CN106325276B - 机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法及控制方法，以解决现有技术的机器人在斜坡上行进中既定直线路径发生偏离后难以发现、不能及时矫正、难以保证直线行驶的技术问题。

Description

机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法及控制方法
技术领域
本发明涉及机器人应用领域，特别涉及一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法及控制方法。
背景技术
在化石燃料日趋减少的情况下，作为一种新兴的可再生能源的太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，近十年来，太阳能应用技术在世界各国都得到迅猛发展。太阳能面板是指利用半导体材料在光照条件下发生的光生伏特效应(photovoltaic)将太阳能直接转换为电能的器件。有太阳光的地方就能发电，因此太阳能面板适用于从大型发电站到小型便携式充电器等多种场合，近年来得到飞速发展。
太阳能面板的工作环境只能是户外，影响其工作的最大问题并不是风雨雷电，而是常年累积的灰尘。太阳能面板上附着有灰尘或其它附着物，会影响面板板的透光率，阻碍光电效率，从而会严重影响面板直接获取阳光的效率，降低面板的能量吸收和转换效率，降低发电效率。现有技术的太阳能面板在使用中只能依靠人工定期完成清理工作，由于太阳能面板面积较大、大型电站同时使用的面板较多，而灰尘会反复累积，需要反复清洗；因此人力成本很高、清理效率低、清理效果较差。在很多场合，为了提高空间利用率，太阳能面板都是利用支架设置在高处，这就给清理工作带来更大的难度和风险。很多太阳能面板的用户为了降低清理成本只能选择不清理，这样只能被迫承担灰尘导致的电能损耗。这样，就需要有一个新的自动清理设备，对太阳能面板进行自动清理。
现有技术的清扫机器人一般都只能应用于水平地面上，不能适用于太阳能面板这样的斜坡平面。如果将现有的清扫机器人直接用在太阳能面板上，会导致以下问题。
（1）清扫机器人动力不足、不能自由行进、清扫效果差；由于太阳能面板的倾斜角度一般在10度~40度之间，现有清扫机器人在斜坡平面上不能自由行进，即使能勉强行进，很快就会将电量耗尽。
（2）清扫机器人会从太阳能面板上滑落；由于太阳能面板比较光滑，现有清扫机器人重量和车轮摩擦系数都比较小，摩擦力也比较小，行进困难，很容易滑落。
（3）清扫机器人不能按照规定路线行驶，行进中覆盖面积小，会从太阳能面板边缘处落下；现有清扫机器人一般是设置为遇到障碍物自动转向，由于太阳能面板上没有任何障碍物，自动行驶的清扫机器人只能在单一路径上行进，其行进过程中的覆盖面积小，必然会从太阳能面板边缘处落下。即使预先规划好路径，现有的清扫机器人在行进中容易受到重力及面板附着物的影响，也会很容易偏离路径，很难保证直线行驶；而且清扫机器人自身无法察觉，不能走遍整个面板，会留下大量清扫不到的空间。
（4）清扫机器人充电困难；由于太阳能面板高度比较高、面积较大，一旦将清扫机器人送上去之后，将其取下会比较困难，现有技术需要人工将清扫机器人搬离现场或人工取出电池，继而对其进行充电，从而不能长时间持续进行现场作业，而且由于很多太阳能面板都是用支架设置在高处，因此其充电操作非常麻烦，浪费大量人力。
（5）清扫机器人工作状态监控困难，由于太阳能面板可能会设置在高处，地面上的工作人员无法对其工作过程做到全程监控，即使清扫机器人发生故障，停止运行或者路线走偏，工作人员也无法及时得知。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，以解决现有技术的机器人在斜坡上行进中既定直线路径发生偏离后难以发现的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，包括如下步骤：步骤S1）在所述机器人上建立三维坐标系，定义所述机器人行进方向为Y轴正方向，定义垂直于所述斜坡平面的方向为Z轴方向；所述X轴与所述Y轴所处平面与所述斜坡平面平行；步骤S2）定义所述机器人行进方向为Ts时，重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的标准分向量gxs0、gys0、gzs0；步骤S3）生成一标准方向参数库；步骤S4）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一直线路径向任一方向Tm直线行驶；步骤S5）从所述标准方向参数库中调取对应该行进方向Tm的标准分向量gxm0、gym0、gzm0数据；步骤S6）每隔一定时间间隔t实时采集一组实时方向参数，所述实时方向参数包括重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的实时分向量gxm1、gym1、gzm1；步骤S7）计算重力加速度g在所述X轴方向上的实时分向量与标准分向量的分向量差值gxd =gxm1 -gxm0；步骤S8）判定所述机器人是否沿着预设的直线路径行驶；当gxd等于0时，判定所述机器人沿着预设的直线路径行驶，返回步骤S6）；当gxd不等于0时，判定所述机器人偏离预设的直线路径。
进一步地，步骤S6）和步骤S7）之间还可以包括如下步骤：步骤S9）利用一磁传感器获取实时行进方向Tm1； 步骤S10）根据所述实时行进方向Tm1对重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的实时分向量gxm1、gym1、gzm1做校偏处理。
进一步地，步骤S3）生成一标准方向参数库，具体包括如下步骤：步骤S31）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一圆环路径做匀速圆周运动；步骤S32）在所述机器人做圆周运动过程中，每隔一定时间间隔t0实时采集并记录至少一组标准方向参数；每一组标准方向参数包括所述机器人的一行进方向Ts及对应该行进方向的标准分向量gxs0、gys0、gzs0；以及步骤S33）根据至少一组标准方向参数生成一标准方向参数库。
