CN107063257B - 一种分离式扫地机器人及其路径规划方法 - Google Patents

一种分离式扫地机器人及其路径规划方法 Download PDF

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Abstract

分离式扫地机器人由两部分组成，即扫地机器人本体和安装在天花板上的导航模块。扫地机器人本体装有超声波探测器，可以探测障碍物的距离，并可以在其控制系统的控制下沿障碍物移动。导航模块包括计算机、激光发射器和摄像机。摄像机拍摄地面图像，并将图像分割成与地面正方形区域相对应的像素块。对由像素块构成的图像采用数字图像单连通区域的染色方法规划出染色路径，计算机依照此路径以及像素块与地面正方形区域之间的对应关系，控制激光发射器扫描地面对应的正方形区域，并指引扫地机器人本体清扫地面。

Description

一种分离式扫地机器人及其路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种分离式扫地机器人及其路径规划方法，属于智能家用电器技术领域。
背景技术
随着科学技术的进步和计算机技术的发展，扫地机器人将逐步走进千家万户，成为人类的得力助手。定位导航技术是扫地机器人的一个研究热点。扫地机器人要想高质量、无遗漏、无重复地清扫地面，必须建立清扫区域的环境地图，通过环境地图了解扫地机器人自身当前所处位置、哪些地方已经清扫、哪些地方没有清扫、下一步该往哪里清扫。目前栅格法在建立机器人环境地图方面得到广泛应用。其思想主要是将二维环境理想化为有棱有角的形状，分成许多小单元，然后利用超声传感器对障碍物进行检测，根据每个单元被障碍物占有的概率来进行环境建模。在利用栅格地图进行路径规划的时候，机器人根据每个栅格被清扫的纪录来进行运动，在清扫完某个栅格的时候，就将该栅格赋予一个值，表明该处已经清扫过，如果再次经过此栅格，由于已经被清扫，所以机器人就向左侧或者右侧栅格移动，来避开重复清扫。利用栅格地图进行路径规划非常方便，只需要判断每个栅格是否被打扫过就可以了。但是这种方法应用于扫地机器人仍有许多问题需要解决：首先是扫地机器人的定位问题，也就是如何确定扫地机器人当前所在的位置属于哪个栅格；其次是即使待清扫区域是一块连通区域，经过一段时间的清扫之后也可能变成许多不连通区域，这不仅给未清扫区域的查找带来困难，还需要机器人穿梭在几个零散的栅格之间，既增加了清扫的重复次数，也容易造成未清扫栅格的遗漏。
发明内容
为避免清扫过程中将连通待扫区域分割成不连通区域，本发明首先将复连通待扫区域分割成单连通区域，因此本发明仅涉及单连通待扫区域。分离式扫地机器人由两部分组成，即扫地机器人本体和安装在天花板上的导航模块。扫地机器人本体装有超声波探测器，可以探测障碍物的距离，并可以在其控制系统的控制下沿障碍物移动。导航模块包括计算机、激光发射器和摄像机。摄像机拍摄地面图像，并将图像分割成与地面正方形区域相对应的像素块。对由像素块构成的图像采用数字图像单连通区域的染色方法规划出染色路径，计算机依照此路径以及像素块与地面正方形区域之间的对应关系，控制激光发射器扫描地面对应的正方形区域，并指引扫地机器人本体清扫地面。
附图说明
图1是导航模块示意图；图2是扫地机器人本体示意图，图3是激光发射器两个转轴转动角度示意图。
标号说明：1步进电机A，2步进电机B，3激光发射器，4摄像机，5激光接收器。
具体实施方式
分离式扫地机器人由两部分组成，即扫地机器人本体和安装在天花板上的导航模块。扫地机器人本体除具有扫地机器人所必备的清扫模块、电源模块、驱动模块等以外，还安装有超声波探测器、激光接收器(5)和激光跟踪控制模块。超声波探测器可以探测障碍物的距离，并可以在其控制系统的控制下沿障碍物移动。激光接收器(5)可以接收天花板上的导航模块发射的激光束，激光跟踪控制模块根据激光束在激光接收器(5)靶面上的光斑位置控制扫地机器人本体的运动，使之跟踪激光束。
