CN108247647A - 一种清洁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种清洁机器人，包括：运动单元、运动传感器、单目摄像头、存储单元、数据处理单元、清洁单元、外壳；运动传感器获取清洁机器人运动过程中的运动参数；单目摄像头用于拍摄图像；单目摄像设置于位于所述外壳前端、沿正向运动方向斜向上的坡面内，且与所述坡面大体同方向，所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角；所述数据处理单元用于获取单目摄像头拍摄的图像、以及运动传感器的运动参数，对所述清洁机器人进行定位、建立地图、规划路线，并控制运动单元按所述规划路线运行。本发明的清洁机器人通过安装结构简单、仰角为锐角的单目摄像头，提高了清洁机器人的定位、建图的准确率，从而提高了路径规划/导航效果。

Description

一种清洁机器人
技术领域
本发明涉及人工智能领域，特别涉及一种清洁机器人。
背景技术
近年来，清洁机器人得到了快速发展，对于这类机器人来说，最重要的一点就是实现对未知环境的全面、高效清洁。目前大部分清洁机器人主要存在以下问题：第一、通常的清洁机器人的随机清扫模式经常遗漏大量未清洁区域，而对于已清洁区域则经常进行重复清洁，导致清洁效率很低；第二、有的新型清洁机器人需借助昂贵的测距设备比如激光雷达测距仪或激光SLAM(Simultaneous Localization And Mapping，同步定位与地图构建)在实际工作区域建图、定位和导航，一方面激光雷达成本比较高，从而增加了扫地机的成本，另一方面，由于激光雷达体积较大，使用激光雷达增加了设备的整体体积和重量。
发明内容
本发明提供了一种清洁机器人，通过在清洁机器人前部安装结构简单、仰角为锐角的单目摄像头，提高了清洁机器人的定位、建图的准确率，从而提高了路径规划/导航效果，避免了随机清扫模式的低效率，同时也提高了对物体的识别效果和避障效果，能够实现低成本下的高效清洁；而且可实现物体识别、人脸识别、实时监控、安防监控等功能，拓展了清洁机器人的应用领域。
本发明的一种清洁机器人，包括：运动单元、运动传感器、单目摄像头、存储单元、数据处理单元、清洁单元、电源模块、外壳；所述运动单元用于移动；所述运动传感器，用于获取清洁机器人运动过程中的运动参数；所述单目摄像头用于拍摄图像；所述单目摄像设置于位于所述外壳前端、沿正向运动方向斜向上的坡面内，且与所述坡面大体同方向，所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角；所述存储单元连接所述数据处理单元，用于存储数据；所述数据处理单元用于获取单目摄像头拍摄的图像、以及运动传感器的运动参数，并根据定位建图算法对所述清洁机器人进行定位、建立地图、规划路线，并控制运动单元按所述规划路线运行；清洁单元用于清洁地面。
优选地，在所述坡面的周边设置高于所述坡面的前突的保护棱。
优选地，所述单目摄像头在单目摄像头方向与正向运动方向形成的平面内可转动。
优选地，还包括通信模块，所述通信模块可以与服务器无线连接，所述数据处理单元通过通信模块向服务器发送数据或命令，和/或通过通信模块获取服务器的信息。
优选地，还包括通信模块，所述通信模块可以与用户终端设备无线连接，所述数据处理单元通过通信模块接收用户终端设备的命令；和/或所述数据处理单元通过所述通信模块向用户终端设备发送信息。
优选地，还可以包括麦克风和/或音箱；所述麦克风获取语音控制命令，发给数据处理单元；所述音箱向外发送信息。
优选地，所述坡面覆盖透光材质。
优选地，所述透光材质可以是GPPS，透明ABS，AS，PMMA，PC，PS中的一种或几种。
优选地，所述单目摄像头的方向与所述坡面的法线方向重合；
优选地，所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向的夹角β范围为30＜β＜90°；
优选地，所述单目摄像头的垂直视场角范围为50°至100°。
优选地，所述定位建图算法包括：
识别所述单目摄像头拍摄的至少两幅图像中的特征信息；
根据运动传感器在拍摄所述至少两幅图像时的清洁机器人的运动参数，计算得到清洁机器人的位移和姿态，并计算得到在拍摄每个图像时清洁机器人的位置，实现对清洁机器人的定位。
优选地，还可以包括碰撞传感器，所述碰撞传感器设置在清洁机器人的前端，在碰撞障碍物时，将碰撞信号发送给数据处理单元；
所述定位建图算法还包括：
在清洁机器人与障碍物碰撞时，根据碰撞传感器的碰撞信号及清洁机器人发生碰撞时刻的位置确定所述障碍物的位置；
根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
优选地，还可以包括距离传感器，在所述距离传感器探测到障碍物时，将障碍物相对于清洁机器人的相对位置发送给数据处理单元；
所述定位建图算法还可以包括：
根据距离传感器发送的障碍物的相对位置及距离传感器获得所述障碍物的所述相对位置时刻的清洁机器人的位置确定所述障碍物的位置；
根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
优选地，所述定位建图算法还可以包括：