进一步地，步骤S31）中，所述匀速圆周运动的角速度为0.1~1.0度/秒；步骤S32）中，所述时间间隔t0为0.1-1.0秒；步骤S6）中，所述时间间隔t为0.1-1.0秒。
本发明的另一个目的在于，提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法，以解决现有技术的机器人在斜坡上行进中既定直线路径发生偏离后不能及时矫正、难以保证直线行驶的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法，包括如下步骤：步骤S11）根据所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法来判断一机器人是否沿着预设的直线路径行驶；若所述机器人偏离预设的直线路径，执行步骤S12）；步骤S12）控制所述机器人在行驶过程中向所述Tm方向偏转；步骤S13）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着Tm方向直线行驶；返回步骤S11）。
步骤S12）控制所述机器人在行驶过程中向所述Tm方向偏转，具体包括如下步骤：步骤S121）在标准方向参数库调取与所述实时方向参数对应的实际行进方向Tn；步骤S122）计算所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度；所述偏转角度为所述实际行进方向Tn与预设行进方向Tm的夹角角度；步骤S123）根据所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度，控制所述机器人向左或向右发生偏转。
本发明优点在于，提供一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法和控制方法，可以实时监控机器人的行驶方向及车身姿态，一旦发现行驶路径发生微小的偏离，就可以直接矫正该机器人的行驶方向，使其回到预设方向继续直线行驶。太阳能面板清扫机器人采用本发明的判定方法和控制方法，可以使得机器人按照设定的优化路径行驶，可以不重复地覆盖面板的全部空间，工作效率高。
附图说明
图1为本发明实施例中清扫机器人的整体外观示意图；
图2为本发明实施例中清扫机器人内部的结构示意图；
图3为本发明实施例中清扫机器人的分解结构示意图；
图4为本发明实施例中动力系统整体结构示意图；
图5为本发明实施例中动力系统去除履带外壳后的结构示意图；
图6为本发明实施例中控制系统的结构框图；
图7为本发明实施例中在机器人上建立三维坐标系的示意图；
图8为机器人用第一种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的一种行驶路径示意图；
图9为机器人用第一种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的另一种行驶路径示意图；
图10为机器人用第二种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的一种行驶路径示意图；
图11为机器人用第二种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的另一种行驶路径示意图；
图12为机器人用第三种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的一种行驶路径示意图；
图13为机器人用第三种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的另一种行驶路径示意图；
图14为机器人用第四种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的一种行驶路径示意图；
图15为机器人用第四种路径导航方法在矩形斜坡上行驶的另一种行驶路径示意图。
图中部件编号如下：
100太阳能面板清扫机器人/清扫机器人/机器人，300斜坡平面，400服务器；
1车体，2清扫装置，3动力系统，4控制系统，5电力系统；11车身；
31左前轮，32右前轮，33左后轮，34右后轮，35、左驱动电机，36右驱动电机，37履带，38轮毂轮齿；
41数据采集单元，42处理器，43存储单元，44报警单元，45无线通信单元；51电池盒；
311左前轮毂，312左前轮轴，321右前轮毂，322右前轮轴，331左后轮毂， 341右后轮毂；
411加速度传感器，412磁传感器，413距离传感器，414计数器，415影像传感器。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的三个优选实施例，证明本发明可以实施，所述实施例可以向本领域中的技术人员完整介绍本发明，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一部件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是附图中的方向，只是用来解释和说明本发明，而不是用来限定本发明的保护范围。
当某些部件被描述为“在”另一部件“上”时，所述部件可以直接置于所述另一部件上；也可以存在一中间部件，所述部件置于所述中间部件上，且所述中间部件置于另一部件上。当一个部件被描述为“安装至”或“连接至”另一部件时，二者可以理解为直接“安装”或“连接”，或者一个部件通过一中间部件间接“安装至”、或“连接至”另一个部件。
如图1~图3所示，本实施例提供一种太阳能面板清扫机器人100（以下简称清扫机器人或机器人），包括一车体1，车体1可以在至少一太阳能面板200上行驶；车体1内部或外部设有一清扫装置2、一动力系统3、一控制系统4以及一电力系统5。
