CN109445313A - 任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法，所述方法包括：步骤S1，云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至移动机器人；步骤S2，移动机器人实时获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整感知区域及其相应的环境感知传感器以感知相应的环境参数，完成相应的环境感知任务；步骤S3，移动机器人将采集到的环境参数实时发送至云服务器端，本发明通过云服务器端根据地理或空间位置，对移动机器人感知环境参数动态调整，使得移动机器人可根据不同的环境感知相应的环境参数，减少不必要的能耗。

Description

任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法

技术领域

本发明涉及环境感知技术领域，特别是涉及一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法

背景技术

环境感知一直是当前研究的热点问题之一，当前采用的方法大体可以分为三种：

1、基于嵌入式系统设计一种可以携带的多参数感知仪器，当需要感知环境参数时，便将仪器安装在测试地点，对监测或测试环境进行多参数测试，然后将数据存储在本地，最后通过其他通信网络将数据传输给服务器或用户，如公开号为CN104991505B的中国专利提供的一种水产养殖水质参数感知设备；

2、基于无线传感器网络：无线传感器网络是当前环境感知与监测重要的技术。在该类型环境感知系统中，首先将感知节点部署在相应的位置，然后通过时间、脉冲信号等对周围环境参数进行感知；最后通过无线网络将数据发送给远端服务器或用户，如公开号为CB108731744A的中国专利申请提供的一种基于无线网络传感器的环境检测装置；

3、移动式环境感知机器人，为实现感知节点的移动性、自适应性等，近年诸多发明者设计研发了基于移动机器人的环境感知装备。该类型的发明设计，以移动机器人本体为基础，采用物联网和传感器技术，以嵌入式等为控制中心,设计机器人环境感知系统。如公开号为CN 107908145 A的中国专利申请提供的一种现场环境智能巡检机器人。

然而，上述三种环境感知方法存在如下问题：

(1)感知节点不能根据具体的地理与空间位置对需要感知的参数进行调整，然而，在很多环境感知场合，不同的场合其所需要感知的参数是不同的，以农业大棚种植场合为例，例如种植玫瑰花与种植牡丹花的空间，其在不同时期所要感知的参数(例如温度，湿度，光强等)都是不相同的，对于现有技术来说，则只能任何时候都是将各场合的所有的参数全部进行感知，这样一来增加了服务器处理感知数据的负担，二来使得每次感知时都需要启动所有的传感器，增加了不必要的能耗；

(2)通过无线传感器网络对数据进行再传输，存在数据传输多跳、实时性差等；

(3)采用传统的环境感知技术，存在成本高等，节点重复使用性差等不足。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法，以通过云服务器端根据地理或空间位置，对移动机器人感知环境参数动态调整，使得移动机器人可根据不同的环境感知相应的环境参数，减少不必要的能耗。

本发明之另一目的在于提供一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法，通过采用云服务器辅助模式，利用云服务器对感知任务进行子任务划分，使得移动机器人依据子任务的划分依次执行任务，以降低反复重启传感器的能耗与时间开销。

本发明之再一目的在于提供一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法，实现了数据的高速通信。

为达上述及其它目的，本发明提出一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，包括：

若干环境感知传感器，用于在控制器的控制下启动或关闭，以进行环境参数的感知；

控制器，用于接收云服务器端的感知任务，根据感知任务参数产生相应的控制信号至其他模块，以控制移动机器人完成相应的任务；

路径生成模块，用于根据所述控制器的感知任务生成相应的路径；

动力控制模块，用于在所述控制器的控制下根据所生成的路径驱动移动机器人移动至目标区域；

无线通信模块，用于与云服务器端进行无线通信；

无线通信模块，用于与云服务器端进行无线通信。

优选地，所述感知任务包括若干子任务，所述控制器根据子任务时间依次执行各子任务，当移动机器人从第i个子任务区域，进入第i+1个子任务的区域时，动态调整感知参数完成相应的数据感知任务。

