CN106020207B - 自移动机器人行走方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自移动机器人和自移动机器人利用廉价的普通传感器和微处理器来实现其避障行走的方法,其在所述自移动机器人的行走区域内,以水平方向为X轴,竖直方向为Y轴建立平面直角坐标系,且设定沿着Y轴正向行走为执行去程模式和沿Y轴反向行走为执行回程模式,记录和删除自移动机器人在作业区内的触碰到障碍物后的坐标值,并建立一个障碍物坐标值数据库,还包括一个折返模式,该折返模式有针对性的挑选所述数据库中的三个坐标值进行分析,与所述去程模式和回程模式一起实现对所述行走区域的全区域覆盖,从而使得行走过程真正的有规律,提高行走区域的覆盖率,降低行走重复率,降低系统能耗,延长系统有效工作寿命。

Description

自移动机器人行走方法与装置
技术领域
本发明涉及自移动机器人行走方法与装置,属于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。当前自移动机器人面临的一个重大技术难点是对作业区域进行全覆盖。评价全覆盖可以用以下两条标准进行衡量:(1)覆盖完全性,即自移动机器人覆盖的区域和室内允许自移动机器人进入的区域之面积比值。实现作业区域的全覆盖一直是自移动机器人研究的最大目标和难题;(2)覆盖效率,即重复覆盖的区域与可进入区域之面积比值。这个指标代表着自移动机器人路径规划的优化程度和工作效率。
以扫地机器人为例,现有的扫地机器人实现行走的方法主要分四种:(1).如iRobot公司的Roomba系列扫地机器人,其行走方法是随机碰撞模式,主要依靠长时间(运行至电池耗尽)的随机行走等启发式行走模式来获取最大覆盖率。这种算法原理简单,对软硬件要求不高,容易实现。但是由于随机性的存在,这种算法完全不能保证清洁机器人在面积较大、环境复杂区域的覆盖率,而且机器人在一段时间内容易局限于某个区域反复清扫,导致重复覆盖率不但高,而且在不同区域的分布极不均匀,导致能耗大。(2). 激光测距式导航系统(LaserSmart™ Mapping and Navigation),Neato扫地机器人是通过激光测距的方法生成室内地图,在此基础上合理地规划清扫路线,而不是试探着撞来撞去,用户直观的感受是,它看起来比较聪明。其实现原理是:它的顶端设置有一个可旋转的激光发射头和配套接收器,通过发射激光扫描自身到边界每个点的距离,从而生成数字地图,还能根据屋内家具位置的变化实时进行更新。既然大脑中有了室内地图,Neato还可以聪明地记忆存储位置关系,比如当它因电量不足而自动返回充电完毕以后,能自动从上次返回的节点继续开始清扫(3). 北极星导航系统(NorthStar® Navigation System),类似于室内GPS定位的方法,北极星导航系统的实现原理是在室内建立一个发射信号的模块,机器人通过测算自身跟该信号的偏移角度来确定自己的位置。由于它不能像Neato一样“看见”室内的物体,所以只能在清扫过程中通过自身去触碰来建立室内地图和物体之间的位置关系。iRobot公司的Braava系列擦地机器人就是应用于此项技术。(4). 图像式测算导航系统,其原理是利用顶部搭载的3摄像头扫描周围的环境,然后结合红外传感器,利用数学运算和几何、三角法测绘出房间的地图,以此来进行导航,并根据前后影像中各个地标的位置变化来判断当前的移动路线,并对其所构建的环境模型进行更新与调整。
后面三种路径规划技术都是利用先进传感器对清洁机器人进行定位,同时构建目标区域地图,来保证覆盖的完全性并降低重复覆盖率。但由于算法复杂,实现需要增加昂贵的传感器和计算能力强大的微处理器来保证,这也导致市场上这类清洁机器人产品的价格居高不下,比普通清洁机器人价格贵出2-3倍。
发明内容