清扫装置2用以在车体行进过程中清扫太阳能面板200；动力系统3用以调整车体1在太阳能面板200上的行进方向和行驶速度，控制车体1行驶、停止或转向；控制系统4分别连接至动力系统3及清扫装置2，用以向动力系统3及清扫装置2发出各种控制信号。电力系统5分别连接至动力系统3、清扫装置2、控制系统4，用以为动力系统3、清扫装置2、控制系统4提供电力。
本实施例所述的太阳能面板清扫机器人100在太阳能面板上正常工作中，当电力系统5启动时，控制系统4发出至少一行进控制指令和至少一清扫控制指令，动力系统3根据该行进控制指令，控制车体1沿着一事先规划的路径行驶；同时，清扫装置2根据该清扫控制指令启动清扫装置2，开始清扫太阳能面板200。在车体1行驶过程中，控制系统4对动力系统3发出多个行进控制指令，如校偏指令、转弯指令、调头指令，等等，从而命令车体1在直线行进路线发生偏转的情况下回到原路线上，也即进行校偏处理；或者在一定条件下或一定位置转弯或者进行U字回转（调头），使得车体1可以根据事先规划的优化路径行驶。具体的导航方法、校偏方法、控制车体转弯或进行U字回转（调头）方法，在下文中有详细描述。在整个行驶过程中，无论车体1是何种行进方式，如直行、偏转、校偏、转弯或回转，清扫装置2始终保持工作状态。当控制系统4基于某些工作参数（如事先规划的路径全部走完或者电力系统5电量不足）发出停止行进的行进控制指令时，车体1停止行驶；同时控制系统4发出一清扫控制指令，关闭清扫装置2，停止清扫。
如图4、图5所示，在本实施例中，动力系统3设置于在车体1底部，用以带动车体1行进，包括一左前轮31、一右前轮32、一左后轮33、一右后轮34、一左驱动电机35、一右驱动电机36及两个履带37。
左前轮31安装在所述车体底面前部的左侧，包括一左前轮毂311及一左前轮轴312，左前轮轴312设置于左前轮毂311中心处；右前轮32安装在所述车体底面前部的右侧，包括一右前轮毂321及一右前轮轴322，右前轮轴322设置于右前轮毂321中心处；左后轮33安装在所述车体底面后部的左侧，包括一左后轮毂331及一左后轮轴332（图未示），左后轮毂331与左前轮毂311设于同一直线上，所述左后轮轴设置于左后轮毂331中心处；右后轮34安装在所述车体底面后部的右侧，包括一右后轮毂341及一右后轮轴（图未示），右后轮毂341与右前轮毂321设于同一直线上；所述右后轮轴设置于右后轮毂341中心处。所述右后轮轴直接连接或通过一传动装置（图未示）连接至所述左后轮轴。左驱动电机35、右驱动电机36通过一固定装置固定连接至车体1上，通过至少一导线连接至电力系统5，通过至少一信号线连接至控制系统4。左驱动电机35直接连接或通过一传动装置（图未示）连接至左前轮轴312，右驱动电机36直接连接或通过一传动装置（图未示）连接至右前轮轴322。两个履带37皆为一柔性链环，其中一履带37包覆在左前轮毂311、左后轮毂331的环形侧壁外部；另一履带37包覆在右前轮毂321、右后轮毂341的环形侧壁外部。每一履带37外部设有一个履带外壳371，用以保护履带及轮毂，防止有杂物进入履带或轮毂中，影响车体1正常行进。
本实施例中，控制系统4根据事先规划的优化路径向左驱动电机35、右驱动电机36发出至少一行进控制信号，使得左驱动电机35、右驱动电机36同步调整左前轮31、右前轮32的转速和旋转方向，进而调整车体1的行进方向和行进速度，使车体实现直行、校偏、90度转弯、U字回转（调头）等动作。
当需要车体直线前进时，控制系统4同时向左驱动电机35、右驱动电机36发出一直线行进控制指令，控制指令中包括相同的电机转速（例如左驱动电机、右驱动电机的转速都是60转/分钟）和驱动电机转轴的转动方向（如左驱动电机顺时针转、右驱动电机逆时针转），这样就会带动左前轮31、右前轮32同步向前转动，左后轮33、右后轮34为从动轮，在履带37的带动下也与左前轮31、右前轮32同步向前转动，使得整个车体1前进。
当需要车体1向右偏转时，控制系统4同时向左驱动电机35、右驱动电机36发出一校偏行进控制指令，左驱动电机35收到的控制指令中的电机转速比右驱动电机36收到的控制指令中的电机转速偏大，转速的差值取决于需要调整的偏差角度，偏差角度越小，转速差值也就越小。类似地，当需要车体1向左偏转时，左驱动电机35收到的控制指令中的电机转速比右驱动电机36收到的控制指令中的电机转速偏小。当车体1回到原来预设的行进方向后，控制系统4重新再发出直线行进控制指令，左驱动电机35、右驱动电机36的转速再次变为相同，使得车体1继续直线行进。
当需要车体做90度转弯时，控制系统4根据预设转弯半径的大小计算出左驱动电机35、右驱动电机36的转速和转动方向，如果转弯半径较大，其驱动电机的转动方向可以相反（一个顺时针、一个逆时针），左前轮31、右前轮32同步向前转动，或者设置成一个轮停止转动，从而实现行进中转弯的效果；如果转弯半径较小或者原地转弯，左驱动电机35、右驱动电机36的转动方向可以设计为相同，同为顺时针或同为逆时针，这样左前轮31、右前轮32就会一个向前转动、一个向后转动，车体1的一侧前进，另一侧后退，从而形成小半径转弯或原地转弯的效果。
当需要车体进行U字回转（也称为调头）时，需要车体在180度转弯后行驶至与原车道相邻的车道上；此时有一次性回转或者分阶段回转的技术方案。控制系统4根据预设转弯半径的大小计算出左驱动电机35、右驱动电机36的转速和转动方向。在一次性回转的方案中，转弯半径等同于车体宽度的一半，转弯内侧的前轮停止转动或极慢速度向前转动（若向左进行U字回转，则左前轮停止转动；若向右进行U字回转，则右前轮停止转动），转弯外侧的前轮快速向前转动，实现向左或向右的U字回转。分阶段回转的方案中，可以根据具体情况计算处不同的方案，本实施例中优选如下方案：先控制车体1先在原地向左或向右做90度转弯，然后再控制车体向前行驶一个车身宽度的距离，最后再控制车体在原地向左或向右做90度转弯，既可以实现向左或向右的U字回转，而且U字回转后刚好行驶在与前一车道相邻的车道上，从而使得本实施例的机器人行驶过的空间可以实现不重复、无死角的效果。
动力系统3还包括至少一轮毂轮齿38，均匀设置在左前轮毂311、左后轮毂331、右前轮毂321、右后轮毂341的环形侧壁外部表面；以及至少一履带内齿372，均匀设置在履带37的内侧壁表面，履带内齿372与轮毂轮齿38啮合，确保在两个前轮31、32转动时，履带37可以与两个轮毂相配合，得以正常使用。