优选地，所述子任务包括采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的各感知区域的感知任务。

优选地，所需感知的环境参数包括但不限于温度、湿度、光强、图像、声音。

为达到上述目的，本发明还提供一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，包括：

移动机器人，用于获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整相应的环境感知传感器感知相应的环境参数，以完成相应的环境感知任务，并将实时采集的环境参数传送至云服务器端；

云服务器端，用于根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至所述移动机器人，并接收所述移动机器人传送的环境参数。

优选地，所述云服务器端包括：

任务划分单元，用于根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知任务合并划分为多个子任务；

映射单元，用于根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数；

无线通信单元，用于与所述移动机器人进行无线通信，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人，并接收移动机器人采集的环境感知参数。

优选地，所述任务划分单元将采集参数种类相同或相似且感知区域的空间环境相同或相似的感知区域的感知任务进行归类合并，获得多个子任务。

优选地，所述任务参数包括但不限于任务时间、感知区域、传感器节点类型以及感知次数。

为达到上述目的，本发明还提供一种任务驱动的动态自适应环境感知方法，包括如下步骤；

步骤S1，云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至移动机器人；

步骤S2，移动机器人实时获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整感知区域及其相应的环境感知传感器以感知相应的环境参数，完成相应的环境感知任务；

步骤S3，移动机器人将采集到的环境参数实时发送至云服务器端。

优选地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知区域的感知任务合并划分为多个子任务；

步骤S101，根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数；

步骤S102，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人。

与现有技术相比，本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法通过利用云服务器端根据地理或空间位置，对移动机器人感知环境参数动态调整，使得移动机器人可根据不同的环境感知相应的环境参数，减少不必要的能耗，并通过采用云服务器辅助模式，利用云服务器端对感知任务进行子任务划分，使得移动机器人依据子任务的划分依次执行任务，以降低反复重启传感器的能耗与时间开销，同时，本发明通过利用高速通信模块实现了数据的高速通信。

附图说明

图1为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人的结构示意图；

图2为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知系统的系统架构图；

图3为本发明具体实施例中云服务器端20的细部结构图；

图4为本发明具体实施例中移动机器人的感知过程示意图；

图5为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知方法的步骤流程图；

图6为本发明具体实施例中步骤S1的细部流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人的结构示意图。如图1所示，本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，包括：

若干环境感知传感器101，用于在控制器102的控制下启动或关闭，以进行环境参数的感知。在本发明具体实施例中，所需感知的环境参数包括温度、湿度、光强、图像、声音等，利用对应的传感器来采集这些环境参数，例如采用温度传感器采集温度参数，湿度传感器采用湿度参数等。

控制器102，用于接收云服务器端的感知任务，根据感知任务参数产生相应的控制信号至其他模块，以控制移动机器人完成相应的任务。这里的感知任务指的是云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生的对各感应区域执行环境感知的感知任务，该感知任务参数至少包括任务时间、各感知区域的地理位置及其需要感知的环境参数、感知次数等，例如以农业大棚为例，假设该农业大棚中有多个感知区域(温室)，如玫瑰花温室、牡丹花温室等等，云服务器端根据各个温室的地理位置以及当前其需要感知的参数，生成相应的感知任务至控制器102，例如，假设玫瑰花温室当前只需采集温度和湿度环境参数，则云服务器端生成的感知任务中对该感知区域的环境感知参数种类只包括温度和湿度参数，对该感知区域(玫瑰花温室)进行环境感知时，则由控制器102控制其他模块，驱动移动机器人至玫瑰花温室且仅启动温度传感器与湿度传感器采集相应的环境参数。

路径生成模块103，用于根据控制器102的感知任务生成相应的路径。在本发明具体实施例中，云服务器端发送的感知任务中会包含各感知区域的地理位置信息，当需要执行感知任务时，路径生成模块103则根据移动机器人当前的位置信息以及所执行任务对应的感知区域的地理位置，生成相应的路径，在本发明具体实施例中，路径生成模块103可采用现有技术中的成熟路径生成算法，在此不予赘述，当然控制器接收到的任务指令中也可以直接包含相应的路径信息，也就是说，路径信息可直接在云服务器端预先设定或自动生成，路径生成模块103则根据感知任务直接获得相应的路径。