设定虚拟区域，将清洁机器人设置于所述虚拟区域内部或虚拟区域边界上，所述虚拟区域由预先设置的、控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令设定，所述指令使清洁机器人在实际工作区域里运行的运行轨迹围成的封闭空间构成所述虚拟区域；
控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁。
优选地，控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁的过程包括：
执行所述控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到封闭空间；
对所述封闭空间内部进行清洁。
优选地，执行所述控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到封闭空间的过程中，当遇到障碍物后，控制清洁机器人转向预设转向并沿所述障碍物边缘运行，实时计算沿所述障碍物边缘运行的轨迹在遇到障碍物之前的当前方向上的投影长度与所述当前方向已运行长度之和，当该计算值大于在所述当前方向上的预设距离时，则转而继续执行控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令。
优选地，对所述封闭空间内部进行清洁的过程可以包括：
S510：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第一清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇；
S520：控制清洁机器人向第一转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第一偏移方向继续运行第一偏移长度，向第一转向转向至与所述第一清洁方向平行且相反的第二清洁方向；
S530：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第二清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇；
S540：控制清洁机器人向第二转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第二偏移方向继续运行第二偏移长度，向第二转向转向至所述第一清洁方向；
S550：重复步骤S510至S540，直至清扫机器人的轨迹遍历所述虚拟区域内的可运行区域。
优选地，所述第一偏移长度和/或所述第二偏移长度大体上是所述清洁单元的宽度。
优选地，若清洁机器人在虚拟区域内沿当前清洁方向运行时遇到障碍物，则控制清洁机器人沿所述障碍物的边缘运行，实时计算沿所述障碍物边缘运行的轨迹在当前清洁方向的垂线上的投影长度，当该投影长度等于第三偏移长度时，控制清洁机器人转向至与当前清洁方向相反的清洁方向继续运行，当该投影长度等于0，控制清洁机器人转向至当前清洁方向继续运行。
优选地，所述定位建图算法还可以包括：
根据所述虚拟区域对实际工作区域内虚拟区域以外的区域进行划分得到多个扩展虚拟区域；
在清洁完当前虚拟区域后，按序对所述扩展虚拟区域依次进行清洁。
优选地，所述按序对其它所述扩展虚拟区域依次进行清洁，是根据清洁机器人清洁完当前虚拟区域后的当前位置与其它扩展虚拟区域的距离，判断下一个待清洁的扩展虚拟区域。
优选地，所述指令可以包括：1)以清洁机器人当前位置为起始位置，控制清洁机器人沿当前方向运行第一预设长度；2)转向预设转向；3)沿当前方向运行第二预设长度；4)转向预设转向；5)沿当前方向运行第一预设长度；6)转向预设转向；7)继续沿当前方向运行第二预设长度回到起始位置。
本发明通过在清洁机器人前端斜向上安装结构简单、仰角为锐角的单目摄像头，避免天花板上信息较少导致的不易定位和建图问题，同时在一个图像里为运动方向前面的物体图像提供了天花板的特征作为固定参照物，从而提高了清洁机器人的定位、建图的准确率，从而提高了路径规划/导航效果，避免了随机清扫模式的低效率，同时也提高了对物体的识别效果和避障效果，能够实现低成本下的高效清洁；而且可实现物体识别、人脸识别、实时监控、安防监控等功能，拓展了清洁机器人的应用领域。
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1a为本发明一个实施例的清洁机器人的示意图；
图1b为本发明一个实施例的单目摄像头的设置示意图；
图1c为本发明一个实施例的外观结构图；
图1d为本发明一个实施例的外观结构图；
图2为本发明多个实施例的清洁机器人结构的组合示意图；
图3a为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法流程图；
图3b为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法中的路径示意图；
图3c为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法中的路径示意图；
图3d为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法流程图；