由于太阳能面板相对比较光滑，而且还有一定的倾斜度，因此清扫机器人车体在行驶过程中容易滑落。为解决这一问题，如图4所示，动力系统3还包括至少一防滑块373，突出于两个履带37的外侧壁，防滑块373可以排列成有序的阵列，平均分布在整条履带37上。本实施例的车体1采用履带式结构、在履带外壁加装防滑块373，都是为了增大摩擦系数，增强抓地力，防止车体1在行进中滑落。类似地，本实施例的履带37上也可以设置至少一防滑花纹（图未示），下凹于两个履带的外侧壁，平均分布在整条履带上，其效果与防滑块相同。
本实施例中，动力系统3的技术效果在于，采用履带及防滑块结构使得清扫机器人的车体可以在太阳能面板上自由行动而不会滑落；左右前轮用双电机分别驱动，可以对车体的行进状况实现精确控制，使车体可以根据需要更灵活地调整行进方向和实现原地转弯，可以尽量增大行驶路径的覆盖范围。
如图6所示，本实施例中，控制系统4包括一数据采集单元41、一处理器42及至少一存储单元43。数据采集单元41包括多种传感器，用以采集车体1行进过程中的至少一工作参数；处理器42连接至数据采集单元41，根据所述工作参数向动力系统3发出至少一行进控制指令，根据所述工作参数向清扫装置2发出至少一清扫控制指令。存储单元43连接至处理器42，用以存储车体1行进过中的工作参数及预先计算或设置的其他参数。所述工作参数包括车体1的实时加速度数据、实时行进方向数据、每一距离传感器与太阳能面板之间的距离、车体前方的影像等参数。预先计算或设置的其他参数包括工作人员预设的各种工作数据，如预先计算和规划好的清扫机器人行驶路径（优化路径）等。
工作人员预先将规划好的优化路径录入至控制系统4，为清扫机器人车体提供路径导航，控制系统4根据所述优化路径进行运算和规划，并将何时启动、何时停止、何时直线行驶、何时向左或向右90度转弯、何时向左或向右90度进行U字回转等控制信息，以各种控制指令的方式发送给动力系统，以控制车体在行进中的动作。
在车体控制技术中，如何判断车体在斜坡平面上是否直线行驶、如何控制车体在斜坡平面上直线行驶是最基本的问题，如果车体在直线行驶过程中缺乏监管，一旦车体因为某些因素（如路面局部不平、路面上有障碍物等）发生偏转，就会发生越走越偏的现象，在本发明中，会导致机器人偏离既有的导航路径，不能在最短时间内走遍整个斜坡平面。在本实施例中，会导致清扫机器人作业完成后，太阳能面板上还有很多地方没有及时清理干净。
为了解决如何判断本实施例的机器人是否在斜坡上直线行驶的技术问题，本实施例提供了如下技术方案。
在控制系统4中，数据采集单元41包括至少一加速度传感器411，用以实时采集机器人100（或车体1）的加速度数据；加速度传感器411连接至处理器42，将车体1的加速度数据传送给处理器42，处理器42分析动态加速度数据，可以分析出在车体行驶过程中车体的受力方向及行进方向等。处理器42将机器人100的加速度数据建立三维坐标系并分解计算，定义机器人100行进方向为Y轴正方向，定义垂直于所述斜坡平面的方向为Z轴方向；所述X轴与所述Y轴所处平面与所述斜坡平面平行。根据加速度数据在X轴方向的向量，判断车体1是否有向左或向右偏离，若发生偏离，所述处理器向动力系统3发出至少一方向调整指令，使得车体1回到其原本的直线路线上；若没有偏离，处理器42判定车体1为直线行驶。
进一步地，为了保证直线行驶判断的精确性，除了用加速度传感器判定之外，还可以采用磁传感器技术对加速度传感器判定发现偏离路线的情况，再次进行判定，也就是磁传感器二次判定。为此，在控制系统4中，数据采集单元41还可以包括一磁传感器412，连接至处理器42，磁传感器412以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。本实施例中，磁传感器412用以实时采集行进方向数据，与根据优化路径数据预先设定的标准行进方向对比后进行判断，以确认车体是否为直线行驶，使得车体是否直线行驶的判断更加精确。
为了解决如何判断本实施例所述的太阳能面板清扫机器人（以下简称机器人）是否为直线行驶的技术问题，本实施例提供了一种清扫机器人100在斜坡平面300上直线行驶判定方法，可以包括如下各个步骤。由于太阳能面板为一斜坡平面，因此本判定方法可以用于判断太阳能面板清扫机器人是否为直线行驶。
步骤S1）如图7所示，在所述机器人上建立三维坐标系，定义所述机器人行进方向为Y轴正方向，定义垂直于所述斜坡平面的方向为Z轴方向；所述X轴与所述Y轴所处平面与所述斜坡平面平行。
步骤S2）定义所述机器人行进方向为Ts时，重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的标准分向量gxs0、gys0、gzs0。
步骤S3）生成一标准方向参数库；具体包括如下步骤：步骤S31）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一圆环路径做匀速圆周运动，所述匀速圆周运动的角速度为0.1~1.0度/秒；步骤S32）在所述机器人做圆周运动过程中，每隔一定时间间隔t0实时采集并记录至少一组标准方向参数，所述时间间隔t0为0.1-5.0秒；每一组标准方向参数包括所述机器人的一行进方向Ts及对应该行进方向的标准分向量gxs0、gys0、gzs0；以及步骤S33）根据至少一组标准方向参数生成一标准方向参数库。以角速度0.1度/秒，采集时间间隔t0=1秒为例，机器人100在斜坡平面300上完成一次匀速圆周运动，大概需要3600秒，每隔1秒采集一次机器人的行进方向Ts及相应的加速度标准分向量gxs0、gys0、gzs0，这样就可以得到3600组不同方向的参数，将其记录为3600组标准方向参数。
步骤S4）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一直线路径向任一方向Tm直线行驶。
步骤S5）从所述标准方向参数库中调取对应该行进方向Tm的标准分向量gxm0、gym0、gzm0数据。