为了解决上述现有的技术问题,本发明提出一种自移动机器人避障行走方法,在所述自移动机器人的行走区域内,以水平方向为X轴,竖直方向为 Y 轴建立平面直角坐标系,且设定沿着Y 轴正向行走为执行去程模式和沿Y轴反向行走为执行回程模式,记录和删除自移动机器人在作业区内的触碰到障碍物后的坐标值,并建立一个障碍物坐标值数据库,还包括一个与所述去程模式和回程模式一起实现所述行走区域的全区域覆盖的折返模式,具体包括如下步骤 :
步骤S01:自移动机器人按照去程模式行走,触碰到障碍物后,切换成回程模式行走,记录自移动机器人执行去程模式时触碰到障碍物时的坐标值,存储该位置的坐标到所述障碍物坐标值数据库中;记录自移动机器人执行回程模式时触碰到障碍物时的坐标值,存储该位置的坐标到所述障碍物坐标值数据库中;并根据障碍点的坐标存储于所述障碍物坐标值数据库中的先后顺序设定为前一障碍点和当前障碍点;
步骤S02:判断所述障碍物坐标值数据库中是否有一坐标在 Y 轴上的坐标值位于当前障碍点与前一障碍点在 Y 轴上的坐标所构成的数值区间内 ,若判断结果为是,则该记录点为折返触发点,自移动机器人进入所述折返模式,自移动机器人接下来按照折返模式行走,直到退出折返模式;若判断结果为否,返回步骤S01;
步骤S03:循环步骤S01到步骤S02,直至完成行走区域的全区域覆盖行走。
其中,所述步骤S01中所述自移动机器人从所述去程模式切换成所述回程模式是通过平移一个机身长度距离和旋转90°来实现的。
其中,所述步骤S02中机器人进入折返模式后,其具体步骤为:
S021: 自移动机器人在当前障碍点机身原地顺时针旋转270°后沿X轴反向行走一个值为L1的距离或者直到触碰障碍物,进入步骤S022;
S022 : 自移动机器人原地顺时针旋转机身270°后,行走一个值为L2的距离或者直到触碰到障碍物,进入S023
S023:自移动机器人继续按照去程模式切换成回程模式或者回程模式切换成去程模式的方式来行走,直到自移动机器人在X轴上行走的累积距离等于S021中的距离L1,退出折返模式,进入步骤S01;
另外, 本发明还提出一种按照上述任一所述的方法行走的自移动机器人装置,所述自移动机器人装置包括行走结构、控制单元和传感器系统,所述传感器系统包括碰撞传感器,其特征在于:还包括用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位系统,所述方位定位系统为电子罗盘和码盘,所述电子罗盘设置于所述控制单元上且与所述控制单元电连接,所述码盘设置于所述行走结构上。
其中,所述行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮,所述两个驱动轮分别位于所述自移动机器人装置的底部两侧与所述自移动机器人装置的几何中心呈轴对称,所述万向轮位于所述自移动机器人装置的与所述两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置,所述驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。
其中,所述包含碰撞传感器的传感器系统位于所述自移动机器人前端,所述碰撞传感器与所述控制单元相连,所述控制单元接收所述碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。
其中,所述方位定位系统还包括陀螺仪。
本发明实施例具有如下优点或有益效果:其利用廉价的普通传感器和微处理器来实现自移动机器人装置的行走,从而使得行走过程真正的有规律,提高行走区域的覆盖率,降低行走重复率,降低系统能耗,延长系统有效工作寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 为本发明自移动机器人全区域避障行走示意图。
