划定方法

技术领域

本发明涉及一种自移动机器人移动界限划定方法，属于自移动机器人运动控制制造技术领域。

背景技术

自移动机器人是一种常用的机器人，包括：扫地机器人、割草机器人、家庭服务机器人和监控机器人等等很多不同类型，以其能够自由行走的特点得到了使用者的广泛青睐。如何有效控制自移动机器人在某一作业空间内的运动，是关键的问题。所述的自移动机器人要解决限定自移动机器人移动范围的问题，需要对运动区域进行区块划分，现有的区域划分方法包括卫星定位法、设置标记物法、空间红外信号引导法等等，但上述现有的区域划定方法均存在精度不高，标记物布置繁琐等问题，且应用场合需要根据实际环境的特定要求进行特定设置，不具备普适性。公开号为CN 101109809A的发明申请，公开了一种基于向控感光阵列的定位装置、系统和方法，是通过固定在同一平面上的三个红外信号发射装置和设置在机器人上的信号接收装置，利用正弦定理计算来实现对室内或小区域内的移动目标的实时定位，但该方法仅能实现对机器人的实时定位，且计算精度不高，更无法实现移动界限划定的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种自移动机器人移动界限划定方法，是一种基于固定基站测距定位从而实现对移动界限的划定，与现有技术相比，无论是精度还是便捷性，都具备明显优势。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种自移动机器人移动界限划定方法，包括如下步骤：

步骤100：在自移动机器人的运动区域内设置三个以上基站并建立坐标系；

步骤200：在自移动机器人的运动区域内人为规划移动路径，采集该路径上的样本点，确定样本点在所述坐标系中的坐标；

步骤300：根据采集到的样本点坐标划定界限，并设定自移动机器人在所述界限内或外进行作业。

所述步骤100中以其中一个基站为原点建立坐标系，通过测量各基站之间的信号传输时间计算出各基站之间的距离，从而确定各基站在该坐标系中的坐标。

所述步骤200中确定样本点的坐标具体包括，通过测量自移动机器和基站之间的信号传输时间计算出样本点在所述坐标系内的坐标；计算方法包括：几何定位法、最小二乘法或到达时间差法。所述步骤200中的人为规划移动路径可以采用多种方式实现，具体包括：使用者通过交互装置控制自移动机器人移动所形成的路径；或者，使用者将设置在自移动机器人上的定位装置取下，并使其在运动区域内移动所形成的路径。

更具体地，所述步骤200中样本点的采集方式为通过移动自移动机器人进行间隔采集，所述间隔采集为自移动机器人自动按照设定的时间间隔进行采集，或者人为随机采集。

本发明通过设置基站来建立坐标系，所述坐标系既可以是平面坐标系，又可以是立体坐标系，在不同的坐标系中，所划定的界限形状也有所不同，具体来说：

所述步骤100中所述的坐标系为通过三个基站建立的平面坐标系，且该平面坐标系所在平面与自移动机器人的运动区域共面。

所述步骤300中的界限为由样本点形成的开放或封闭的线条。

所述步骤100中所述的坐标系为通过四个基站建立的立体坐标系。

所述步骤300具体包括：将采集的样本点集合采用投影方法垂直或者非垂直投影到平面形成映射点，且该投影平面为自移动机器人的运动区域所在的平面；所述界限为所述映射点连接形成的开放或封闭的线条。