导航模块由计算机、激光发射器(3)和摄像机(4)组成；激光发射器(3)在步进电机A(1)和步进电机B(2)的驱动下可以沿中心线相互垂直的两个轴转动；摄像机(4)的像面与两个轴的中心线确定的平面重合，与地面平行。
定义激光发射器(3)垂直向下时步进电机A(1)和步进电机B(2)的轴线分别为X轴和Y轴，正向指向步进电机，Z轴正向指向地面，建立坐标系O-XYZ；以像面中点o为原点建立另一个坐标系o-xyz，其中x轴、y轴和z轴分别与X轴、Y轴和Z轴平行且方向一致，因此坐标系o-xyz到坐标系O-XYZ的变换只是X轴的平移变换。
当扫地机器人静止时可以清扫的圆形区域的半径称为扫地机器人的静扫半径，记为R。扫地机器人工作时摄像机(4)首先拍摄地面的图像。由于与静扫半径相比，摄像机(4)每个像素对应的地面实际区域面积太小，为减小运算量将图像中若干个像素组成的方阵合并为一个像素块，地面自然有一块正方形区域与之对应，称为此像素块的对应区域。若像素块是由k2个像素构成的方阵，则对应的地面正方形区域的边长为L＝klh/f，其中f，l分别为摄像机(4)焦距和像素长度，h为摄像机(4)像面与地面之间的距离。为保证扫地机器人能够清扫完整的正方形区域，正方形区域的边长L应满足
Figure GSB0000184393510000031
此外，考虑到扫地机器人本体对激光束的跟踪误差σR，其中0＜σ＜1，为保证前后两次清扫路径之间距离不超过2R，L还应满足
Figure GSB0000184393510000032
以σ＝1/4为例，L应满足
Figure GSB0000184393510000033
因此，只要扫地机器人本体的跟踪误差不超过R/4，当
Figure GSB0000184393510000034
时，扫地机器人在激光束指引下，在地面上沿边长L的正方形构成的边界运行时可以清扫完整的正方形区域，且前后两次清扫区域之间不会夹有未清扫区域。
记
Figure GSB0000184393510000035
L0＝k0lh/f，其中E(·)为取整函数，将摄像机(4)拍摄的地面图像划分为由k0 2个像素构成的像素块，记为aij，i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J，将它们的标记值均置“1”，作为“未清扫”的标记，其中I，J分别为像素块的行数和列数；同时，扫地机器人本体依靠超声波探测器的指引和驱动模块的驱动与控制，沿障碍物逆时针运行一周，摄像机拍摄扫地机器人本体的图像，通过图像的差运算获取扫地机器人本体的轨迹，并将被轨迹完全覆盖的像素块的标记值置“0”，作为“已清扫”的标记；对被标记值为0的像素块所包围的那些标记值为1的像素块，使用数字图像单连通区域的染色方法规划染色路径，以序列形式表示为{ai|i＝1，2，…，N}，地面上对应的区域序列记为{Ai|i＝1，2，…，N}，其中N为序列长度；以(ai(1)，ai(2))和(Ai(1)，Ai(2)，h)分别表示像素块ai的中心在像面二维坐标系o-xy和Ai的中心在三维坐标系o-xyz中的坐标，则
Figure GSB0000184393510000041
Figure GSB0000184393510000042
即
Figure GSB0000184393510000043
Figure GSB0000184393510000044
地面上的区域Ai的中心在三维坐标系O-XYZ中的坐标为
Figure GSB0000184393510000045
其中d为两坐标原点之间的距离；欲使激光束对准区域Ai的中心，步进电机A(1)和步进电机B(2)转过的角度分别为
Figure GSB0000184393510000046
Figure GSB0000184393510000047
激光发射器发射激光，同时计算机控制步进电机A(1)和步进电机B(2)匀速转动，并依次分别达到角度θi(1)，θi(2))，i＝1，2，…，N，扫地机器人本体以R/4的跟踪误差跟踪激光发射器(3)发射的激光束，当步进电机A(1)和步进电机B(2)的转角分别达到θN(1)，θN(2))后地面清扫结束。