动力控制模块104，用于在控制器102的控制下根据所生成的路径驱动移动机器人移动至目标位置。也就是说，当移动机器人需根据感知任务执行感知任务时，动力控制模块104会在控制器的控制下沿着路径生成模块103生成的路径驱动机器人移动至所要执行任务的地理位置，例如当前感知任务为至玫瑰花温室采集温度和湿度环境参数，则路径生成模块103会根据机器人当前的位置以及玫瑰花温室的位置生成路径，动力控制模块104则会驱动机器人沿着该路径移动至玫瑰花温室，当到达玫瑰花温室后，温度传感器及湿度传感器则会在控制器102的控制下开启，采集玫瑰花温室的温度参数及湿度参数。

无线通信模块105，用于与云服务器端进行无线通信，例如接收云服务器端的任务指令，以及将采集到的环境参数实时传送至云服务器端。在本发明具体实施例中，为克服传统环境感知数据传输的时间长的问题，所述无线通信模块105采用高速通信模块(例如4G通信模块、5G通信模块或WIFI模块等)，所述无线通信模块105与云服务器端之间建立了单跳高速通信通道，当通信两端采用实时无线信号扫描的方式，实时监测该数据通道，当无线信号出现后，立即完成数据通信。

电源模块106，用于给其他模块提供电能。

在本发明具体实施例中，该移动机器人采用标准件、模块化的形式构建，当每个模块损坏或出现故障时，可以进行更换，从而降低整个系统的成本，提高其他模块重复使用率。

图2为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知系统的系统架构图。如图2所示，本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，包括：

移动机器人10，用于获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整相应的环境感知传感器感知相应的环境参数，以完成相应的环境感知任务，并将实时采集的环境参数传送至云服务器端。在本发明具体实施例中，所述任务指令指的是云服务器端根据地理位置、需要感知的参数等信息产生的相应任务，该任务指令至少包括任务的时间、地理位置以及需要感知的环境参数等，移动机器人则可以根据所需要感知的环境参数动态调整环境感知传感器的开启与关闭。

云服务器端20，用于根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至移动机器人10，并接收移动机器人传送的环境参数。在本发明具体实施例中，感知任务指的是云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生的对各感应区域执行环境感知的感知任务，其至少包括任务时间、各感知区域的地理位置及其需要感知的环境参数、感知次数等感知任务参数，各感应区域所需感知的参数有很多，如温度、湿度、光强、图像、声音等，移动机器人可采用的对应的传感器，如温湿度传感器、光强传感器，采集相应的环境参数，例如，以农业大棚内的环境感知为例，假设该农业大棚中有多个温室，如玫瑰花温室、牡丹花温室等，云服务器端根据各个温室的地理位置以及当前其需要感知的参数，生成相应的感知任务至移动机器人10，以实现任务感知。

图3为本发明具体实施例中云服务器端20的细部结构图。如图3所示，云服务器端20包括：

任务划分单元201，用于根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知任务合并划分为多个子任务，一般来说，采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的感知任务可以进行归类合并，具体地，任务划分单元201将采集参数种类相同或相似且感知区域的空间环境相同或相似的感知任务进行归类合并。例如各感知区域的感知参数有温度(S1)、湿度(S2)、光强(S3)、图像(S4)、声音(S5)等，所有感知区域的参数种类集合A＝{a1,a2,…,an}对应的环境相似性系数为W＝{w1,w2,…,wn}，则将采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的进行归类合并，进而对感知任务进行划分，例如A＝{(S1，S2)；(S1，S2)；(S3，S4)；(S3,S4})，w＝{1,1,2,2}，因此，可以将感知区域a1与感知区域a2的感知任务合并成一个子任务，感知区域a3与感知区域a4的感知任务合并，这样可以降低反复重启传感器的所有的能耗与时间开销。