图2 为本发明自移动机器人全区域避障行走示意图。
图3为本发明自移动机器人全区域避障行走示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面参考附图对本发明的实施例进行描述,本发明提出一种自移动机器人,其包括行走结构、控制单元和包括碰撞传感器的传感器系统,以及还包括由电子罗盘和码盘组成的用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位系统,电子罗盘被设置于控制单元上且与控制单元电连接,码盘被设置于行走结构上。依靠该方位定位系统,记录和删除自移动机器人在行走区域100内的触碰到障碍物后的坐标值,并建立一个障碍物坐标值数据库,控制单元有针对性的选择该数据库中的三个坐标值进行分析,从而控制自移动机器人的下一步运动。
行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮,两个驱动轮分别位于自移动机器人装置的底部两侧与自移动机器人装置的几何中心呈轴对称,万向轮位于自移动机器人装置的与两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置,驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。
其中,包含碰撞传感器的传感器系统位于自移动机器人前端,碰撞传感器与控制单元相连,控制单元接收碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。
进一步,方位定位系统还包括具有校正电子罗盘的作用的陀螺仪。
图1 为本发明实施例一自移动机器人避障行走示意图。如图1 所示,本发明的具体避障行走过程如下所述。首先,在所述自移动机器人的行走区域内,以水平方向为 X 轴、竖直方向为 Y 轴建立平面直角坐标系,且设定沿着Y 轴正向行走为执行去程模式和沿着Y轴反向行走为执行回程模式,同时自移动机器人行走区域100内的行走遵循左手法则,即自移动机器人左侧靠近障碍物,当需要改变行走方向时,机器人通过顺时针旋转机身到某个角度的方式来实现,例如自移动机器人从去程模式切换成回程模式时,需要机器人平移一个机身长度距离,自移动机器人左侧靠近障碍物,原地顺时针旋转180°,其中,机器人平移机身是为了从已经行走过的区域离开,从而转向新的行走区域,原地顺时针旋转180°是为了调整机器人的行进方向,其中,本实施例中机身长度一般为25-35cm 。
结合图1,对本发明的避障行走过程进行说明。具体来说,自移动机器人在行走区域 100 内,从该区域的左下角 O 点处出发,执行去程模式,当其运动到行走区域 100 的上方边缘 A点时,检测到障碍物,该障碍物不仅仅包括传统意义上凸起类的障碍物,还包括类似墙体等,将其通称为障碍物,此时,存储该点的坐标,为(X0,YA),自移动机器人在A点沿X轴正向平移一个机身长度距离后,切换为执行回程模式。当其运动到行走区域 100 的下方边缘B点时,检测到障碍物,此时,存储该点的坐标,为(XB,YB)。自移动机器人在 B点处沿X轴正向平移一个机身长度距离后,切换成执行去程模式,如图1所示,机器人的行走路径为O →A→B ,构成一个S形行走路径回路,自移动机器人按照该S形行走方法,继续行走,同时记录存储每个触碰到的障碍物的坐标值,当障碍物坐标值数据库中的坐标值超过3个时,机器人控制单元对每次触碰到障碍物后记录下来的坐标值进行判断:数据库中是否存在一 Y轴坐标值在当前坐标点与前一坐标点所构成的 Y 轴坐标区间内的障碍物点。