Claims (1)

1.一种分离式扫地机器人，其特征在于：分离式扫地机器人由两部分组成，即扫地机器人本体和安装在天花板上的导航模块；扫地机器人本体除具有扫地机器人所必备的清扫模块、电源模块、驱动模块以外，还安装有超声波探测器、激光接收器(5)和激光跟踪控制模块；超声波探测器探测障碍物的距离，并在其控制系统的控制下沿障碍物移动；激光接收器(5)接收天花板上的导航模块发射的激光束，激光跟踪控制模块根据激光束在激光接收器(5)靶面上的光斑位置控制扫地机器人本体的运动，使之跟踪激光束；导航模块由计算机、激光发射器(3)、摄像机(4)、步进电机A(1)和步进电机B(2)组成；激光发射器(3)在步进电机A(1)和步进电机B(2)的驱动下沿中心线相互垂直的两个轴转动；摄像机(4)的像面与两个轴的中心线确定的平面重合，与地面平行；其路径规划方法的特征在于：
定义激光发射器(3)垂直向下时步进电机A(1)和步进电机B(2)的轴线分别为X轴和Y轴，正向指向另一步进电机，Z轴正向指向地面，建立坐标系O-XYZ；以像面中点o为原点建立另一个坐标系o-xyz，其中x轴、y轴和z轴分别与X轴、Y轴和Z轴平行且方向一致，因此坐标系o-xyz到坐标系O-XYZ的变换只是X轴的平移变换；以R表示静扫半径，R/4表示扫地机器人本体跟踪激光发射器(3)发射的激光束的跟踪误差，f，l分别为摄像机(4)焦距和像素长度，h为摄像机(4)像面与地面之间的距离，
Figure FSB0000187843550000011
L0＝k0lh/f，其中E(·)为取整函数，将摄像机(4)拍摄的地面图像划分为由k0 2个像素构成的像素块，记为aij，i＝1，2，…，I，j＝1，2，…，J，将它们的标记值均置“1”，作为“未清扫”的标记，其中I，J分别为像素块的行数和列数；同时，扫地机器人本体依靠超声波探测器的指引和驱动模块的驱动与控制，沿障碍物逆时针运行一周，摄像机拍摄扫地机器人本体的图像，通过图像的差运算获取扫地机器人本体的轨迹，并将被轨迹完全覆盖的像素块的标记值置“0”，作为“已清扫”的标记；对被标记值为0的像素块所包围的那些标记值为1的像素块，使用数字图像单连通区域的染色方法规划染色路径，以序列形式表示为{ai|i＝1，2，…，N}，地面上对应的区域序列记为{Ai|i＝1，2，…，N}；以(ai(1)，ai(2))和(Ai(1)，Ai(2)，h)分别表示像素块ai的中心在像面二维坐标系o-xy和Ai的中心在三维坐标系o-xyz中的坐标，则地面上的区域Ai的中心在三维坐标系O-XYZ中的坐标为
Figure FSB0000187843550000021
其中d为两坐标原点之间的距离；记
Figure FSB0000187843550000022
Figure FSB0000187843550000023
激光发射器发射激光，同时计算机控制步进电机A(1)和步进电机B(2)匀速转动，并依次分别达到角度θi(1)，θi(2))，i＝1，2，…，N，扫地机器人本体以R/4的跟踪误差跟踪激光发射器(3)发射的激光束，当步进电机A(1)和步进电机B(2)的转角分别达到θN(1)，θN(2))后地面清扫结束。
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