所述步骤300中所述界限为3个采样点确定的一个平面，或者通过3个以上采样点拟合出的一个平面。

所述步骤300中所述界限为通过多个采样点采用标准形体或所述标准形体的组合来插值或者拟合采样点构建的立体空间的表面。

所述标准形体为正方体、长方体、球体或三棱锥。

综上所述，本发明基于固定基站测距定位从而实现对移动界限的划定，与现有技术相比，无论是精度还是便捷性，都具备明显优势。

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细地说明。

附图说明

图1为本发明建立平面坐标系的示意图；

图2为本发明实施例一的示意图；

图3为本发明实施例二的示意图；

图4为本发明实施例三的示意图；

图5为本发明实施例四的示意图；

图6为本发明实施例五的示意图；

图7为本发明实施例六的示意图；

图8为本发明实施例七的示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种自移动机器人移动界限划定方法，该方法基于固定基站测距定位从而实现对移动界限的划定，具体来说，该自动机器人定位系统包括自移动机器人MR(Mobile Robot)和三个以上基站BS(Base Station)，所述自移动机器人和各基站上均设置无线信号发射和接收装置，为保证测量可靠性，所发射的无线信号可以为红外线、超声波、激光、电磁波等，且该无线信号的传输速度k已知。正常工作时，自移动机器人与基站均发射该无线信号，且彼此之间相互接收信号，并测量该信号的传输时间t,通过k×t可计算出各基站之间的距离L以及自移动机器人相对各基站的距离S。

图1为本发明建立平面坐标系的示意图。如图1所示，建立平面坐标系的过程是这样的：首先，根据三点确定一个平面的原理，以三个基站BS1、BS2和BS3确定一个平面并在该平面内建立坐标系，以第一基站BS1为坐标系的原点(0,0)，可以设第一基站BS1、第二基站BS2所在直线为X轴，与该直线相垂直的为Y轴。通过上述k×t的公式，计算得到各基站之间的相对距离L,从而获得其各自在该平面坐标系中的坐标。

上述建立坐标系的方法较为简单，实际应用中，并非一定要以其中一个基站作为原点，以第一、第二基站确定X轴，例如：

假设第一基站的坐标为：(X₁,Y₁),

第二个基站的坐标即为：(X₁+L₁×cosA,Y₁+L₁×sin A),

其中，L1为第一、第二基站之间的距离，A可以设为第一、第二基站连线与X轴的夹角，X1,Y1,A可以任意取值以确定坐标系，坐标系建立后即可确定各基站对应的坐标。

当然，可以通过三个基站建立平面坐标系，也可以通过四个基站建立立体坐标系。另外，需要说明的是，如果是通过三个基站建立平面坐标，须保证三个基站不在同一条直线上。另外，可以通过增加基站的设置个数，来提高计算精度。

结合图1所示，通过计算得到自移动机器人相对各基站的距离S,以三个点建立一个平面坐标系为例，通过测得信号从自移动机器人MR到第一基站的传输时间t1,根据已知的传输速度计算出S1，同理计算得到S2,S3,如图1所示，第一基站BS1的坐标为(0,0)，第一基站BS1与第二基站BS2之间的距离为L1,则第二基站BS2的坐标为(L1,0)，通过S1,S2,L1可计算夹角A，再根据S3，就能计算出MR的坐标。以上所采用的计算方法可以被称为几何定位法。

除此之外，也可通过最小二乘法计算，根据公式：

(x-x₁)²+(y-y₁)²＝r₁ ²，r₁＝t₁×k，

其中，第一基站BS1的坐标为(x1,y1)，自移动机器人的坐标为(x,y)，t1为信号从自移动机器人到第一基站的传输时间，r1为自移动机器人到第一基站的距离。同理列出对应其它两个基站的方程，通过测得t1,t2,t3,可以求解x,y值，即为MR的坐标。

另外，还可以到达时间差法来确定MR的坐标，即：TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL，简称TDOA。

假设相对于MR,第一基站较第二基站距离更远，可列出方程：

其中，第一基站的坐标为(x1,y1)、第二基站的坐标为(x2、y2)、自移动机器人的坐标为(x，y)，t1和t2分别为信号从自移动机器人到第一基站和第二基站的传输时间。

同理列出其余两个方程，通过测得t1,t2,t3,可以求解x,y值,即MR的坐标。

上述三种方法可以对机器人的移动进行定位，为了得到一个用户想要的界限，需要预先人为操控MR进行移动，并采集该移动路径上的样本点P。具体移动方式为，用户手持MR行走，或者将设有信号发射和接收装置的定位装置从MR上取下并手持该定位装置移动，或者通过交互装置控制MR移动，在该移动过程中，需间隔采集样本点，用户可以通过交互装置设置采集样本点的时间间隔使MR按照该时间间隔自动进行采集，或者手动操控相应功能键进行采集。

