CN106363600B - 一种自走式室内环境测量智能机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境测量技术领域，公开了自走式室内环境测量智能机器人系统，包括机器人本体、驱动模块、运动传感器模块、控制模块、电池模块、自动充电桩模块、人机交互模块、环境检测模块、无线通讯模块、智能客户终端。本发明减少了室内环境多点测量时所需的测量传感器数量，与人工传感器布点测量相比减小了系统误差，测量覆盖更加全面，数据更加丰富；并且利用本发明进行测量对室内环境影响较小，测量过程需要的人工操作更少，更加智能化。

Description

一种自走式室内环境测量智能机器人系统

技术领域

本发明属于环境测量技术领域，具体的说，是涉及一种用于居住及办公室的室内环境品质自动智能测量系统。

背景技术

在室内环境品质测量领域中，测量仪器往往是固定式并且只测量室内一点的装置，这样单点式的测量结果往往难以代表室内整体环境品质的好坏。若要进行多点测量，则需要布置大量的测量仪器，或者采用人工对单个测量仪器在不同的测量区间内移动测量。由于市场上测量仪器的价格较高，多点测量会耗费大量的人力和仪器成本。人工测量又会造成室内空气环境的扰动，容易造成测量结果不准确。

发明内容

为了解决上述室内环境多点测量的技术问题，本发明提供了一种自走式室内环境测量智能机器人系统，能够对室内整体环境进行移动多点自动测量，并可通过智能客户终端向用户进行反馈或接收指令。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种自走式室内环境测量智能机器人系统，包括机器人本体、驱动模块、运动传感器模块、控制模块、电池模块、自动充电桩模块、人机交互模块、环境检测模块、无线通讯模块、智能客户终端；

所述机器人本体上设置有充电触点；

所述驱动模块包括安装于所述机器人本体底部的两个主动轮和一个万向轮，两个所述主动轮分别由两个驱动电机控制，所述驱动电机与所述控制模块信号连接，所述控制模块控制所述驱动电机；

所述运动传感器模块包括安装于所述机器人本体的超声波传感器、红外光电传感器、电子罗盘和增量式编码器；所述超声波传感器、所述红外光电传感器、所述电子罗盘和所述增量式编码器分别与所述控制模块信号连接，用于向所述控制模块传输运动信号；

所述电池模块为所述驱动模块、所述运动传感器模块、所述控制模块、所述人机交互模块、所述环境检测模块、所述无线通讯模块供电；所述电池模块与所述控制模块信号连接，所述控制模块将所述电池模块的剩余电量信号传输给所述人机交互模块和所述智能客户终端；所述电池模块的开启与关闭由所述控制模块进行控制；

所述自动充电桩模块包括无线信号收发器、充电触点和开关，与所述机器人本体分离设置；所述自动充电桩模块的无线信号收发器与所述无线通讯模块通过无线网络实现通讯；所述自动充电桩模块的充电触点与所述机器人本体的充电触点相匹配，所述自动充电桩模块用于向所述电池模块充电；

所述人机交互模块包括安装在所述机器人本体表面的液晶显示器、语音提示器、开关按钮；所述液晶显示器、所述语音提示器、所述开关按钮与所述控制模块信号连接，所述控制模块为所述人机交互模块提供的信息由所述液晶显示器和所述语音提示器输出；所述开关按钮通过所述控制模块控制所述电池模块的开启与关闭，以实现人工开关操作；

所述环境检测模块包括安装在所述机器人本体内部的气体容器和微流泵，所述气体容器内布置有温度传感器、湿度传感器、CO₂传感器、VOC传感器、PM2.5传感器，所述气体容器通过环境检测模块吸气口和环境检测模块排气口连接于所述机器人本体表面；所述微流泵、所述温度传感器、所述湿度传感器、所述CO₂传感器、所述VOC传感器、所述PM2.5传感器与所述控制模块信号连接，由所述控制模块控制开启、关闭以及检测参数，并向所述控制模块传输检测信息；

所述无线通讯模块与所述控制模块信号连接，并通过无线网络与所述智能客户终端模块进行通讯，所述无线通讯模块接收所述控制模块所发送的信号并传输至所述智能客户终端模块，所述无线通讯模块接收来自所述智能客户终端模块的指令并传输至所述控制模块；所述无线通讯模块还通过无线网络与所述自动充电桩模块的无线信号收发器进行通讯，所述无线通讯模块接收所述自动充电桩模块的无线信号收发器所发送的信号并传输至所述控制模块，所述无线通讯模块接收来自所述控制模块的信号并传输至所述自动充电桩模块的无线信号收发器；