步骤S6）每隔一定时间间隔t实时采集一组实时方向参数，所述实时方向参数包括重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的实时分向量gxm1、gym1、gzm1，所述时间间隔t为0.1-1.0秒。
步骤S7）计算重力加速度g在所述X轴方向上的实时分向量与标准分向量的分向量差值gxd=gxm1 -gxm0 。
步骤S8）判定所述机器人是否沿着预设的直线路径行驶；当gxd等于0时，判定所述机器人沿着预设的直线路径行驶，返回步骤S6）；当gxd不等于0时，判定所述机器人偏离预设的直线路径。
由于机器人100在斜坡平面300上的重力加速度g是一个定值，当机器人100在斜坡平面300上运行时，行进方向Ts及该方向加速度分向量数据gxs、gys、gzs应该是与标准数据库中的标准方向参数是一致的。在本实施例中，判断机器人是否直线行驶，本质上就是判断机器人是否相对于直线行进路线发生向左或向右的微小偏离，因此只需要判断重力加速度g在所述X轴方向上的实时分向量与标准分向量与是否相同即可，相同就没有偏离，不同就发生偏离，进一步地，可以根据分向量差值gxd=gxm1 -gxm0是正数还是负数来判断是向左偏离还是向右偏离。
进一步地，本实施例还提供了另一种机器人在斜坡平面上直线行驶判定方法，在上述步骤S8）判定所述机器人偏离预设的直线路径之后还可以包括如下步骤：步骤S9）利用一磁传感器获取实时行进方向Tn；步骤S10）比对所述实时行进方向Tn与所述行进方向Tm，如果二者一致，判定所述机器人沿着预设的直线路径行驶，返回步骤S6）；如果二者不一致，判定所述机器人偏离预设的直线路径。在前次判定机器人偏离直线路径的情况下，对其进行二次判定，以避免出现意外，使得判断结果更加精确。
控制系统4发现机器人行驶路线发生偏移后，必须第一时间将其纠正过来，使得机器人可以尽早回到应有路线，这一过程可以称为校偏处理。为了解决如何控制所述机器人在斜坡平面上直线行驶的技术问题，本实施例提供了一种机器人在斜坡平面上直线行驶控制方法，可以包括如下步骤。
步骤S11）根据前文中步骤S1）-S8）或者步骤S1）-S10）所述的机器人在斜坡平面上直线行驶判定方法来判断一机器人是否沿着预设的直线路径行驶；若所述机器人偏离预设的直线路径，执行步骤S12）。
步骤S12）控制所述机器人在行驶过程中向所述Tm方向偏转；具体包括如下步骤：步骤S121）在标准方向参数库调取与所述实时方向参数对应的实际行进方向Tn；步骤S122）计算所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度；所述偏转角度为所述实际行进方向Tn与预设行进方向Tm的夹角角度；步骤S123）根据所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度，向动力系统3发出一方向调整指令，控制所述机器人向左或向右发生偏转。
步骤S13）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着Tm方向直线行驶；返回步骤S11）。
其中，所述机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，如步骤S1）-S8），或步骤S1）-S10），可以在极短时间内根据一组加速度数据（及磁传感器数据）快速判断出车体在斜坡上是否直线行驶；由于加速度传感器可以实时采集数据，每隔一段时间就会采集一组数据；因此，上述的判定过程也是每隔一段时间就会定期判定一次。无论何时发现机器人（车体）在斜坡平面上过程中，偏离了直线路线，都可以判定此时机器人发生偏离。
其中，所述机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法，如步骤S11）~步骤S13），是基于前述的机器人在斜坡平面上直线行驶判定技术，当确认机器人发生偏离之后，第一时间调整机器人的行进方向，使其回复到原有方向的路径上来。
在本发明中，所述机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法与所述机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法配合使用，可以确保清扫机器人在直线行驶过程中不会发生偏离，从而可以确保清扫机器人可以沿着预先设定的优化导航路径，在最短时间内走遍整个太阳能面板，又快又好地将整个太阳能面板清扫干净。
根据时间最短、行驶路径最短的原则，机器人在一矩形斜坡上的优化导航路径很容易就可以规划和计算出来，如何使机器人可以沿着预先设定的优化导航路径行驶，本实施例提供一系列的控制方案和导航方法，导航方法是指使得机器人沿着导航路径行驶的控制方法。
在本实施例中，数据采集单元41还可以包括至少一距离传感器413，包括但不限于超声波传感器及光脉冲传感器。距离传感器413设置于机器人100（车体1）外部边缘处，具体地说，可以设置在车体1（车身11）的四个角上，如图2所示，当机器人100在一矩形斜坡上行驶时，距离传感器413前端朝向矩形斜坡方向。距离传感器413连接至处理器42；用以实时采集距离传感器413与矩形斜坡的距离数据；处理器42根据距离传感器413与所述矩形斜坡的距离数据，判断车体1是否位于所述矩形斜坡的边缘处或角落处。
在本实施例中，距离传感器413数目为四个，分别设置于机器人（车体）的四个角落处；当只有两个距离传感器413能采集到所述距离数据时，处理器42判定机器人（车体）位于矩形斜坡300的边缘处，向动力系统3发出至少一转向指令（U字回转）；当只有一个距离传感器采集到所述距离数据时，所述处理器判定机器人（车体）位于矩形斜坡300的某一角落处，向动力系统3发出至少一转向指令（90度转弯或U字回转）。四个距离传感器413也可以分别设置于车体1每一侧边的中部，处理器发现某一侧边上的距离传感器413无法采集到距离数据时，就可以判断这一侧边位于矩形斜坡的边缘处；如果有两个相邻的侧边皆位于矩形斜坡边缘处，就可以判断车体1位于太阳能面板200的某一角落处。距离传感器413数目也可以为八个，分别设置于车体1的四个角落处或车体1四个方向侧边的中部。