当自移动机器人运动到D点时,检测到障碍物,存储该点的坐标,为(XD,YD),D点的前一障碍点C点的坐标为(XC,YB),机器人控制单元进行判断:数据库中是否存在一 Y 轴坐标值在当前坐标点D点与前一坐标点C点所构成的 Y 轴坐标区间内的障碍物点。如图1所知,很显然障碍物坐标值数据库中没有Y 轴坐标位于 YD和 YB之间的障碍物点,则自移动机器人在D点处沿 X 轴正向平移一个机身长度距离后,切换成执行回程模式,如此往复“S”字形路径,同时对每个检测到障碍物点的坐标点都进行记录。当自移动机器人运动到K点时,障碍物坐标值数据库中存储到该点的坐标为(XK,YA), 此时控制单元计算与K点相邻的障碍物坐标值在Y轴上的坐标差,如图1所述,K点的相邻坐标点为G点,该点的坐标为(XG,YB),由于在障碍物坐标值数据库中可能存在着多个障碍物点的Y 坐标值在K点和G点 Y 坐标值之间,如图1中的D点、E点和F点的 Y 坐标值在K点和G点 Y 坐标值之间,此时控制单元以X轴上的坐标值最小作为进一步的标准来筛选符合Y轴条件的点,挑选出进入折返模式的折法触发点,如图1中,D点的X 轴坐标值 XD 小于F点X 轴坐标值 XF,则判断处D点为折返触发点,接下来自移动机器人按照折返模式进行行走。
本实施例中,自移动机器人进入折返模式的目的为:自移动机器人按照去程模式和回程模式不能够实现行走区域100的全区域覆盖,这是由于实际工作中,行走区域中必定存在障碍物,如图1中行走区域100中的障碍物M1 ,本实施例中自移动机器人在去程模式时触碰到障碍物就平移机身切换成回程模式或者回程模式时触碰到障碍物就平移机身切换成去程模式,所以该障碍物后的区域机器人并没有覆盖到,如图1中障碍物M1的上方区域,自移动机器人并没有覆盖到,所以增加一个折返模式来覆盖如图1中障碍物M1的上方区域,实现行走区域100的全区域覆盖。折返模式对应到自移动机器人具体的行走路径规划:自移动机器人沿X轴反向行走一个距离,使自移动机器人能行走到或接近到去程模式或者回程模式时触碰到障碍物X轴坐标值上,该距离为自移动机器人当前点的坐标值的X轴值与折返触发点的X轴的坐标值的差再加上一个自移动机器人的机身长度。同时由于已经进入到折返模式,为了防止反复进入折返模式,设定删除障碍物坐标值数据库中的此次折返触发点坐标以及与其Y轴坐标相同的坐标点。在折返模式下,障碍物坐标值数据库中不再记录触碰障碍物时的坐标值,只计算自移动机器人在此模式下X轴上累积坐标值L1,L1为之前自移动机器人沿X轴反向行走的数据,以L1值来判断自移动机器人是否完成折返模式,直到自移动机器人退出折返模式后,才再次记录触碰每个障碍物时的坐标值。
根据实际障碍物的情况,本实施例中的折返模式又分三种状态,如图1中为状态1,删除D点坐标及与其 Y 坐标相等的坐标值点,为了调整自移动机器人的行走方向,自移动机器人在K点原地顺时针旋转机身270°后沿 X 轴反向行走一个L1的距离,L1= XK-XD+机身长度的距离,机身长度优选为25cm-35cm, 如图1中,自移动机器人行走到L点后,自移动机器人再次通过原地顺时针旋转270°机身来调整其行走方向,开始由L点到Q点之间的行走,由于障碍物形状有可能为不规则性,为了防止自移动机器人有可能从L点行走到与C点平行的位置上(图中未标出,即行走一个完整地回程模式路径),故设定自移动机器人由L点到P点之间的行走路径距离为L2 ,L2= YK-YD,实际行走过程中,由于有可能会触碰到障碍物M1的D点的对侧位置,所以自移动机器人实际的行走的距离是小于L2值的距离的,但是由于本实施例中,机器人设定的回程模式(去程模式)命令中是自移动机器人触碰到障碍物就平移机身,切换成去程模式(回程模式),所以将自移动机器人由L点到P点的行走距离固定设置后,是可以避免机器人在折返模式下对已经行走过的区域重复覆盖行走如图1中的D →C,自移动机器人行走到Q点时,Q点的坐标为(XQ,YA),如前所示,其中XQ =L1=XK-XD+机身长度的距离,退出折返模式,如图1 所示, 自移动机器人的行走路径为 :O → A→ B → C→ D→ E →F → G→ H→ K → L→ P → Q→ R→F→G。之后自移动机器人沿X轴正向平移一个机身长度距离后进入回程模式,重新回到常规的往复“S”字形行走模式。