获得样本点P后，可通过预设在交互装置上的界限划定模式连接样本点，所述界限划定模式是指样本点的连接方式，例如依次直线或曲线连接各样本点形成界限，或者利用样本点拟合出曲线型界限，或者连接首尾两个点形成封闭界限，或者利用样本点确定两端可无限延伸的直线型界限，所述界限划定模式可人为设计并通过程序嵌入MR内，方便用户进行选取。所述交互装置包括，设置在MR表面的选择按钮、选择指示屏幕，或者为MR配备的遥控器，或者通过蓝牙，wifi与MR进行通讯的移动终端如手机、平板等。

通过样本点划定界限后，通过程序设定禁止MR进入该界限或者从该界限离开，实现其在所述划定界限内、外作业。

实施例一

图2为本发明实施例一的示意图。如图2所示，在本实施例中，自移动机器人移动界限划定方法主要包括以下几个步骤：

首先，确定平面坐标系：在自移动机器人MR运动区域A内放置3个基站BS，并且保证该三个BS不在同一条直线上，通过该三个BS确定一平面坐标系，且该平面坐标系所在位置为自移动机器人的运动区域A。

其次，是获得样本点：通过MR自动采集或人为随机采集获得样本点P，通过几何定位法、最小二乘法或到达时间差法(TIME DIFFERENCE OF ARRIVAL，简称：TDOA法)计算出各样本点坐标。

最后，完成界限划定：根据采集到的样本点，绘制出直线型或曲线型界限。然后通过设置禁止MR跨越该界限的方式，实现对区域的划分。在图2所示的实施例中，通过采集的四个样本点P1至P4确定了曲线X，设置禁止MR跨越该曲线X之后，MR的实际运动位置如图1中多个带箭头的直线Y所示，仅在曲线X的一侧运动而不再跨域该曲线X到其另一侧运动。

当然，如果在运动区域A内还存在墙面等其他障碍物，也可以与该曲线X结合起来，实现完全分隔的区域划分。由于曲线X的两端与运动区域A的边界非封闭，为了防止MR在曲线X的外端绕过，从一侧运动到另一侧，可以优选将曲线X与障碍物连接或者添加其他设计功能，以使区域划分更加明确。如果是通过若干样本点来确定的直线，那么系统可以认为其端点是可以无限延长的，直至与运动区域A的边界相交，形成封闭的划分区域。

实施例二

图3为本发明实施例二的示意图。如图3所示，在本实施例中，自移动机器人移动界限划定方法主要包括以下几个步骤：

首先，确定平面坐标系：在自移动机器人MR运动区域A内放置3个基站BS，并且保证该三个BS不在同一条直线上，通过该三个BS确定一个平面。BS放置完成后，通过前述的方法可确定一平面坐标系，且该平面坐标系所在位置为自移动机器人的运动区域A。

其次，是获得样本点：通过MR自动采集或人为随机采集获得样本点P，通过几何定位法、最小二乘法或到达时间差法计算出各样本点坐标。

最后，完成界限划定：根据采集的样本点集合P，绘制封闭图形，绘制方法包括直线或者曲线的插值或者拟合，确定一个封闭图形后，将运动区域划分为图形内以及图形外，从而实现对自移动机器人运动区域的划分。在图3所示的实施例中，通过采集的四个样本点P1至P4确定了一个封闭图形M，设置禁止MR跨越该封闭图形M之后，MR的实际运动位置如图3中多个带箭头的直线N1和N2所示，分别在封闭图形M的内、外两侧运动，不再跨域该封闭图形M。