所述智能客户终端模块由电脑或手机平台搭载，通过所述无线通讯模块接收所述控制模块传输的信号，并通过所述无线通讯模块向所述控制模块发出指令；所述智能客户终端用于处理来自所述运动传感器模块的运动数据来实现对所述机器人本体的定位，基于全区域覆盖算法通过控制模块控制所述机器人本体对室内区域进行扫描，并通过格栅地图方法生成环境地图，最终根据所述环境检测模块的检测数据将所述机器人本体位置与检测数据相结合得到室内环境品质分布图或污染物分布图，并给出室内环境整体评价指标与最差环境品质位置。

其中，所述机器人本体为圆柱体结构。

其中，多个超声波传感器和多个红外光电传感器均匀布置在所述机器人本体外侧，所述电子罗盘设置在所述机器人本体内部，所述增量式编码器与所述主动轮连接。

其中，所述人机交互模块的所述液晶显示器用于显示当前工作状态、剩余电量、环境品质，所述语音提示器用于提示开始工作、工作结束、剩余电量、充电结束。

本发明的有益效果是：

本发明减少了室内环境多点测量时所需的测量传感器数量，与人工传感器布点测量相比减小了系统误差，测量覆盖更加全面，数据更加丰富；并且利用本发明进行测量对室内环境影响较小，测量过程需要的人工操作更少，更加智能化。

附图说明

图1是本发明所提供的自走式室内环境测量智能机器人系统的结构示意图；

图2是机器人本体顶面的平面示意图；

图3是机器人本体底面的平面示意图；

图4是机器人本体的充电状态示意图。

图中：10、机器人本体；20、驱动模块；30、运动传感器模块；40、控制模块；50、电池模块；60、自动充电桩模块；70、人机交互模块；80、环境检测模块；90、无线通讯模块；100、智能客户终端；

101、充电触点；201、主动轮；202、万向轮；301、超声波传感器；302、红外光电传感器；701、液晶显示器；702、语音提示器；703、开关按钮；801、环境检测模块吸气口；802、环境检测模块排气口。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供了一种自走式室内环境测量智能机器人系统，包括机器人本体10、驱动模块20、运动传感器模块30、控制模块40、电池模块50、自动充电桩模块60、人机交互模块70、环境检测模块80、无线通讯模块90、智能客户终端100。驱动模块20设置在机器人本体10上，负责机器人本体10的运动。运动传感器模块30设置在机器人本体10上，用于检测机器人本体10的运动方位与距离和障碍物距离。控制模块40接收并执行智能客户终端100的指令，以对驱动模块20、自动充电桩模块60、人机交互模块70、环境检测模块80进行控制；控制模块40接收并执行人机交互模块70的指令，对电池模块50进行控制；控制模块40还用于接收运动传感器模块30、电池模块50、自动充电桩模块60、人机交互模块70、环境检测模块80的信号并通过无线通讯模块90传输给智能客户终端100；控制模块40与无线通讯模块90相连接并通过无线通讯模块90与智能客户终端100和自动充电桩模块60之间进行信号传输。电池模块50与驱动模块20、运动传感器模块30、控制模块40、人机交互模块70、环境检测模块80、无线通讯模块90相连以给各模块供电。自动充电桩模块60与机器人本体10分离的固定设置，可使机器人本体10停靠并自动或根据智能客户终端100的指令对电池模块50充电。人机交互模块70设置在机器人本体10上，方便用户取得信息，并进行开关机的控制。环境检测模块80设置在机器人本体10上，用于对采样空气进行分析以检测其温度、湿度、CO₂浓度、VOC浓度、PM2.5浓度等。无线通讯模块90通过Wi-Fi、3G、4G等无线网络向智能客户终端100和自动充电桩模块60传输数据并接收指令，并与驱动模块20之间进行信号传输。智能客户终端100通过无线通讯模块90与控制模块40实时通讯，可控制机器人本体10对室内区域进行扫描并生成环境地图，并可将来自环境检测模块80的检测数据进行处理并给出室内环境整体评价指标与最差环境品质位置。用户可通过智能客户终端100对自走式室内环境测量智能机器人进行控制，如运行区域、环境检测参数选择、运行时间、自动充电等。

结合图2和图3所示，机器人本体10为实现运动灵活、控制简单的功能，采用圆柱形车体结构。机器人本体10在方便与自动充电桩模块60接触的位置设置有充电触点101。

驱动模块20包括三轮式移动机构和驱动电机，三轮式移动机构包括设置于机器人本体10底面的两个主动轮201和一个万向轮202，两个主动轮201分别由两个与其相连的驱动电机控制，万向轮202作为被动轮并起辅助支撑的作用，通过对两个主动轮201差速驱动可以方便地实现机器人本体10的转弯等操作。考虑自走式室内环境测量智能机器人系统的工作环境通常是较为简单、地面平整的室内环境，采用三轮式移动机构，结构简单、控制方便、移动速度快。