图2中为本实施例中的折返模式的状态2,如图2所示,障碍物M1的上方区域M2处太过狭窄,对于此区域,自移动机器人进入折返模式后,并不能对M2处实现覆盖,对于此种情况,结合图2对其进行阐述,由于自移动机器人已经进入了折返模式,删除D点坐标及与其 Y坐标相等的E、F等坐标值点。为了调整自移动机器人的行走方向,自移动机器人在K点原地顺时针旋转机身270°后,自移动机器人沿着X轴反方向按照设定的XK-XD+机身长度的距离行走,但是实际上,自移动机器人行走到P点时,触碰到障碍物M1的侧边,此时,放弃行走按照设定的L1距离,自移动机器人通过原地顺时针旋转机身270°来调整其行走方向,开始执行由P点到Q点之间区域的回程模式行走,实际情况下,机器人按照P→Q的路径行走也是有可能是成功或者不成功的,图2中机器人P→Q是未遇到障碍物,图3中是P→Q的路径见存在障碍物。图2中Q 点坐标与G点坐标可以相同也可以不相同,为了方便理解,图2中Q点和R点没有与G点和H点在同一水平方向上,这并不表示自移动机器人没有行走到如G点的水平位置上,如图2所示,自移动机器人的行走路径为 :O → A→ B → C→ D → E →F → G→H→ K → P→ Q或者O → A→ B → C→ D → E →F → G→ H→ K → P→ G。之后自移动机器人沿X轴正向平移一个机身长度距离后进入去程模式,重新回到常规的往复“S”字形行走模式。
图3中为本实施例中的折返模式的状态3,如图3所示,障碍物M1为不规则的障碍物,其上方区域为自移动机器人预计按照折返模式而去覆盖的区域。自移动机器人进入折返模式后,删除D点坐标及与其 Y 坐标相等的E、F等坐标值点,为了调整自移动机器人的行走方向,自移动机器人在K点原地顺时针旋转机身270°后,自移动机器人沿着X轴反方向按照设定的L1=XK-XD+机身长度的距离行走,但是实际上,自移动机器人行走到P点时,触碰到障碍物M1的侧边,自移动机器人在P点通过原地顺时针旋转机身270°来调整其行走方向,开始执行由P点到L点之间区域的回程模式行走,但是在L点再次触碰到M1的侧边,此时,放弃行走按照设定的L1距离,退出折返模式,自移动机器人在L点沿X轴正向平移一个机身长度距离后进入去程模式,路径为L→W→R,行走到R点后,自移动机器人在R点沿X轴正向平移一个机身长度距离后进入回程模式,然后执行R→V→G的回程模式,直到触碰障碍物,为了方便理解,图3中R点和K点没有在同一水平方向上,这并不表示自移动机器人不能行走到如K点的水平位置上,简而言之,自移动机器人从折返模式中退出后,开始行走的回程模式或者去程模式的路径可以与自移动机器人进入折返模式前的最后一次行走路径相同,也可以不相同,如图3中,Q→ K 可以与V→G的路径相同,也可以不相同,如图3所示,自移动机器人的行走路径为 :O → A→ B → C→ D → E →F → G→ Q→ K → P→L→W→ R→V或者O→ A→ B → C→ D → E →F → G→ Q→ K → P→L→W→ R→K, 之后自移动机器人沿X轴正向平移一个机身长度距离后进入回程模式,重新回到常规的往复“S”字形行走模式。
也就是说,在本实施例中,通过记录障碍点的坐标,形成记录点,在自移动机器人的运动过程中,判断是否存在一记录点的 Y 轴坐标处于当前障碍点与前一障碍点 Y 轴坐标区间内,如果存在,该记录点为折返点,自移动机器人从当前障碍点回到折返点,其中,若存在多个满足判断条件的记录点,则比较所有满足判断条件的记录点中 X 轴坐标与该障碍点处 X 轴坐标的差值,以差值最大的记录点为折返触发点 ;如果不存在,自移动机器人从当前障碍点沿 X 轴平移一个机身长度距离后,执行去程模式或者回程模式,重新回到常规的往复“S”字形行走方式。
