CN107511824B - 一种机器人掉头的控制方法及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种机器人掉头的控制方法及芯片，所述机器人掉头的控制方法，通过控制机器人在两直线移动路径之间按弧形轨迹的方式掉头，能实现沿弧形轨迹平滑地转向，从而提高了机器人掉头的顺畅性和平稳性，避免现有的直角掉头方式所带来的卡顿和不顺畅的问题，使得机器人的行进效率大大提高。同理，机器人通过采用所述芯片，能够控制机器人按弧形轨迹的方式掉头，提高了机器人掉头的顺畅性、平稳性以及行进效率。

Description

一种机器人掉头的控制方法及芯片

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器人掉头的控制方法及芯片。

背景技术

现有的扫地机器人，通常都是按弓字型的轨迹进行行进，这种行进方式的轨迹很像一个弓字，所以称之为弓字型。扫地机器人采用这种行进方式可以高效地清扫地面，减少漏扫的情况。但是，由于这种行进方式在掉头时，采用的是直角转弯掉头（即在当前直线移动路径的转弯点时，转向90°，行进一定宽度后，再转向90°，转到下一条直线移动路径上），所以存在掉头时行进卡顿、不顺畅的问题。同时，由于在一次掉头过程中需要连续的停顿转向，导致机器人的行进效率降低，而在这种需要经常掉头的弓字型的行进轨迹中，效率就更低了。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种机器人掉头的控制方法及芯片，能够提高掉头的顺畅性和平稳性，以及提高机器人的行进效率。本发明的具体技术方案如下：

一种机器人掉头的控制方法，包括如下步骤：

基于第一方向，按第一直线移动路径行进至第一转弯点；

从所述第一转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第二直线移动路径的起点；

基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第二直线移动路径行进至第二转弯点；

再从所述第二转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第三直线移动路径的起点；

基于所述第一方向，按所述第三直线移动路径行进至第三转弯点；

从所述第三转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第四直线移动路径的起点；

基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第四直线移动路径行进至第四转弯点；

依此类推；

其中，相邻的直线移动路径相互平行且间隔相等的预设宽度。

进一步地，所述按弧形轨迹掉头行进，包括如下步骤：

获取机器人的陀螺仪检测到的当前角度值；

计算所述当前角度值与目标角度值的角度差值；

计算机器人的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量；

判断所述运动角度预变量是否小于所述角度差值；

如是，则保持当前的运动角度变化量；

如否，则调整当前的运动角度变化量，使机器人行进至相邻的直线移动路径的起点时，能按所述直线移动路径行进；

其中，所述内轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较慢的轮子；所述外轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较快的轮子。

进一步地，所述目标角度值为机器人行进至所述直线移动路径的起点时的角度值。

进一步地，所述计算机器人的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量，包括如下步骤：

获取内轮当前行进的内轮速度；

获取外轮当前行进的外轮速度；

计算所述外轮速度和所述内轮速度的速度差的绝对值；

计算未来时间段内，内轮和外轮的预行进距离差，所述预行进距离差为所述速度差的绝对值与所述未来时间段的乘积；

计算得出所述运动角度预变量，所述运动角度预变量为所述预行进距离差除以所述内轮和所述外轮之间的宽度。

进一步地，所述当前的运动角度变化量为单位时间内，所述内轮和所述外轮的行进距离差与所述内轮和所述外轮之间的宽度的比值，其中，所述内轮和所述外轮的行进距离差为当前行进的内轮速度和当前行进的外轮速度的速度差的绝对值与所述单位时间的乘积。