运动传感器模块30包括超声波传感器301、红外光电传感器302、电子罗盘和增量式编码器。超声波传感器301和红外光电传感器302均用于障碍物的检测，红外光电传感器302只能检测0-30cm内的障碍物，并且无法获得具体的距离信息，因此主要采用超声波传感器301来获得与障碍物的具体距离信息，而超声波传感器301的盲区用红外光电传感器302来弥补。三个超声波传感器301和五个红外光电传感器302分别径向均布于机器人本体10底面外侧并使探头向外。电子罗盘设置于机器人本体10内部，是测量绝对角度的传感器，利用磁效应传感器获得绝对的角度信息。增量式编码器与驱动模块20的两个主动轮201连接，根据增量式编码器返回的脉冲数，可测得两个主动轮201所行驶的距离。运动传感器模块30将测得的运动信息传输给控制模块40，控制模块40再通过无线通讯模块90传输给智能客户终端100，智能客户终端100可根据这些运动信息利用航位推算法来实现机器人本体10的定位。

控制模块40与无线通讯模块90相连接，通过无线通讯模块90完成与智能客户终端100和自动充电桩模块60之间的信号传递。控制模块40根据智能客户终端100的指令控制驱动模块20、自动充电桩模块60、人机交互模块70、环境检测模块80，并根据人机交互模块70的指令控制电池模块50的开启和关闭，以完成机器人系统的启停操作。控制模块40还用于接收运动传感器模块30、电池模块50、自动充电桩模块60、人机交互模块70、环境检测模块80的信号并通过无线通讯模块90传输给智能客户终端100。控制模块40与驱动模块20的驱动电机信号连接，控制模块40通过驱动模块20控制机器人本体10的启停、行走速度以及转弯运动状态等。控制模块40与运动传感器模块30中的超声波传感器301、红外光电传感器302、电子罗盘和增量式编码器分别信号连接，超声波传感器301、红外光电传感器302、电子罗盘和增量式编码器将各自测得的运动信息传输给控制模块40，以使智能客户终端100完成对机器人本体10的定位。控制模块40根据人机交互模块70的指令控制电池模块50的开启和关闭，电池模块50将剩余电量的信息传输给控制模块40，再由控制模块40分别传输给人机交互模块70和智能客户终端100。控制模块40与自动充电桩模块60的无线信号收发器信号通过无线网络进行通讯，控制模块40可控制自动充电桩模块60的无线信号收发器信号发射信号，还可接收自动充电桩模块60的无线信号收发器信号的发射信号并传输给无线通讯模块90。控制模块40与人机交互模块70信号连接，可接收人机交互模块70的开关信号并传输给电池模块50，还可将工作状态信息、环境品质信息、剩余电量信息、充电结束信息等信息传输给人机交互模块70。控制模块40与环境检测模块80中的各传感器信号连接，控制模块40根据智能客户终端100的指令控制环境检测模块80中的各传感器的开启和关闭，并接收环境检测模块80中的各传感器的检测数据并传输给人机交互模块70和智能客户终端100。

电池模块50对驱动模块20、运动传感器模块30、控制模块40、人机交互模块70、环境检测模块80、无线通讯模块90进行供电。电池模块50的开启与关闭由控制模块40进行控制。电池模块50将剩余电量的信息通过控制模块40传输给人机交互模块70和智能客户终端100，人机交互模块70和智能客户终端100可实时显示剩余电量。当电量降低到20％和10％时，控制模块40分别向人机交互模块70和智能客户终端100发出需充电的提示；当电量降低到5％时，控制模块40通过驱动模块20使机器人本体10运动到自动充电桩模块60处自动充电。

结合图4所示，自动充电桩模块60与机器人本体10以及其他模块分离设置并固定在特定位置，包括无线信号收发器、充电触点、开关，可人为或自动地向电池模块50充电。自动充电桩模块60的无线信号收发器与无线通讯模块90通过无线网络实现通讯。自动充电时，智能客户终端100对机器人本体10定位，然后控制模块40通过驱动模块20引导机器人本体10运动至自动充电桩模块60附近，控制模块40再控制自动充电桩模块60的无线信号收发器向机器人系统的无线通讯模块90发射信号，控制模块40根据该信号通过驱动模块20对机器人本体10进行引导和姿态调整，使机器人本体10上的充电触点101与自动充电桩模块60的充电触点对接，即可开始充电。充电完成后，电池模块50将充满电的信号通过控制模块40传输给人机交互模块70和智能客户终端100，再由控制模块40通过驱动模块20引导机器人本体10运动离开自动充电桩模块60。