本发明的优点在于,当自移动机器人在作业行走过程中遇到障碍物时,其利用廉价的普通传感器和微处理器来实现自移动机器人装置的行走,从而使得行走过程真正的有规律,提高行走区域的覆盖率,降低行走重复率,降低系统能耗,延长系统有效工作寿命。

Claims (6)

1.一种自移动机器人避障行走方法,在所述自移动机器人的行走区域内,以水平方向为X轴,竖直方向为Y轴建立平面直角坐标系,且设定沿着Y轴正向行走为执行去程模式和沿Y轴反向行走为执行回程模式,记录和删除自移动机器人在作业区内的触碰到障碍物后的坐标值,并建立一个障碍物坐标值数据库,其特征在于,还包括一个与所述去程模式和回程模式一起实现所述行走区域的全区域覆盖的折返模式,具体包括如下步骤:
步骤S01:自移动机器人按照去程模式行走,触碰到障碍物后,自移动机器人沿X轴正向平移一个机身长度距离后,切换成回程模式行走,记录自移动机器人执行去程模式时触碰到障碍物时的坐标值,存储该坐标值到所述障碍物坐标值数据库中;记录自移动机器人执行回程模式时触碰到障碍物时的坐标值,存储该坐标值到所述障碍物坐标值数据库中;并根据障碍点的坐标存储于所述障碍物坐标值数据库中的先后顺序设定为前一障碍点和当前障碍点;
步骤S02:判断所述障碍物坐标值数据库中是否有一坐标在Y轴上的坐标值位于当前障碍点与前一障碍点在Y轴上的坐标所构成的数值区间内,若判断结果为是,则该坐标对应的障碍物点为折返触发点,自移动机器人进入所述折返模式,自移动机器人接下来按照折返模式行走,直到退出折返模式;若判断结果为否,自移动机器人沿X轴正向平移一个机身长度距离后,返回步骤S01;
步骤S03:循环步骤S01到步骤S02,直至完成行走区域的全区域覆盖行走;
其中,在步骤S02中自移动机器人进入折返模式后执行以下步骤:
自移动机器人在当前障碍点K点机身原地顺时针旋转270°后沿X轴反向行走直到在P点触碰障碍物;
自移动机器人在P点原地顺时针旋转机身270°后Y轴反向行走直到在L点再次触碰到障碍物;
自移动机器人退出折返模式并返回步骤S01;
其中,P点在X轴上的坐标值位于折返触发点与K点之间,L点在Y轴的坐标值位于折返触发点与K点之间。
2.如权利要求1所述的自移动机器人避障行走方法,其特征在于,所述步骤S01中所述自移动机器人从所述去程模式切换成所述回程模式是通过平移一个机身长度距离和旋转90°来实现的。
3.一种自移动机器人装置,所述自移动机器人装置包括行走结构、控制单元和包括碰撞传感器的传感器系统,还包括用于判断自移动机器人装置所处方位的方位定位系统,所述方位定位系统为电子罗盘和码盘,所述电子罗盘设置于所述控制单元上且与所述控制单元电连接,所述码盘设置于所述行走结构上,其特征在于,所述自移动机器人装置按照权利要求1至2任一所述的方法行走。
4.如权利要求3所述的一种自移动机器人装置,其特征在于,所述行走结构包括驱动电机、传动装置、两个驱动轮和一个万向轮,所述两个驱动轮分别位于所述自移动机器人装置的底部两侧与所述自移动机器人装置的几何中心呈轴对称,所述万向轮位于所述自移动机器人装置的与所述两个驱动轮连线垂直的底部对称轴上靠近底部边界的位置,所述驱动电机用于驱动传动装置控制两个驱动轮和万向轮移动。
5.如权利要求3所述的一种自移动机器人装置,其特征在于,所述包括碰撞传感器的传感器系统位于所述自移动机器人前端,所述碰撞传感器与所述控制单元相连,所述控制单元接收所述碰撞传感器的信息并控制驱动电机执行相应的动作。
6.如权利要求3所述的一种自移动机器人装置,其特征在于,所述方位定位系统还包括陀螺仪。
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