图3e为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法中的路径流程图；
图3f为本发明一个实施例的清洁机器人的定位建图算法流程图；
图3g为本发明一个实施例的清洁机器人的多虚拟区域示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明，本发明也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本发明的保护范畴。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本发明一种清洁机器人，包括：运动单元、运动传感器、单目摄像头、存储单元、数据处理单元、清洁单元、电源模块、外壳等。
所述运动单元用于移动，运动单元的具体形式可以是轮子或履带，当然也可以是其它能运载物体运动的形式，比如磁悬浮或螺旋桨等形式的运动单元。本发明对运动单元的具体形式不做限制。
所述运动传感器，用于获取清洁机器人运动过程中的运动参数。所述运动传感器包括里程计、IMU(IMU是惯性测量单元的简称，通常包括陀螺仪和加速度计)等获得运动参数的传感器，也可以是各种位移传感器(比如电阻式位移传感器、电感式位移传感器，电容式位移传感器，应变式位移传感器，霍尔式位移传感器等)。各种运动传感器根据其特性，可测量或根据测量结果计算出距离、位移、角度、加速度等一个或多个运动参数。本发明一个实施例中的运动传感器至少包括里程计和IMU，里程计与IMU获取的运动参数可以互相补充、互相修正，提高运动参数数据的准确性。里程计设置在运动单元上或与运动单元连接，如图2所示；而IMU则只要与清洁机器人一起运动即可获取运动参数，因此可以设置在清洁机器人的外壳或任何随动组件上即可，如图2所示，不必然与运动单元连接。
所述单目摄像头用于拍摄图像。所述单目摄像头即单个摄像头。单目摄像头相对于双目或多目摄像头，其优点在于，结构简单，成本低，但单目摄像头也存在在静止状态下无法确定距离的缺点。解决这个缺点需要借助于在一段运动过程前后的多个角度上单目摄像头对同一目标的多次拍照，以及所述运动过程的运动参数。本发明中，所述单目摄像头设置于位于所述外壳前端、沿正向运动方向斜向上的透明的坡面内，且与所述坡面大体同方向。所述坡面“位于所述外壳前端”是指所述坡面位于清洁机器人的外壳在其正向运动方向上的前端，如图1a至图1d所示。在本发明中，“正向运动方向”均指清洁机器人的正向运动方向；“前端”均指清洁机器人的正向运动方向的前端。所述坡面“沿正向运动方向斜向上”是指，所述坡面的法线方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角(图1b中为γ角，0°＜γ＜90°)。所述单目摄像头设置成“与所述坡面大体同方向”是指，所述单目摄像头的光轴方向(即单目摄像头的方向，如图1b所示)与所述坡面的法线方向之间的夹角(即图1b中的α角)为小于/等于45°的锐角或重合，即0≤α≤45°。在优选实施例中，α≈0，即单目摄像头方向与坡面的法线方向基本重合。所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角(即图1b中的β角，在本发明中也称为单目摄像头的仰角；0°＜β＜90°)。上述描述实质上说明，在清洁机器人正向运动方向的前端的外壳内设置斜向上且向前的单目摄像头，如图1c所示，且在单目摄像头的镜头之上有一个与单目摄像头的光轴大体同方向的透明的坡面。这种设置使得光能透过透明坡面在所述单目摄像头上成像，使所述单目摄像头拍摄到包含清洁机器人前进方向的上方的天花板的景物信息和前方的景物信息的图像。
现有技术的一些扫地机，是在扫地机的顶部垂直向上设置摄像头，这类扫地机的一个问题在于，垂直向上设置的摄像头通常只能拍摄屋内天花板的景物图像，而由于屋内天花板的图案大多比较简单、特征点较少(比如纯白色的天花板，或仅有简单栅格图案的天花板)，这使得扫地机能获取的特征点比较少，有可能不足以进行准确地定位和建图。另外，现有技术中还有一类扫地机将摄像头设置在扫地机运行的正前方，这样可以获取扫地机前进方向的前方景物图像用以定位和建图，但这类扫地机也存在问题，比如扫地机前方经常会出现移动的景物(比如宠物或人)，而移动的景物会干扰扫地机地定位和建图(根据三角定位法，摄像头在不同位置对同一景物拍摄多张图像，若要利用这些图像确定摄像头自身位置，则要求被拍摄的景物在拍摄图像的多个时刻处于同一位置，否则会产生定位错误)，使得扫地机自身的定位及对环境的建图发生错误。本发明的单目摄像头设置于位于外壳前端、沿正向运动方向斜向上的透明的坡面内，且与所述坡面大体同方向，且所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角，能够同时获得清洁机器人前进方向的上方的天花板的景物信息和前方的景物信息，一方面由于正前方景物的特征非常丰富，利于建图和定位，另一方面，以天花板的静止景物的特征作为参照(天花板的景物大多是固定的，虽然特征较少也能提供参照)，判断前方景物是否发生移动，从而避免了运动方向前方出现移动的景物对于清洁机器人的建图、定位及导航的干扰。因此本发明的清洁机器人可以避免天花板上景物特征信息较少导致的不易定位和建图问题，也在同一个图像里为清洁机器人提供了天花板的静止景物特征作为固定参照物，以判断正向运动方向前面的景物是否发生了移动。