具体来说，对于包含多个温室的大棚，其中可能有若干温室的空间位置与环境是相似的(诸如种植有相同、生长周期相同的作物)，而且其需要感知的参数也可能相似或相同，这样可以将其合并成一个任务，以减少感知机器人用于启动传感器、数据存储等层面的开销。

映射单元202，用于根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数，这里的任务参数包括但不限于感知区域、传感器节点类型以及感知次数等，例如若用户需要知道玫瑰花温室内每隔1小时的环境信息，则其对应的任务参数则为玫瑰花温室(感知区域)、温湿度传感器(传感器节点类型)以及每隔1小时感知一次(感知次数)。

无线通信单元203，用于与移动机器人10进行无线通信，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人，并接收移动机器人采集的环境感知参数。

这里需说明的是，若移动机器人10接收到的感知任务包含多个子任务，则根据相应的子任务时间依次执行各子任务，当移动机器人10从第i个子任务区域，进入第i+1个子任务的区域时，移动机器人10动态调整感知参数(诸如感知时间、驱动传感器类型等)完成相应的数据感知任务，例如如子任务1对应区域a1，需要感知的参数为S1，S2，当移动机器人移动到区域a1时，根据任务参数自动开启S1，S2两个参数对应的传感器；而当从子任务1对应的区域进入子任务2对应的区域(假设子任务2对应的区域a3,其需要感知的参数为S3，S4)，则关闭S1，S2两个参数对应的传感器，自动开启S3，S4两个参数对应的传感器。

如图4所示，本发明之任务驱动的动态自适应环境感知系统的工作过程如下：首先，移动机器人从云端服务器在获取需进行环境感知的感知任务后，按照预先设定好的路径行进；其次，当移动机器人移动相应的位置，启动相应的传感器对数据进行感知，然后通过高速数据传输通道，将感知数据传输给云服务器端；再次，完成数据采集后，机器人继续前进，在相应的空间位置完成上述操作；最后，当任务完成后，移动机器人返回起始位置。

图5为本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知方法，包括如下步骤；

步骤S1，云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至移动机器人。这里的感知任务指的是云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生的对各感应区域执行环境感知的感知任务，其至少包括任务时间、各感知区域的地理位置及其需要感知的环境参数、感知次数等感知任务参数，各感应区域所需感知的参数有很多，如温度、湿度、光强、图像、声音等。

具体地，如图6所示，步骤S1进一步包括：

步骤S100，根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知任务合并划分为多个子任务。一般来说，采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的感知任务可以进行归类合并，具体地，任务划分单元201将采集参数种类相同或相似且感知区域的空间环境相同或相似的感知任务进行归类合并。例如各感知区域的感知参数有温度(S1)、湿度(S2)、光强(S3)、图像(S4)、声音(S5)等，所有感知区域的参数种类集合A＝{a1,a2,…,an}对应的环境相似性系数为W＝{w1,w2,…,wn}，则将采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的进行归类合并，进而对感知任务进行划分，例如A＝{(S1，S2)；(S1，S2)；(S3，S4)；(S3,S4})，w＝{1,1,2,2}，因此，可以将感知区域a1与感知区域a2的感知任务合并成一个子任务，感知区域a3与感知区域a4的感知任务合并，这样可以降低反复重启传感器的所有的能耗与时间开销。

步骤S101，根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数，这里的任务参数包括但不限于任务时间、感知区域、传感器节点类型以及感知次数等，例如若用户需要知道玫瑰花温室内每隔1小时的环境信息，则其对应的任务参数则为玫瑰花温室(感知区域)、温湿度传感器(传感器节点类型)以及每隔1小时感知一次(感知次数)。

步骤S102，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人。

步骤S2，移动机器人实时获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整感知区域及其相应的环境感知传感器以感知相应的环境参数，完成相应的环境感知任务。