人机交互模块70包括安装在机器人本体10表面的液晶显示器701、语音提示器702、开关按钮703，液晶显示器701、语音提示器702、开关按钮703与控制模块信号40连接。如上所述，人机交互模块70的信息由控制模块40提供。液晶显示器701可以显示当前工作状态、剩余电量、环境品质等信息进行显示。语音提示器702可提示开始工作、工作结束、剩余电量、充电结束等信息。开关按钮703可实现人工对机器人系统的开关操作，通过控制模块40控制电池模块50的开启与关闭。

环境检测模块80包括气体容器、微流泵、温度传感器、湿度传感器、CO₂传感器、VOC传感器、PM2.5传感器。运行时环境空气通过微流泵由环境检测模块吸气口801吸入气体容器中，气体容器中依次设有温度传感器、湿度传感器、CO₂传感器、VOC传感器、PM2.5传感器，气体依次通过上述传感器以进行检测，再由环境检测模块排气口802排出。环境检测模块80的各部件均由控制模块40控制，可由智能客户终端100选择各个传感器的开启与检测参数。环境检测模块80所检测的各项环境参数信息传输给控制模块40，并由控制模块40传输给人机交互模块70和智能客户终端100。

无线通讯模块90与控制模块40信号连接，并通过Wi-Fi、3G、4G等无线网络与智能客户终端模块100进行通讯，从而实现控制模块40和智能客户终端模块100之间的信号互传。无线通讯模块90接收控制模块40所发送的信号并传输至智能客户终端模块100，无线通讯模块90接收来自智能客户终端模块100的指令并传输至控制模块40。无线通讯模块90还通过Wi-Fi、3G、4G等无线网络与自动充电桩模块60的无线信号收发器进行通讯，从而实现控制模块40和自动充电桩模块60之间的信号互传。无线通讯模块90接收自动充电桩模块60的无线信号收发器所发送的信号并传输至控制模块40，无线通讯模块90接收来自控制模块40的信号并传输至自动充电桩模块60的无线信号收发器。

智能客户终端模块100由电脑或手机平台搭载，通过Wi-Fi、3G、4G等无线网络与无线通讯模块90通讯，接收控制模块40传输信号并向控制模块40发出指令。智能客户终端100处理来自运动传感器模块30的数据来实现机器人本体10的定位。智能客户终端100基于全区域覆盖算法通过控制模块40以及驱动模块20控制机器人本体10对室内区域进行扫描。当机器人本体10在环境中运动时，运动传感器模块30获得机器人位置信息以及障碍物信息，智能客户终端100按照全区域覆盖算法进行覆盖，并通过格栅地图方法生成环境地图。智能客户终端100最终将机器人本体10位置与检测数据相结合得到室内环境品质分布图或污染物分布图，并给出室内环境整体评价指标与最差环境品质位置。用户可通过智能客户终端100对该自走式室内环境测量智能机器人进行控制，如运行区域、环境检测参数选择、运行时间、自动充电等的控制。

上述自走式室内环境测量智能机器人系统运作过程包括如下步骤：

用户在智能手机或电脑上安装智能客户终端100并无线连接无线通讯模块90。

用户摆放好设置自动充电桩模块60的自动充电桩并连接好电源线。将自走式室内环境测量智能机器人放置在自动充电桩上充满电。

用户在装智能客户终端100中选择环境地图生成功能，控制机器人系统按照全区域覆盖算法对室内区域进行扫描，智能客户终端100对传回数据进行处理并生成环境地图。

用户可在装智能客户终端100中选择运行时间、运行区域、检测参数、自动充电等。在预定时间到后，机器人开始检测，智能客户终端100自动计算出检测点布置与路径规划并控制机器人本体10运动。机器人本体10到达检测点后，环境检测模块80开启并对环境空气进行检测。当前检测点检测完成后，智能客户终端100控制机器人本体10前往下一个检测点进行检测。

运行过程中，机器人系统电量不足，通过人机交互模块70和智能客户终端100向用户发出提示，若用户已选择自动充电功能，则运行自动充电步骤。

自动充电完成后，机器人系统继续进行未完成检测。全部检测完成后，智能客户终端100控制机器人停泊至自动充电桩附近。智能客户终端100将机器人检测数据进行处理，给出环境质量分布图和污染物浓度分布图，并给出环境综合评价指标。用户可根据检测数据了解居住环境空气品质、查找污染源位置，并进行改善。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自走式室内环境测量智能机器人系统，其特征在于，包括机器人本体、驱动模块、运动传感器模块、控制模块、电池模块、自动充电桩模块、人机交互模块、环境检测模块、无线通讯模块、智能客户终端；