所述单目摄像头与数据处理单元连接，向数据处理单元发送拍摄的图像。本发明不限制摄像头的类型，可以是标准摄像头、广角摄像头、鱼眼摄像头或其它各类摄像头；拍摄获取的景物的图像，可以是可见光下的图像，也可以是红外光下的图像，本发明不限制摄像头的类型。
所述存储单元连接所述数据处理单元，用于存储数据。存储的数据包括但不限于，各类传感器数据(所述传感器数据既包括运动传感器在运动单元的运动过程中获取的距离、位移、角度、加速度等的运动参数，也包括单目摄像头拍摄的图像，还可以包括其它传感器(比如碰撞传感器、激光雷达、超声波、TOF(飞行时间传感器)、红外距离传感器、接近传感器、断崖传感器等)获取、计算、产生的数据)、数据处理单元运算的中间数据、新建或转存的地图数据和/或地图等。本发明对存储单元存储的数据类型、用途、来源不作任何限制。
所述数据处理单元用于获取单目摄像头拍摄的图像、以及运动传感器的运动参数，并根据定位建图算法对所述清洁机器人进行定位、建立地图、规划路线，并控制运动单元按所述规划路线运行。除此之外，数据处理单元还可以进行优化地图、修正地图、进行回环检测等。在执行所述功能过程中，数据处理单元在需要数据、信息、程序时，可根据需要从存储单元获取相关的数据、信息、程序，并将得到的数据、信息、中间文件存储在存储单元里。本发明对数据处理单元与存储单元之间的获取/存储各类数据/信息不作限制。所述数据处理单元可以是MCU，DSP，FPGA，GPU中的一种或几种，也可以是其它具有数据处理、运算能力的各类硬件芯片、处理器或软件算法。本发明对数据处理单元的类型及形式不作限制。本发明中的所述数据处理单元是统称，可以是清洁机器人的统一、唯一的处理器；也可以是多个数据处理单元的集合，比如可以包括上位机的第一处理单元与底盘的第二处理单元，在这种情况下，所述第一处理单元及第二处理单元整体实现上述数据处理单元的各种功能，本发明不限制数据处理单元的数量、多个数据处理单元的连接方式及功能、算力的分配。
一般清洁机器人的底盘，包括运动单元(比如轮子)、运动传感器(比如里程计)、数据处理单元(比如MCU、DSP等处理器)，所以作为一个设备部件的底盘，在本发明中依功能将其分成多个功能单元。
清洁单元用于清洁地面。清洁单元可以是毛刷和/或拖布，如果是扫地机，则清洁单元的毛刷可以包括主刷和侧刷，侧刷的一个实施例如图1c所示。
电源模块用于对清洁机器人供电(图中未示出)。在一些实施例中，通过蓄电池作为电源模块对清洁机器人供电，且在清洁机器人外部设置对蓄电池充电的充电座。在本发明的一些实施例中，清洁机器人也具有自动回充装置，在电量低于一定阈值时清洁机器人自动回到充电座进行充电。
所述外壳可以将清洁机器人的上述各组件、功能单元容纳在内，如图1a所示；也可以不容纳或不完全容纳运动单元、清洁单元、运动传感器中的一个或多个。
本发明的一个实施例的清洁机器人，在所述坡面的周边设置高于所述坡面的前突的保护棱，用以保护所述坡面，从而保护所述单目摄像头，如图1d所示。由于安装碰撞传感器的清洁机器人通常通过碰撞感测前方障碍物，从而确定障碍物的位置，而碰撞会增加单目摄像头被撞坏的风险，由于保护棱较坡面较高且较靠前，因此发生碰撞时，保护棱先于坡面发生碰撞，从而保护坡面、进而保护坡面下的单目摄像头避免被前方障碍物撞坏。
本发明一个实施例的清洁机器人，所述单目摄像头在单目摄像头方向与正向运动方向形成的平面内可转动，即单目摄像头的仰角(图1b中的β角)的角度可改变。可以根据实际的环境情况和/或清洁机器人所执行的任务，人工或由清洁机器人自动调整设定单目摄像头的仰角。如果已确定正向运动方向前方的景物均为静止，则可以将减小仰角β并设定该仰角使清洁机器人工作，可获取更多前方景物的信息；如果清洁机器人处于医院、会场或家庭聚会等人员众多的环境，由于移动景物太多，可以增加仰角β并设定该仰角使清洁机器人工作，获取更多的天花板的景物信息；如果主要实现避障或寻物的功能，则可以减小仰角β并设定该仰角使清洁机器人工作，获取更多前方及地面的景物信息，实现更佳的避障或寻物功能；如果在清洁地面的同时还要实现检测窗户是否破损或打开、以实现警卫功能，则在拍摄到窗户特征时将β角调整到适合拍摄窗户尽可能多的特征或特别特征的角度，以最佳仰角实现上述功能。仰角β的改变范围应在所述坡面的透光范围内，使得单目摄像头可获得较好的透光度；在一个实施例中，仰角β的改变使得所述单目摄像头的方向与所述坡面的法线方向之间的夹角(即图1b中的α角)始终保持在小于45°的范围内。
在本发明另一个实施例中，还可以设定仰角β在清洁机器人工作过程中按一定频率往复运动(或称为扫描)，增加扫描的范围。所述频率优选地，可以与清洁机器人的移动速度匹配，使得在多次扫描中可扫描同一景物的至少部分相同特征，用于后续根据同一景物的特征进行定位。相应地，在图像处理过程中，根据扫描频率和清洁机器人的移动速度，在包含同一景物的相同特征的扫描图像中提取这些相同特征进行计算，从而对清洁机器人进行定位。
当然，清洁机器人的单目摄像头方向还可以在清洁机器人工作过程中按一定频率在水平方向往复运动(或称为水平扫描；所述水平方向为清洁机器人的运动平面)，获取水平方向更多的景物信息。