进一步地，所述未来时间段为所述单位时间的N倍，所述N为大于1的自然数。

进一步地，所述调整当前的运动角度变化量，包括如下步骤：

获取当前位置点与所述起点在直线移动路径的宽度方向上的直线距离；

计算所述直线距离与所述预设宽度的距离比值；

根据所述距离比值调整所述内轮速度，使所述内轮速度为当前的内轮速度与所述距离比值的乘积再乘以一个常量；

其中，所述常量通过实验测试结果得出。

进一步地，所述根据所述距离比值调整所述内轮速度时，限制所述内轮速度，使所述内轮速度小于或等于所述外轮速度。

进一步地，所述获取内轮当前行进的内轮速度或者所述获取外轮当前行进的外轮速度，包括如下步骤：

获取单位时间内码盘接收的脉冲数；

获取码盘比；

计算所述码盘比与所述内轮或者外轮的周长的比值，得到脉冲距离比；

计算单位时间内码盘接收的脉冲数与所述脉冲距离比的比值，得到单位时间内所述内轮或者外轮行进的距离；

其中，所述码盘比为所述内轮或者外轮转一圈的脉冲个数。

一种芯片，用于存储程序，所述程序用于控制机器人执行上述的控制方法。

本发明的有益效果在于：所述机器人掉头的控制方法，通过控制机器人在两直线移动路径之间按弧形轨迹的方式掉头，能实现沿弧形轨迹平滑地转向，从而提高了机器人掉头的顺畅性和平稳性，避免现有的直角掉头方式所带来的卡顿和不顺畅的问题，使得机器人的行进效率大大提高。同理，机器人通过采用所述芯片，能够控制机器人按弧形轨迹的方式掉头，提高了机器人掉头的顺畅性、平稳性以及行进效率。

附图说明

图1为本发明所述的行进路径示意图。

图2为本发明所述控制方法的实施流程图。

图3为本发明所述的行进轨迹示意图。

图4为本发明所述的行进轨迹分析图。

图5为本发明所述的机器人结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

扫地机器人10在进行清扫时，一般会以充电座或者其它某个点为原点，建立栅格地图形式的分块区域，然后依序分别针对每个栅格区域进行弓字型清扫。所谓弓字型清扫是指机器人10沿移动路径直线行进至转弯点时，转向90°后行进一定宽度，然后再转向90°，使当前行进方向与原来的移动路径方向相反，接着继续行进至下一个转弯点。由于机器人10按此方式行进的轨迹类似弓字，故称之为弓字形清扫。所述转弯点为机器人10达到栅格区域的边界时或者检测到墙壁等符合转弯条件的障碍物时的位置点。由于这种行进方式在一次掉头过程中需要两次停顿和直角转向，存在掉头时卡顿、不顺畅和行进效率降低等问题。

本发明对此作出了改进，如图1所示的路径示意图中，带有箭头的线路表示机器人10的行进轨迹。最外侧的四条边所组成的一个最大的长方形，则表示栅格区域的边界。起点A为机器人10开始行进的点，带有箭头的直线AB为机器人10行进的第一直线移动路径，箭头所指的方向为第一方向。当机器人10行进至转弯点B时，按弧形轨迹进行掉头，当掉头至位置点C时，机器人10行进的方向与所述第一直线移动路径上的行进方向相反（即第二方向），该条行进方向相反的直线CD作为机器人10行进的第二直线移动路径，位置点C作为第二直线移动路径的起点, 位置点D则作为第二直线移动路径的转弯点。图中所示，带箭头的竖直线表示的路径都是机器人10的直线移动路径，首尾两端连接相邻两条直线移动路径的弧线段则表示机器人10掉头的掉头路径。如图，直线EF为第三直线移动路径；相邻所述第三直线移动路径的右侧的直线GH为第四直线移动路径，以此类推。

本发明所述的机器人10掉头的控制方法，包括如下步骤：基于第一方向，按第一直线移动路径AB行进至第一转弯点B；从所述第一转弯点B按弧形轨迹掉头行进至相邻的第二直线移动路径CD的起点C；基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第二直线移动路径CD行进至第二转弯点D；再从所述第二转弯点D按弧形轨迹掉头行进至相邻的第三直线移动路径EF的起点E；基于所述第一方向，按所述第三直线移动路径EF行进至第三转弯点F；从所述第三转弯点F按弧形轨迹掉头行进至相邻的第四直线移动路径GH的起点G；基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第四直线移动路径GH行进至第四转弯点H；依此类推。其中，相邻的直线移动路径相互平行且间隔相等的预设宽度。