所述机器人本体上设置有充电触点；

所述驱动模块包括安装于所述机器人本体底部的两个主动轮和一个万向轮，所述驱动模块还包括两个驱动电机，两个所述主动轮分别由两个驱动电机控制，所述驱动电机与所述控制模块信号连接，所述控制模块控制所述驱动电机；

所述运动传感器模块包括安装于所述机器人本体的超声波传感器、红外光电传感器、电子罗盘和增量式编码器；所述超声波传感器、所述红外光电传感器、所述电子罗盘和所述增量式编码器分别与所述控制模块信号连接，用于向所述控制模块传输运动信号；

所述电池模块为所述驱动模块、所述运动传感器模块、所述控制模块、所述人机交互模块、所述环境检测模块、所述无线通讯模块供电；所述电池模块与所述控制模块信号连接，所述控制模块将所述电池模块的剩余电量信号传输给所述人机交互模块和所述智能客户终端；所述电池模块的开启与关闭由所述控制模块进行控制；

所述自动充电桩模块包括无线信号收发器、充电触点和开关，与所述机器人本体分离设置；所述自动充电桩模块的无线信号收发器与所述无线通讯模块通过无线网络实现通讯；所述自动充电桩模块的充电触点与所述机器人本体的充电触点相匹配，所述自动充电桩模块用于向所述电池模块充电；

所述人机交互模块包括安装在所述机器人本体表面的液晶显示器、语音提示器、开关按钮；所述液晶显示器、所述语音提示器、所述开关按钮与所述控制模块信号连接，所述控制模块为所述人机交互模块提供的信息由所述液晶显示器和所述语音提示器输出；所述开关按钮通过所述控制模块控制所述电池模块的开启与关闭，以实现人工开关操作；

所述环境检测模块包括安装在所述机器人本体内部的气体容器和微流泵，所述气体容器内布置有温度传感器、湿度传感器、CO₂传感器、VOC传感器、PM2.5传感器，所述气体容器通过环境检测模块吸气口和环境检测模块排气口连接于所述机器人本体表面；所述微流泵、所述温度传感器、所述湿度传感器、所述CO₂传感器、所述VOC传感器、所述PM2.5传感器与所述控制模块信号连接，由所述控制模块控制开启、关闭以及检测参数，并向所述控制模块传输检测信息；

所述无线通讯模块与所述控制模块信号连接，并通过无线网络与所述智能客户终端模块进行通讯，所述无线通讯模块接收所述控制模块所发送的信号并传输至所述智能客户终端模块，所述无线通讯模块接收来自所述智能客户终端模块的指令并传输至所述控制模块；所述无线通讯模块还通过无线网络与所述自动充电桩模块的无线信号收发器进行通讯，所述无线通讯模块接收所述自动充电桩模块的无线信号收发器所发送的信号并传输至所述控制模块，所述无线通讯模块接收来自所述控制模块的信号并传输至所述自动充电桩模块的无线信号收发器；

所述智能客户终端模块由电脑或手机平台搭载，通过所述无线通讯模块接收所述控制模块传输的信号，并通过所述无线通讯模块向所述控制模块发出指令；所述智能客户终端用于处理来自所述运动传感器模块的运动数据来实现对所述机器人本体的定位，基于全区域覆盖算法通过控制模块控制所述机器人本体对室内区域进行扫描，并通过格栅地图方法生成环境地图，最终根据所述环境检测模块的检测数据将所述机器人本体位置与检测数据相结合得到室内环境品质分布图或污染物分布图，并给出室内环境整体评价指标与最差环境品质位置。

2.根据权利要求1所述的一种自走式室内环境测量智能机器人系统，其特征在于，所述机器人本体为圆柱体结构。

3.根据权利要求1所述的一种自走式室内环境测量智能机器人系统，其特征在于，多个超声波传感器和多个红外光电传感器均匀布置在所述机器人本体外侧，所述电子罗盘设置在所述机器人本体内部，所述增量式编码器与所述主动轮连接。

4.根据权利要求1所述的一种自走式室内环境测量智能机器人系统，其特征在于，所述人机交互模块的所述液晶显示器用于显示当前工作状态、剩余电量、环境品质，所述语音提示器用于提示开始工作、工作结束、剩余电量、充电结束。