本发明一个实施例的清洁机器人，还包括通信模块(比如WiFi模块)，所述通信模块与服务器无线连接，如图2所示。需要说明的是，图2虽然包括了多种传感器、麦克风、音箱、服务器、用户终端设备、通信模块等组件，但不代表图2所包含的组件都必须在同一个实施例中，实际上，这些组件可以根据需要和功能单独使用或自由搭配组合使用。所述数据处理单元通过通信模块向服务器发送数据或命令，和/或通过通信模块获取服务器的信息。比如将拍摄的图像、计算得到的自身定位数据等发送给服务器进行运算，并将运算后建立的地图及路径规划通过通信模块从服务器下载到清洁机器人上；或者在清洁机器人本地的数据处理单元完成定位、建图的运算，并规划路径，而仅在服务器上保存一些设置信息、历史信息和/或地图等信息、数据。本发明对于服务器与清洁机器人本地的存储单元、数据处理单元之间存储的数据、功能的分配不作限制。
本发明一个实施例的清洁机器人，还包括通信模块，所述通信模块与用户终端设备(比如手机、电脑、pad)无线连接，如图2所示。所述数据处理单元通过通信模块接收用户终端设备的命令；和/或所述数据处理单元通过所述通信模块向用户终端设备发送信息(可以是声音、图像、和/或文字信息)。所述命令可以包括用户终端设备的查询命令、控制命令(比如开关清洁机器人、选择清扫模式等)等。本发明对清洁机器人从用户终端设备接收的命令及向用户终端设备发送的信息不作限制。在本实施例中，清洁机器人可以仅包括用户终端设备而不包括上一实施例的服务器，也可以同时包括服务器。在同时包含用户终端设备和服务器时，所述通信模块可以分别与用户终端设备和服务器单独发送/接收与这两个部件相应的数据/信息，也可以是通信模块、用户终端设备、服务器三者作为一个整体对数据/信息进行传输、计算、分析、整合。
本发明一个实施例的清洁机器人，还包括麦克风和/或音箱，如图2所示。所述麦克风获取语音控制命令，发给数据处理单元。在有的实施例中，由数据处理单元进行译码并进行匹配后，依据匹配结果执行相关控制命令；在有的实施例中，为了节省清洁机器人本地算力，也可以由数据处理单元进行译码后通过无线网络由通信模块发送给服务器和/或用户终端设备进行匹配，并将匹配结果发回清洁机器人执行相关控制命令。所述语音控制命令可以包括查询命令、开关清洁机器人、选择清扫模式等各类命令。所述音箱向外发送信息，比如闹钟、日程提醒、计划提醒，警报通知，清洁机器人故障通知，清洁机器人信息通知(比如“已清扫完指定区域”、“充电通知”)等。通过麦克风和/或音箱，使用户与清洁机器人之间实现控制家用电器，播放音乐，问题解答，辅助翻译，语音购物等人机交互功能。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，所述坡面覆盖透光材质，比如玻璃或高透光性塑料，使单目摄像头可以通过所述透光材质获取外界清晰、明亮的图像，同时对单目摄像头也可以起到阻挡灰尘及防撞保护。可选的塑料透光材质有GPPS，透明ABS，AS，PMMA，PC，PS。优选PMMA亚克力材料，其透光率可以达92％-95％，比普通玻璃的透光率(约80％)还要大。当然也可以选择较高强度的透光薄膜，比如聚氯乙烯或聚乙稀薄膜等。本发明对透光材质不作限制。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，所述单目摄像头的方向与所述坡面的法线方向重合，从而可以获得最大的透光度，使单目摄像头拍摄的图像最清晰。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向的夹角(即单目摄像头的仰角)β范围为30＜β＜90°。结合大约90°的垂直视场角，可以看到大部分的正前方景物信息、大部分的天花板景物信息、以及一部分地面信息，基本符合目前的大多数功能和用途。经计算，垂直视场角为90°，仰角β为30°时能够照到的前方地面的最近距离为30cm，而仰角β为40°时能够照到的前方地面的最近距离为90cm。若希望获得更多的地面信息，减小盲区，则应采用较小的仰角，但这时会损失部分天花板信息；若希望获得更多的天花板信息，则采用更大的仰角。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，所述单目摄像头的垂直视场角范围为50°至100°，即以广角镜头作为单目摄像头的情况。采用广角镜头可以在获得尽可能多的信息的情况下，减小图像畸变，降低图像失真度。而采用具有更大垂直视场角的鱼眼镜头(其垂直视场角可达到180°)，会增加图像畸变。因此，需要根据需求及需实现的功能选取合适的镜头作为单目摄像头。
本发明一个实施例的清洁机器人，所述定位建图算法包括：识别所述单目摄像头拍摄的至少两幅图像中的特征信息；根据运动传感器在拍摄所述至少两幅图像时的清洁机器人的运动参数，计算得到清洁机器人的位移和姿态，并计算得到在拍摄每个图像时清洁机器人的位置，实现对清洁机器人的定位。在清洁地面过程中，单目摄像头的主要功能是定位，即确定清洁机器人自身的位置。在实现其它功能时，比如寻物、警卫、保姆等任务时，单目摄像头还具有识别物体、识别人员、识别场景等功能。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，还包括碰撞传感器，如图2所示，通过碰撞传感器获取障碍物信息，并根据障碍物信息建立地图。所述碰撞传感器设置在清洁机器人的前端(可以是在外壳之内或之外)。