所述机器人10掉头的控制方法，通过控制机器人10在两直线移动路径之间按弧形轨迹的方式掉头，能实现沿弧形轨迹平滑地转向，从而提高了机器人10掉头的顺畅性和平稳性，避免现有的直角掉头方式所带来的卡顿和不顺畅的问题，使得机器人10的行进效率大大提高。

优选的，如图2和图5所示，所述按弧形轨迹掉头行进，包括如下步骤：获取机器人10的陀螺仪检测到的当前角度值；计算所述当前角度值与目标角度值的角度差值；计算机器人10的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量；判断所述运动角度预变量是否小于所述角度差值；如是，则保持当前的运动角度变化量；如否，则调整当前的运动角度变化量，使机器人10行进至相邻的直线移动路径的起点时，能按所述直线移动路径行进。其中，所述内轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较慢的轮子102；即向左转弯时，左边的轮子102为内轮，向右转弯时，右边的轮子102则为内轮。所述外轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较快的轮子102；即向左转弯时，右边的轮子102为外轮，向右转弯时，左边的轮子102则为外轮。

通过预估机器人10未来时间段内的运动角度预变量，可以提前判断机器人10是否会转弯过度，如果运动角度预变量大于或等于所述角度差值，则表明机器人10会转弯过度，会偏离掉头的弧形轨迹，应该立即调整当前的运动角度变化量，如果运动角度预变量小于所述角度差值，则可以保持当前的运动角度变化量，继续按当前的弧形轨迹平滑行进。

其中，所述目标角度值为机器人10行进至所述直线移动路径的起点时的角度值。以图3为例，以直线AB的箭头指示方向为参考方向，则在位置点B时机器人10从参考方向转向90°，此时，陀螺仪检测到的当前角度值为90°。而位置点C为目标点，机器人10在位置点C的角度值即为目标角度值，目标角度值与参考方向相反，为180°，所以，当前角度值与目标角度值的角度差值为90°。随着机器人10从位置点B逐渐靠近位置点C，当前角度值会逐渐增大，所述角度差值也就相应逐渐减小，当机器人10到达位置点C时，所述角度差值为0。

优选的，所述计算机器人10的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量，包括如下步骤：获取内轮当前行进的内轮速度；获取外轮当前行进的外轮速度；计算所述外轮速度和所述内轮速度的速度差的绝对值；计算未来时间段内，内轮和外轮的预行进距离差，所述预行进距离差为所述速度差的绝对值与所述未来时间段的乘积；计算得出所述运动角度预变量，所述运动角度预变量为所述预行进距离差除以所述内轮和所述外轮之间的宽度。

比如，当获取到的当前行进的内轮速度为V1，外轮速度为V2，则速度差的绝对值为△V，△V=|V1-V2|。未来时间段为T，则T时间内，内轮和外轮的预行进距离差为△L，△L=△V*T。内轮和外轮之间的宽度为W，则根据小角度计算方法，运动角度预变量△θ=△L/W。

其中，所述未来时间段T是一个可以设置的值，根据不同的转弯条件设置不同时间段，优选的，T可以设置为10毫秒、20毫秒、50毫秒或者100毫秒等，所设置的时间段可以使机器人10在得到预估结果需要做出相应调整时，有足够的调整时间。

优选的，所述当前的运动角度变化量为单位时间内，所述内轮和所述外轮的行进距离差与所述内轮和所述外轮之间的宽度的比值，其中，所述内轮和所述外轮的行进距离差为当前行进的内轮速度和当前行进的外轮速度的速度差的绝对值与所述单位时间的乘积。其中，所述单位时间也是一个可以设置的值，根据不同的需求进行相应的设置。所述内轮和所述外轮之间的宽度为图5所述机器人10的两轮子102之间的直线距离。