控制系统4还可以包括一计数器414，用以计算车体1在斜坡平面行驶中经过的角落，在机器人的一次工作中，每当处理器42判断出车体到达某一角落时，就在计数器上加一。处理器42通过计数器414反馈的技术结果可以清楚地知道车体1到达的角落的顺序（第几个角落）。
工作人员预先将规划好的优化路径录入至控制系统4的存储器，所述处理器并根据所述导航路径和机器人（车体）的实时位置向动力系统3发送控制指令，包括启动、停止、直行、向左或向右90度转弯、向左或向右U字回转（转到相邻车道上的180度转弯），以控制车体在行进中按照导航路径行驶。
本实施例中公开四种机器人在矩形斜坡上行驶的路径导航方法，其详细内容详见下文。太阳能面板也是一种矩形斜坡，清扫机器人在太阳能面板上的行驶路径导航方法也适用于下文所述的机器人在矩形斜坡上行驶的路径导航方法。
本实施例中公开的第一种机器人在矩形斜坡上行驶的路径导航方法，包括如下步骤：步骤S101）设定所述矩形斜坡的左下角为导航起点；步骤S102）控制所述机器人从所述导航起点向所述矩形斜坡的左上角直线行驶； 步骤S103）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第一角落；若所述机器人未到达所述第一角落，返回步骤S102）；若所述机器人到达所述第一角落，控制所述机器人向右转向90度；步骤S104）控制所述机器人直线行驶；步骤S105）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，返回步骤S104）；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人向右进行U字回转；步骤S106）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第四角落；若所述机器人未到达所述第四角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第四角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S107）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向左进行U字回转；步骤S108）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第四角落；若所述机器人未到达所述第四角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第四角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S109）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向右进行U字回转；返回步骤S106）。
采用第一种路径导航方法的机器人在矩形斜坡上的行驶路径可以有很多种，由于矩形斜坡的长度、宽度与机器人长度、宽度的比例各不相同，所以机器人行驶路径的长短也各不相同，机器人停止行驶的位置也各不相同（停在左下角或右下角）。如图8、图9所示为机器人100使用第一种路径导航方法在矩形斜坡300上行驶的两种可能的行驶路径。
本实施例中公开的第二种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法，包括如下步骤：步骤S201）设定所述矩形斜坡的右下角为导航起点；步骤S202）控制所述机器人从所述导航起点向所述矩形斜坡的右上角直线行驶； 步骤S203）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第一角落；若所述机器人未到达所述第一角落，返回步骤S202）；若所述机器人到达所述第一角落，控制所述机器人向左转向90度；步骤S204）控制所述机器人直线行驶；步骤S205）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，返回步骤S204）；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人向左进行U字回转；步骤S206）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第四角落；若所述机器人未到达所述第四角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第四角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S209）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向右进行U字回转；返回步骤S206）。
采用第二种路径导航方法的机器人在矩形斜坡上的行驶路径可以有很多种，由于矩形斜坡的长度、宽度与机器人长度、宽度的比例各不相同，所以机器人行驶路径的长短也各不相同，机器人停止行驶的位置也各不相同（停在左下角或右下角）。如图10、图11所示为机器人100使用第二种路径导航方法在矩形斜坡300上行驶的两种可能的行驶路径。
本实施例中公开的第三种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法，包括如下步骤：步骤S301）设定所述矩形斜坡的左下角为导航起点；步骤S302）控制所述机器人从所述导航起点向所述矩形斜坡的左上角直线行驶；步骤S303）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第一角落；若所述机器人未到达所述第一角落，返回步骤S302）；若所述机器人到达所述第一角落，控制所述机器人向右进行U字回转；步骤S304）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S305）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向左进行U字回转；步骤S306）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S307）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向右进行U字回转；返回步骤S304）。