在碰撞到障碍物时，将碰撞信号发送给数据处理单元。此时，所述定位建图算法还包括：在清洁机器人与障碍物碰撞时，根据碰撞传感器的碰撞信号及清洁机器人发生碰撞时刻的位置确定所述障碍物的位置；根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，还包括距离传感器(比如红外测距传感器、超声测距传感器、PSD传感器、TOF(飞行时间)测距传感器等)，如图2所示。在所述距离传感器探测到障碍物时，将障碍物相对于清洁机器人的相对位置(可以根据障碍物与清洁机器人的相对距离和相对角度计算得到)发送给数据处理单元。此时，所述定位建图算法还包括：根据距离传感器发送的障碍物的相对位置及距离传感器获得所述障碍物的所述相对位置时刻的清洁机器人的位置(即该时刻清洁机器人的坐标，确定清洁机器人的位置的方式，比如可以是：以清洁机器人起点为原点，以清洁机器人的正向运动方向为x轴，将x轴绕原点逆时针旋转90°为y轴建立的直角坐标系；在某时刻，清洁机器人在该二维坐标系下的坐标代表此时清洁机器人的位置。当然，该示例只是为了说明清洁机器人的位置，且这也只是清洁机器人的位置的一种表现方式，不应以该示例限制本发明的保护范围)，确定所述障碍物的位置(同样的，障碍物的位置是在上述清洁机器人的坐标系下的障碍物的坐标)；根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
本发明一个优选实施例的清洁机器人，如图3a所示，所述定位建图算法还包括：
步骤S100，设定虚拟区域，将清洁机器人设置于所述虚拟区域内部或虚拟区域边界上，所述虚拟区域由预先设置的、控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令设定，所述指令使清洁机器人在实际工作区域里运行的运行轨迹围成的封闭空间构成所述虚拟区域。
步骤S200，控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁。
为了说明上述步骤，以示例对步骤S100说明如下，但本领域技术人员应理解，可以采用其它指令使清洁机器人在实际工作区域里运行的运行轨迹围成的封闭空间构成所述虚拟区域，因此该示例不应作为对本发明的限制。控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令比如可以为：1)以清洁机器人当前位置为起始位置，控制清洁机器人沿当前方向运行第一预设长度(可通过清洁机器人上的里程计测量得到)，如图3b中的a点到b点；2)转向预设转向(预设转向既包括转动方向也包括转动角度，在本例中为以清洁机器人当前方向为基准逆时针转动90°)；3)沿当前方向运行第二预设长度，如图3b中的b点到c点；4)转向预设转向(在本例中仍为逆时针转动90°)；5)沿当前方向运行第一预设长度，如图3b中的c点到d点；6)转向预设转向(同上)；7)继续沿当前方向运行第二预设长度回到起始位置，如图3b中的d点到a点。由图3b可见，所述指令使清洁机器人在实际工作区域里运行的运行轨迹围成的封闭空间(即矩形abcd)构成所述虚拟区域。本发明对第一预设长度及第二预设长度不做限定，可根据需求进行设定。预设转向既包括转动方向也包括转动角度，可以为左转，也可以为右转，每次转向的角度可根据需要设定，本发明对此均不作限定。当第一预设长度为6m，第二预设长度为4m，预设转向为左转、转向角度为90°时，执行控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到的封闭空间如图3b所示。
本实施例适用于无初始地图的情况下，通过在实际工作区域中划分虚拟区域，并控制清洁机器人对虚拟区域内部进行清洁的方法，实现了对未知区域的高效清洁。
本发明一个实施例的清洁机器人，若在划分虚拟区域时遇到障碍物(即在执行所述控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到封闭空间的过程中遇到障碍物)，则在控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令中加入遇到障碍物的运行逻辑，作为示例描述如下：遇到障碍物时，如图3c所示，在遇到障碍物之后控制清洁机器人转向预设转向(本例中为逆时针转90°)并沿所述障碍物边缘运行(可以是紧贴障碍物边缘，也可以与障碍物边缘保持恒定距离或一定范围内的距离；本例中是指清洁机器人从c1点到c2点再到c3点的运行轨迹)，实时计算沿所述障碍物边缘运行的轨迹在遇到障碍物之前的当前方向(即从b点到c1点的方向)上的投影长度(在本例中等于c2点至c3点之间线段的长度)与所述当前方向(仍是从b点到c1点的方向)已运行长度(即b点到c1点之间线段的长度)之和(即b点到c1点的线段长度与c2点到c3点长度之和)，当该计算值大于在所述当前方向上的预设距离时(参照图3b中的b点到c点之间线段的长度)，则不再沿障碍物继续运行，转而继续执行控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令(在本例中即执行类似于图3b中b点到c点的指令，即控制清洁机器人从c3点向d点转向预设转向，并由c3点向d点运动的指令)。