另外，可以在自移动机器人上进行程序设定，使自移动机器人在划定界限内完成一定时间或一定距离的作业，然后即可再行离开划定界限，继续其他作业。

实施例三

图4为本发明实施例三的示意图。如图4所示，在本实施例中，自移动机器人移动界限划定方法主要包括以下几个步骤：

首先，确定立体坐标系：在自移动机器人MR的运动区域内放置4个基站BS，并且BS组成的空间维度为三维。BS放置完后，确定立体坐标系，当MR位于该立体坐标系内时，根据信号传输时间可计算MR的坐标。

其次，获得样本点：通过MR自动采集或人为随机采集获得样本点P，通过几何定位法、最小二乘法或到达时间差法计算出各样本点坐标。

如图4所示，最后，完成界限划定：将采集的样本点集合P采用投影方法垂直或者非垂直投影到XY平面或者其他平面，且该投影平面为自移动机器人的运动区域A所在的平面。将在空间采集的样本点P1至P4映射到平面坐标系XOY之后，映射点P1’至P4’确定一界限，该界限可以是由多条连接在映射点之间的直线组成的，也可以为一条包络曲线。如图3所示，本实施例中的界限即为曲线Q，然后通过设置禁止MR跨越该曲线Q的方式，实现对区域的划分。当设置禁止MR跨越该曲线Q之后，MR的实际运动位置如图3中多个带箭头的直线Z所示，仅在曲线Q的一侧运动而不再跨域该曲线Q到其另一侧运动。与实施例一类似，如果在运动区域A内还存在墙面等其他障碍物，也可以与该曲线Q结合起来，实现完全分隔的区域划分。

因此，在本实施例中，自移动机器人是在空间运动时采集到的样本点，随后将采集的空间样本点投影到自移动机器人的运动区域A中，形成映射点，再通过映射点确定直线或曲线，通过禁止跨越的方式，实现对运动区域的划分。

实施例四

图5为本发明实施例四的示意图。如图5并对照图4所示，本实施例中自移动机器人移动界限划定方法与实施例三基本相同，都是通过自移动机器人在空间运动时采集样本点，随后将采集的空间样本点投影到自移动机器人的运动区域A中，形成映射点，再通过映射点确定直线或曲线，通过禁止跨越的方式，实现对运动区域的划分。两者唯一的差别在于，通过映射点形成的图形不同，实施例三中形成的是非封闭的曲线Q，而在本实施例中形成的则是封闭图形H。

本实施例中的其他技术内容与实施例三相同，在此不再赘述。

实施例五

图6为本发明实施例四的示意图。如图6并对照图5所示，本实施例中自移动机器人移动界限划定方法与实施例四基本相同，都是通过自移动机器人在空间运动时采集样本点，随后将采集的空间样本点投影到自移动机器人的运动区域A中，形成映射点，再通过映射点确定直线或曲线，通过禁止跨越的方式，实现对运动区域的划分。两者唯一的差别在于，两者的投影方向不同，实施例四为垂直投影，而本实施例则为非垂直投影，这需要在处理器程序内预先设置投影角度和投影方向，再计算得到最终投影在平面上的坐标。通过映射点形成封闭图形H’。

本实施例中的其他技术内容与实施例四相同，在此不再赘述。

实施例六

图7为本发明实施例六的示意图。如图7所示，在本实施例中，自移动机器人移动界限划定方法主要包括以下几个步骤：

首先，确定立体坐标系：在自移动机器人MR的运动区域内放置4个BS，并且BS组成的空间维度为三维。放置完BS后，确定立体坐标系，当MR位于该立体坐标系内时，根据信号传输时间可计算MR的坐标。

如图7所示，最后，完成界限划定：在立体空间中，假设有4个采样点P1至P4，可以通过其中3个采样点P1、P2和P3确定一个平面U，或者通过3个以上采样点拟合出平面U，限制MR穿越，实现区域划分。界限划定后如图7所示，MR只能在平面U的下方运动而不能穿越过该平面U到其上方来运动。值得说明的是，当该方式用于地面运动机器人时，平面U对该机器人的限制为平面U与地面的相交线。