采用第三种路径导航方法的机器人在矩形斜坡上的行驶路径可以有很多种，由于矩形斜坡的长度、宽度与机器人长度、宽度的比例各不相同，所以机器人行驶路径的长短也各不相同，机器人停止行驶的位置也各不相同（停在左下角或右下角）。如图12、图13所示为机器人100使用第三种路径导航方法在矩形斜坡300上行驶的两种可能的行驶路径。
本实施例中公开的第四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法，包括如下步骤：步骤S401）设定所述矩形斜坡的右下角为导航起点；步骤S402）控制所述机器人从所述导航起点向所述矩形斜坡的右上角直线行驶；步骤S403）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第一角落；若所述机器人未到达所述第一角落，返回步骤S402）；若所述机器人到达所述第一角落，控制所述机器人向左进行U字回转；步骤S404）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S405）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向右进行U字回转；步骤S406）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第二角落；若所述机器人未到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第二角落，控制所述机器人直线行驶，并实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的第三角落；若所述机器人未到达所述第三角落，控制所述机器人直线行驶；若所述机器人到达所述第三角落，控制所述机器人停止行驶；步骤S407）实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的边缘处，若所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；控制所述机器人向左进行U字回转；返回步骤S404）。
采用第四种路径导航方法的机器人在矩形斜坡上的行驶路径可以有很多种，由于矩形斜坡的长度、宽度与机器人长度、宽度的比例各不相同，所以机器人行驶路径的长短也各不相同，机器人停止行驶的位置也各不相同（停在左下角或右下角）。如图14、图15所示为机器人100使用第四种路径导航方法在矩形斜坡300上行驶的两种可能的行驶路径。
在上述四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法中，判定所述机器人是否为直线行驶，或者控制所述机器人直线行驶，其具体方法在前文中已有详细描述，在此不作赘述。控制所述机器人向左或向右90度转弯，在前文动力系统介绍中已有详细描述，在此不作赘述。
在上述四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法中，实时检测所述机器人是否行进至所述矩形斜坡的一角落或一边缘处，具体包括如下步骤：步骤S1011）在所述机器人的左前部、右前部、左后部及右后部分别设置一距离传感器413，距离传感器413延伸至所述机器人的外部，距离传感器413朝向太阳能面板200；步骤S1012）依次为四个距离传感器413编号，将所述机器人的左前部、右前部、左后部及右后部设置的距离传感器413分别定义为传感器N1、传感器N2、传感器N3及传感器N4；步骤S1013）所述机器人根据任一时刻同时获取的传感器信号判断所述机器人的位置；当所述机器人同时获取传感器N3信号和传感器N4信号时，判定所述机器人到达所述矩形斜坡的一边缘处；当所述机器人只能获取传感器N4信号时，判定所述机器人到达所述矩形斜坡的第一角落或第二角落；当所述机器人只能获取传感器N3信号时，判定所述机器人到达所述矩形斜坡的第三角落或第四角落；步骤S1014）当判定所述机器人到达所述矩形斜坡的一角落，读取计数器的计数结果，以判断该角落的顺序（第几个角落）。
在上述四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法中，控制所述机器人向左进行U字回转，具体包括如下步骤：步骤S1031）控制所述机器人原地向左转向90度；步骤S1032）控制所述机器人直线行驶一定距离，所述一定距离等于所述机器人的宽度；以及步骤S1033）控制所述机器人原地向左转向90度。
在上述四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法中，控制所述机器人向右进行U字回转，具体包括如下步骤：步骤S1041）控制所述机器人原地向右转向90度；步骤S1042）控制所述机器人直线行驶一定距离，所述一定距离等于所述机器人的宽度；步骤S1043）控制所述机器人原地向右转向90度。
上述四种机器人在矩形斜坡上行驶路径导航方法，其技术效果在于，可以让机器人在最短时间内，无间断、不重复地以最短路径走遍矩形斜坡的每一个角落，实现对矩形斜坡的全面覆盖。在本实施例中，清扫机器人利用上述四种导航方法中的任一种都可以在短时间内走遍太阳能面板的每一个角落，对其进行有效清扫。由于清扫过程中会产生污水，可能会沿着太阳能面板向下滑落，因此，第三种、第四种导航方法的清理效果可能会比较差，优选第一种、第二种导航方法。
控制系统4还包括至少一报警单元44，连接至处理器42，报警单元44可以为设置在车体外部的一红灯或蜂鸣器。当某一工作参数超过设定阈值时，所述报警单元发出报警信号，例如，当电力系统5电力不足时，或者当所述清扫机器人发出故障时，报警单元44都可以发出报警信号以提醒用户。