进一步的，如图3d所示，上述步骤S200中控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁包括：
步骤S210，执行所述控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到封闭空间，封闭空间的边界可视作为虚拟区域的边界。执行指令的过程参见上一实施例，此处不再赘述，本发明对指令设定的封闭空间形状不做限定。
步骤S220，对所述封闭空间内部进行清洁。
本发明一实施例中，控制清洁机器人采用弓字形清洁方式对封闭空间内部进行清洁，如图3e所示，包括：
S510：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第一清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇，详细的说，运行至与虚拟区域边界相遇可以理解为清洁机器人即将到达虚拟区域的边界，如与虚拟区域边界相距一定距离。
实施时，第一清洁方向可以根据清洁机器人当前位置所在边界的方向而定，本发明对此不作具体限定。步骤S510执行前，还可控制清洁机器人运行至虚拟区域中任一边界的一端，优选的，控制清洁机器人运行至距离清洁机器人当前位置最近边界的最近端。
S520：控制清洁机器人向第一转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第一偏移方向继续运行第一偏移长度，向第一转向转向至与所述第一清洁方向平行且相反的第二清洁方向。
优选地，第一转向及第二转向都是既包括转动方向也包括转动角度。第一转向可以为左转，也可以为右转，具体的转向方向与转向角度由程序预先设定或根据虚拟区域的分布特性确定。第一偏移长度为沿所述第一偏移方向运行轨迹在第一清洁方向垂线上的投影长度。优选地，第一偏移长度与第二偏移长度一般为主刷宽度，优选为10cm至15cm，这样可以使清洁机器人能够在清扫过程中避免在相邻清洁方向清扫时遗漏未清洁的区域。
S530：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第二清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇。
S540：控制清洁机器人向第二转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第二偏移方向继续运行第二偏移长度，向第二转向转向至所述第一清洁方向。
优选地，第二转向与第一转向相反，第一偏移方向及第二偏移方向可以相同，也可以不同，但第一偏移方向及第二偏移方向在清洁方向垂直线上的方向相同。第一偏移长度与第二偏移长度相同，第一偏移长度为沿第一偏移方向运行轨迹在第一清洁方向垂线上的投影长度，第二偏移长度为沿所述第二偏移方向运行轨迹在第二清洁方向垂线上的投影长度。
S550：重复步骤S510至S540，直至清扫机器人的轨迹遍历所述虚拟区域内的可运行区域。
若清洁机器人在虚拟区域内沿当前清洁方向运行时遇到障碍物，则控制清洁机器人沿所述障碍物的边缘运行，实时计算沿所述障碍物边缘运行的轨迹在当前清洁方向的垂线上的投影长度，当该投影长度等于第三偏移长度时，控制清洁机器人转向至与当前清洁方向相反的清洁方向继续运行，当该投影长度等于0，控制清洁机器人转向至当前清洁方向继续运行。
本领域技术人员还可采用其他方式对封闭空间内部进行清洁，本发明对封闭空间内部具体清洁过程不做限定。
本发明一个实施例的清洁机器人，其中的定位建图算法如图3f所示，还包括：
步骤S300，根据所述虚拟区域对实际工作区域内虚拟区域以外的区域进行划分得到多个扩展虚拟区域。
步骤S400，在清洁完当前虚拟区域后，按序对其它所述扩展虚拟区域依次进行清洁。
一些具体实施方式中，步骤S300可以是将虚拟区域平移至实际工作区域内、虚拟区域外的区域，且扩展虚拟区域可以形成多层区域，与虚拟区域最近的第一层扩展虚拟区域与所述虚拟区域的一个边界或边界的一部分重合，而较外层的扩展虚拟区域与较内层的扩展虚拟区域的至少一部分边界重合。从而保证通过虚拟区域及多层扩展区域将实际工作区域完全覆盖。如图3g所示，实线区域为实际工作区域，中间深色密网格区域为虚拟区域，其余虚线区域为扩展虚拟区域，其中斜网格区域为第一层扩展虚拟区域。
步骤S400按序对其它所述扩展虚拟区域依次进行清洁，是根据清洁机器人清洁完当前虚拟区域后的当前位置与其它扩展虚拟区域的距离，判断下一个待清洁的扩展虚拟区域。优选的，在清洁机器人清洁完当前虚拟区域(包括当前扩展虚拟区域)时，将距离清洁机器人当前位置最近的扩展虚拟区域设定为下一待清洁的扩展虚拟区域。
本实施例通过将实际工作区域划分为多个可覆盖整个实际工作区域的虚拟区域，并对虚拟区域内部逐个进行清洁，能够实现对未知区域的高效全面清洁。
本发明的清洁机器人，通过在清洁机器人前部安装结构简单、仰角为锐角的单目摄像头，增加了拍摄图像中特征的种类，提高了清洁机器人的定位、建图的准确率，从而提高了路径规划/导航效果，避免了随机清扫模式的低效率，同时也提高了对物体的识别效果和避障效果，能够实现低成本下的高效清洁；而且可实现物体识别、人脸识别、实时监控、安防监控等功能，拓展了清洁机器人的应用领域。本发明的清洁机器人还具有定位建图算法，能够在无初始地图的情况下，通过对实际工作区域划分成可覆盖整个实际工作区域的多个虚拟区域，并配合单目摄像头获取的图像，依次对各虚拟区域内部进行清洁的方法，实现了对未知区域的高效清洁。