本实施例中所提供的方法，既适用于地面自移动机器人，也适用于飞行的自移动机器人。

实施例七

图8为本发明实施例七的示意图。如图8所示，在本实施例中，自移动机器人移动界限划定方法主要包括以下几个步骤：

首先，确定立体坐标系：在自移动机器人运动区域内放置4个BS，并且BS组成的空间维度为三维。放置完BS后，确定立体坐标系，当MR位于该立体坐标系内时，根据信号传输时间可计算MR的坐标。

如图8所示，最后，完成界限划定：在三维空间中，通过多个采样点P1至P9采用标准形体的组合长方体C和三棱锥D插值或拟合采样点，构建立体空间，限制自移动机器人超出该立体空间范围内的运动，从而实现区域划分。界限划定后如图8所示，MR只能在立体空间的内部或者外部运动而不能穿越过该立体空间的表面。也可以仅采用一个标准形体如长方体、正方体、球体、三棱锥等，或任意两个以上所述标准形体的组合差值或拟合采样点来构建立体空间。

本实施例中所提供的方法主要适用于可飞行的自移动机器人。

综合上述七个实施例可知，本发明在自移动机器人的运动区域放置多个基站，通过基站对自移动机器人测距来确定其坐标，从而划定界限，通过该界线划分的区域可设置为工作或非工作区域。设置方式也可以采用自移动机器人默认划定的区域为作业区域，或者通过人为选择的方式进行选取。其中,实施例一和二是依据平面运动轨迹并在该平面上取样、划定界限；实施例三、四和五是依据空间运动轨迹取样，采用垂直或非垂直的方式投影在平面上形成映射点，再利用映射点划定界限；而实施例六和七则是以其空间运动轨迹取样，并在空间内划定界限。

综上所述，本发明提供一种自移动机器人移动界限划定方法，基于固定基站测距定位从而实现对区域的划分，与现有技术相比，无论是精度还是便捷性，都具备明显优势。

Claims

1.一种自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于,该方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤100中以其中一个基站为原点建立坐标系，通过测量各基站之间的信号传输时间计算出各基站之间的距离，从而确定各基站在该坐标系中的坐标。

3.如权利要求1所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤200中确定样本点的坐标具体包括，通过测量自移动机器人和基站之间的信号传输时间计算出样本点在所述坐标系内的坐标；

计算方法包括：几何定位法、最小二乘法或到达时间差法。

4.如权利要求1所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤200中的人为规划移动路径，具体包括：

使用者通过交互装置控制自移动机器人移动所形成的路径；

或者，使用者将设置在自移动机器人上的定位装置取下，并使其在运动区域内移动所形成的路径。

5.如权利要求1所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤200中样本点的采集方式为通过移动自移动机器人进行间隔采集，所述间隔采集为自移动机器人自动按照设定的时间间隔进行采集，或者人为随机采集。

6.如权利要求1-5任一项所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤100中所述的坐标系为通过三个基站建立的平面坐标系，且该平面坐标系所在平面与自移动机器人的运动区域共面。

7.如权利要求6所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤300中的界限为由样本点形成的开放或封闭的线条。

8.如权利要求1-5任一项所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤100中所述的坐标系为通过四个基站建立的立体坐标系。

9.如权利要求8所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤300具体包括：将采集的样本点集合采用投影方法垂直或者非垂直投影到平面形成映射点，且投影平面为自移动机器人的运动区域所在的平面；

所述界限为所述映射点连接形成的开放或封闭的线条。

10.如权利要求8所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤300中所述界限为3个采样点确定的一个平面，或者通过3个以上采样点拟合出的一个平面。

11.如权利要求8所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述步骤300中所述界限为通过多个采样点采用标准形体或标准形体的组合来插值或者拟合采样点构建的立体空间的表面。

12.如权利要求11所述的自移动机器人移动界限划定方法，其特征在于，所述标准形体为正方体、长方体、球体或三棱锥。