数据采集单元41包括至少一影像传感器415或摄像头，连接至处理器42，设置于车体1前端（如图2、图3所示），用以采集车体1行进过程中车体1前方的影像，这些影像可以存储至所述存储单元以便于工作人员查看机器人的工作状态。
本实施例中，控制系统4的技术效果在于，提供多种清洁机器人在太阳能面板上行进的优化路径以及机器人在斜坡平面直线行进的控制方法，确保机器人可以不重复地走过太阳能面板的全部空间，覆盖面积大，不会从太阳能面板边缘处落下，既可以保证了清洁效果，又可以保证工作效率。
太阳能面板清扫机器人100还可以包括至少一无线通信单元45，无线连接至一服务器400，用于在太阳能面板清扫机器人100与服务器400之间建立通信。车体1前方的影像可以实时发送至服务器400，以便于工作人员实现清扫机器人在工作进程中的有效查看，有效解决现有技术中太阳能面板位于高处时，清扫机器人在面板上工作状态监控困难的技术问题。
在本实施例中，如图3所示，电力系统5为一个或一组设置在电池盒51内的一次性电池或可充电电池（图未示），需要工作人员定期将所述清扫机器人从太阳能面板上取下，对其进行更换电池处理或充电处理，使其可以继续工作。
实施例提供一种太阳能面板清扫机器人，可以在太阳能面板上自由运行，有效去除面板上的灰尘及其他附着物，去污效果良好；本发明的清扫机器人在太阳能面板上运行过程中，按照设定的优化路径行驶，可以不重复地覆盖面板的全部空间，工作效率高；本发明的清扫机器人可以根据程序自动转弯或调头，实现自动控制，操作方便。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1）在所述机器人上建立三维坐标系，定义所述机器人行进方向为Y轴正方向，定义垂直于所述斜坡平面的方向为Z轴方向；X轴与所述Y轴所处平面与所述斜坡平面平行；
步骤S2）定义所述机器人行进方向为Ts时，重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的标准分向量gxs0、gys0、gzs0；
步骤S3）生成一标准方向参数库；
步骤S4）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一直线路径向任一方向Tm直线行驶；
步骤S5）从所述标准方向参数库中调取对应该行进方向Tm的标准分向量gxm0、gym0、gzm0数据；
步骤S6）每隔一定时间间隔t实时采集一组实时方向参数，所述实时方向参数包括重力加速度g在所述三维坐标系三个方向上的实时分向量gxm1、gym1、gzm1；
步骤S7）计算重力加速度g在所述X轴方向上的实时分向量与标准分向量的分向量差值gxd =gxm1 -gxm0 ；
步骤S8）判定所述机器人是否沿着预设的直线路径行驶；当gxd等于0时，判定所述机器人沿着预设的直线路径行驶，返回步骤S6）；当gxd不等于0时，判定所述机器人偏离预设的直线路径。
2.如权利要求1所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，步骤S3）生成一标准方向参数库，具体包括如下步骤：
步骤S31）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着预设的一圆环路径做匀速圆周运动；
步骤S32）在所述机器人做圆周运动过程中，每隔一定时间间隔t0实时采集并记录至少一组标准方向参数；每一组标准方向参数包括所述机器人的一行进方向Ts及对应该行进方向的标准分向量gxs0、gys0、gzs0；以及
步骤S33）根据至少一组标准方向参数生成一标准方向参数库。
3.如权利要求2所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，步骤S31）中，所述匀速圆周运动的角速度为0.1~1.0度/秒。
4.如权利要求3所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，步骤S32）中，所述时间间隔t0为0.1-1.0秒。
5.如权利要求1所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，步骤S6）中，所述时间间隔t为0.1-1.0秒。
6.如权利要求1所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法，其特征在于，步骤S8）之后还可以包括如下步骤：
步骤S9）利用一磁传感器获取实时行进方向Tm1；
步骤S10）比对所述实时行进方向Tm1与所述行进方向Tm，如果二者一致，判定所述机器人沿着预设的直线路径行驶，返回步骤S6）；如果二者不一致，判定所述机器人偏离预设的直线路径。
7.一种机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S11）根据权利要求1-6中任一项所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的判定方法来判断一机器人是否沿着预设的直线路径行驶；若所述机器人偏离预设的直线路径，执行步骤S12）；
步骤S12）控制所述机器人在行驶过程中向所述Tm方向偏转；
步骤S13）控制所述机器人在所述斜坡平面上沿着Tm方向直线行驶；返回步骤S11）。
8.如权利要求7所述的机器人在斜坡平面上直线行驶的控制方法，其特征在于，步骤S12）控制所述机器人在行驶过程中向所述Tm方向偏转，具体包括如下步骤：
步骤S121）在标准方向参数库调取与所述实时方向参数对应的实际行进方向Tn；
步骤S122）计算所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度；所述偏转角度为所述实际行进方向Tn与预设行进方向Tm的夹角角度；
步骤S123）根据所述机器人需要调整的偏转方向和偏转角度，利用PID算法控制所述机器人向左或向右发生偏转。
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