优选的，所述未来时间段为所述单位时间的N倍，所述N为大于1的自然数。所述单位时间为10毫秒，则所述未来时间段则可以为50毫秒、100毫秒或者200毫秒等。

优选的，如图4所示，所述调整当前的运动角度变化量，包括如下步骤：

获取当前位置点B1与所述起点C在直线移动路径的宽度方向上的直线距离L；

计算所述直线距离与所述预设宽度的距离比值；

根据所述距离比值调整所述内轮速度，使所述内轮速度为当前的内轮速度与所述距离比值的乘积再乘以一个常量，从而改变内轮速度，使机器人10行进的角度变化量相应变化。

由于越靠近位置点C，所述角度差值就越小，所需要的角度变化量就越小，所以，需要通过调整内轮的速度，使内轮的速度逐渐增大，从而减小内轮速度与外轮速度之间的速度差，使得运动角度变化量逐渐减小，并在到达目标点（即位置点C）时，运动角度变化量为0，使得机器人10可以按当前直线移动路径进行直线行进。

其中，由于不同结构的机器人和不同的地面环境等因素的影响，在调整运动角度变化量时，即使改变的相关参数相同，最终调整出来的运动角度变化量却不一定相同，所以需要引入一个常量进行补偿。所述常量需要结合具体的机型和测试环境等条件，通过实验测试结果得出，使得在进行运动角度变化量的调整时，能够得到准确的数据，避免机器人的控制出现误差。

其中，所述直线移动路径的宽度方向为同时垂直相邻的两条直线移动路径的直线的长度方向，即图4中的Y轴方向。所述预设宽度为同时垂直相邻的两条直线移动路径的直线的长度，即图4中坐标原点到C点的直线距离。

优选的，所述根据所述距离比值调整所述内轮速度时，限制所述内轮速度，使所述内轮速度小于或等于所述外轮速度，这样才可以保证机器人10进行掉头时，不会偏离弧形轨迹，顺畅地沿弧形轨迹行进。

优选的，所述获取内轮当前行进的内轮速度或者所述获取外轮当前行进的外轮速度，包括如下步骤：获取单位时间内码盘接收的脉冲数；获取码盘比；计算所述码盘比与所述内轮或者外轮的周长的比值，得到脉冲距离比；计算单位时间内码盘接收的脉冲数与所述脉冲距离比的比值，得到单位时间内所述内轮或者外轮行进的距离（即所述内轮或者外轮的速度）。

其中，所述码盘比为所述内轮或者外轮转一圈的脉冲个数。所述内轮或者外轮的周长为圆周率与轮子102直径的乘积。所述单位时间也是一个可以设置的值，根据不同的情况设置为不同的值，可设置为1毫秒、10毫秒或者100毫秒等。

本发明所述弧形轨迹的算法原理是基于一个椭圆模型，如图4所示，机器人掉头过程中，模拟椭圆的轨迹，从X 轴正方向的B点，走到Y轴负方向的C点。 而B点是直线移动路径的转弯点，其离坐标原点的距离是预先设定的，同时到下一条直线移动路径的起点C点（即目标点）的角度也是预先设定的，所以，在机器人转弯过程中，可以控制机器人的两个轮子的速度来达到弧形的效果，两个轮子的速度可以是一个线性的比例关系。起始的默认值为外轮的外轮速度为内轮的内轮速度的七倍。在机器人行进的过程中会不断检测，当符合调整条件时，就会调整内轮的速度，以改变机器人的角度变化量。

一种芯片，用于存储程序，所述程序用于控制机器人10执行上述的控制方法。机器人10通过采用所述芯片，能够控制机器人10按弧形轨迹的方式掉头，提高了机器人10掉头的顺畅性、平稳性以及行进效率。所述芯片为控制芯片。