以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。

Claims (10)

1.一种清洁机器人，包括：
运动单元、运动传感器、单目摄像头、存储单元、数据处理单元、清洁单元、电源模块、外壳；
所述运动单元用于移动；
所述运动传感器，用于获取清洁机器人运动过程中的运动参数；
所述单目摄像头用于拍摄图像；所述单目摄像设置于位于所述外壳前端、沿正向运动方向斜向上的坡面内，且与所述坡面大体同方向，所述单目摄像头的方向与清洁机器人的正向运动方向成锐角；
所述存储单元连接所述数据处理单元，用于存储数据；
所述数据处理单元用于获取单目摄像头拍摄的图像、以及运动传感器的运动参数，并根据定位建图算法对所述清洁机器人进行定位、建立地图、规划路线，并控制运动单元按所述规划路线运行；
清洁单元用于清洁地面。
2.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于，在所述坡面的周边设置高于所述坡面的前突的保护棱。
3.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于，还包括通信模块，所述通信模块与服务器无线连接，所述数据处理单元通过通信模块向服务器发送数据或命令，和/或通过通信模块获取服务器的信息；
和/或所述通信模块与用户终端设备无线连接，所述数据处理单元通过通信模块接收用户终端设备的命令；所述数据处理单元通过所述通信模块向用户终端设备发送信息。
4.根据权利要求1所述的清洁机器人，其特征在于，所述定位建图算法包括：
识别所述单目摄像头拍摄的至少两幅图像中的特征信息；
根据运动传感器在拍摄所述至少两幅图像时的清洁机器人的运动参数，计算得到清洁机器人的位移和姿态，并计算得到在拍摄每个图像时清洁机器人的位置，实现对清洁机器人的定位。
5.根据权利要求4所述的清洁机器人，其特征在于，还包括碰撞传感器，所述碰撞传感器设置在清洁机器人的前端，在碰撞障碍物时，将碰撞信号发送给数据处理单元；
所述定位建图算法还包括：
在清洁机器人与障碍物碰撞时，根据碰撞传感器的碰撞信号及清洁机器人发生碰撞时刻的位置确定所述障碍物的位置；
根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
6.根据权利要求4所述的清洁机器人，其特征在于，还包括距离传感器，在所述距离传感器探测到障碍物时，将障碍物相对于清洁机器人的相对位置发送给数据处理单元；
所述定位建图算法还包括：
根据距离传感器发送的障碍物的相对位置及距离传感器获得所述障碍物的所述相对位置时刻的清洁机器人的位置确定所述障碍物的位置；
根据确定的障碍物的位置，建立工作区域内的地图，实现对工作区域的建图。
7.根据权利要求5或6的清洁机器人，其特征在于，所述定位建图算法还包括：
设定虚拟区域，将清洁机器人设置于所述虚拟区域内部或虚拟区域边界上，所述虚拟区域由预先设置的、控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令设定，所述指令使清洁机器人在实际工作区域里运行的运行轨迹围成的封闭空间构成所述虚拟区域；
控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁。
8.根据权利要求7所述的清洁机器人，其特征在于，控制清洁机器人对实际工作区域内部的虚拟区域进行清洁的过程包括：
执行所述控制清洁机器人运动距离及转动角度的指令得到封闭空间；
对所述封闭空间内部进行清洁。
9.根据权利要求8所述的清洁机器人，其特征在于，对所述封闭空间内部进行清洁的过程包括：
S510：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第一清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇；
S520：控制清洁机器人向第一转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第一偏移方向继续运行第一偏移长度，向第一转向转向至与所述第一清洁方向平行且相反的第二清洁方向；
S530：控制清洁机器人在虚拟区域内部沿第二清洁方向运行至与虚拟区域的边界或已清洁区域的边界相遇；
S540：控制清洁机器人向第二转向转向至与相遇的所述边界方向相同的第二偏移方向继续运行第二偏移长度，向第二转向转向至所述第一清洁方向；
S550：重复步骤S510至S540，直至清扫机器人的轨迹遍历所述虚拟区域内的可运行区域。
10.根据权利要求7所述的清洁机器人，其特征在于，所述指令包括：
1)以清洁机器人当前位置为起始位置，控制清洁机器人沿当前方向运行第一预设长度；
2)转向预设转向；
3)沿当前方向运行第二预设长度；
4)转向预设转向；
5)沿当前方向运行第一预设长度；
6)转向预设转向；
7)继续沿当前方向运行第二预设长度回到起始位置。
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