具体地，若移动机器人接收到的感知任务包含多个子任务，则根据相应的子任务时间依次执行各子任务，当移动机器人从第i个子任务区域，进入第i+1个子任务的区域时，移动机器人动态调整感知参数(诸如感知时间、驱动传感器类型等)完成相应的数据感知任务，例如如子任务1对应区域a1，需要感知的参数为S1，S2，当移动机器人移动到区域a1时，根据任务参数自动开启S1，S2两个参数对应的传感器；而当从子任务1对应的区域进入子任务2对应的区域(假设子任务2对应的区域a3，其需要感知的参数为S3，S4)，则关闭S1，S2两个参数对应的传感器，自动开启S3，S4两个参数对应的传感器。

步骤S3，移动机器人将采集到的环境参数实时发送至云服务器端。在本发明具体实施例中，移动机器人与云服务器端之间建立了单跳高速通信通道，通信两端采用实时无线信号扫描的方式，实时监测该数据通道，当无线信号出现后，立即完成数据通信。

综上所述，本发明一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人及系统、方法通过利用云服务器端根据地理或空间位置，对移动机器人感知环境参数动态调整，使得移动机器人可根据不同的环境感知相应的环境参数，减少不必要的能耗，并通过采用云服务器辅助模式，利用云服务器端对感知任务进行子任务划分，使得移动机器人依据子任务的划分依次执行任务，以降低反复重启传感器的能耗与时间开销，同时，本发明通过利用高速通信模块实现了数据的高速通信。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域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，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，包括：

若干环境感知传感器，用于在控制器的控制下启动或关闭，以进行环境参数的感知；

控制器，用于接收云服务器端的感知任务，根据感知任务参数产生相应的控制信号至其他模块，以控制移动机器人完成相应的任务；

路径生成模块，用于根据所述控制器的感知任务生成相应的路径；

动力控制模块，用于在所述控制器的控制下根据所生成的路径驱动移动机器人移动至目标区域；

无线通信模块，用于与云服务器端进行无线通信；

无线通信模块，用于与云服务器端进行无线通信。

2.如权利要求1所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，其特征在于：所述感知任务包括若干子任务，所述控制器根据子任务时间依次执行各子任务，当移动机器人从第i个子任务区域，进入第i+1个子任务的区域时，动态调整感知参数完成相应的数据感知任务。

3.如权利要求2所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，其特征在于：所述子任务包括采集参数种类相同或相似且空间环境相同或相似的各感知区域的感知任务。

4.如权利要求1所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知移动机器人，其特征在于：所需感知的环境参数包括但不限于温度、湿度、光强、图像、声音。

5.一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，包括：

移动机器人，用于获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整相应的环境感知传感器感知相应的环境参数，以完成相应的环境感知任务，并将实时采集的环境参数传送至云服务器端；

云服务器端，用于根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至所述移动机器人，并接收所述移动机器人传送的环境参数。

6.如权利要求5所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，其特征在于，所述云服务器端包括：

任务划分单元，用于根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知任务合并划分为多个子任务；

映射单元，用于根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数；

无线通信单元，用于与所述移动机器人进行无线通信，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人，并接收移动机器人采集的环境感知参数。

7.如权利要求6所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，其特征在于：所述任务划分单元将采集参数种类相同或相似且感知区域的空间环境相同或相似的感知区域的感知任务进行归类合并，获得多个子任务。

8.如权利要求6所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知系统，其特征在于：所述任务参数包括但不限于任务时间、感知区域、传感器节点类型以及感知次数。

9.一种任务驱动的动态自适应环境感知方法，包括如下步骤；

步骤S1，云服务器端根据各感知区域的地理位置、需要感知的参数等信息产生相应的感知任务至移动机器人；

步骤S2，移动机器人实时获取云服务器端的感知任务，根据感知任务动态调整感知区域及其相应的环境感知传感器以感知相应的环境参数，完成相应的环境感知任务；

步骤S3，移动机器人将采集到的环境参数实时发送至云服务器端。

10.如权利要求9所述的一种任务驱动的动态自适应环境感知方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：

步骤S100，根据各感知区域的环境相似性以及需要感知的参数将所有感知区域的感知任务合并划分为多个子任务；

步骤S101，根据具体的用户需求，映射不同子任务相对应的任务参数；

步骤S102，将感知任务及其任务参数传送给移动机器人。