本发明还提供一种存储器，用于存储程序，所述程序用于控制机器人10执行上述的控制方法。

本发明还提供一种处理器，用于存储程序，所述程序用于控制机器人10执行上述的控制方法。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、未经创造性劳动的等效技术特征的替换，应当视为本申请揭露的范围。

Claims (8)

1.一种机器人掉头的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于第一方向，按第一直线移动路径行进至第一转弯点；

从所述第一转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第二直线移动路径的起点；

基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第二直线移动路径行进至第二转弯点；

再从所述第二转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第三直线移动路径的起点；

基于所述第一方向，按所述第三直线移动路径行进至第三转弯点；

从所述第三转弯点按弧形轨迹掉头行进至相邻的第四直线移动路径的起点；

基于与所述第一方向相反的第二方向，按所述第四直线移动路径行进至第四转弯点；

依此类推；

其中，相邻的直线移动路径相互平行且间隔相等的预设宽度；

所述弧形轨迹为椭圆的四分之一弧线轨迹，转弯点为椭圆中与其长轴相交的点，起点为椭圆中与其短轴相交的点；

所述按弧形轨迹掉头行进，包括如下步骤：获取机器人的陀螺仪检测到的当前角度值；计算所述当前角度值与目标角度值的角度差值；计算机器人的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量；判断所述运动角度预变量是否小于所述角度差值；如是，则保持当前的运动角度变化量；如否，则调整当前的运动角度变化量，使机器人行进至相邻的直线移动路径的起点时，能按所述直线移动路径行进；其中，所述内轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较慢的轮子；所述外轮为按弧形轨迹掉头过程中，行进速度相对较快的轮子；

所述调整当前的运动角度变化量，包括如下步骤：获取当前位置点与所述起点在直线移动路径的宽度方向上的直线距离；计算所述直线距离与所述预设宽度的距离比值；根据所述距离比值调整所述内轮速度，使所述内轮速度为当前的内轮速度与所述距离比值的乘积再乘以一个常量；其中，所述常量通过实验测试结果得出。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述目标角度值为机器人行进至所述直线移动路径的起点时的角度值。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述计算机器人的内轮和外轮在未来时间段内的运动角度预变量，包括如下步骤：

获取内轮当前行进的内轮速度；

获取外轮当前行进的外轮速度；

计算所述外轮速度和所述内轮速度的速度差的绝对值；

计算未来时间段内，内轮和外轮的预行进距离差，所述预行进距离差为所述速度差的绝对值与所述未来时间段的乘积；

计算得出所述运动角度预变量，所述运动角度预变量为所述预行进距离差除以所述内轮和所述外轮之间的宽度。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述当前的运动角度变化量为单位时间内，所述内轮和所述外轮的行进距离差与所述内轮和所述外轮之间的宽度的比值，其中，所述内轮和所述外轮的行进距离差为当前行进的内轮速度和当前行进的外轮速度的速度差的绝对值与所述单位时间的乘积。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述未来时间段为所述单位时间的N倍，所述N为大于1的自然数。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述距离比值调整所述内轮速度时，限制所述内轮速度，使所述内轮速度小于或等于所述外轮速度。

7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述获取内轮当前行进的内轮速度或者所述获取外轮当前行进的外轮速度，包括如下步骤：

获取单位时间内码盘接收的脉冲数；

获取码盘比；

计算所述码盘比与所述内轮或者外轮的周长的比值，得到脉冲距离比；

计算单位时间内码盘接收的脉冲数与所述脉冲距离比的比值，得到单位时间内所述内轮或者外轮行进的距离；

其中，所述码盘比为所述内轮或者外轮转一圈的脉冲个数。

8.一种芯片，用于存储程序，其特征在于，所述程序用于控制机器人执行权利要求1至7任一项所述的控制方法。

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