CN109497891A - 一种扫地机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫地机器人系统，属于扫地机器人领域。所述扫地机器人系统包括机器人和充电桩，机器人包括：第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机、电池模块、电池稳压模块和电压检测电路；充电桩包括：第二控制器，充电器和第二红外模块；本发明解决现有的扫地机器人在功能上存在一些技术上的漏洞，工作效率低下，不能实现完全的自主运行，仍然需要人为的使机器人进行充电，及无法识别到障碍物对室内的家具物品进行碰撞损坏的技术问题。

Description

一种扫地机器人系统
技术领域
本发明涉及扫地机器人领域，特别是一种扫地机器人系统。
背景技术
扫地机器人是一种智能的服务类型的小型机器人，其具有较高的自主运行能力，操作简单、成本低、效率高等特点。伴随着人们的消费理念的改变，人们对智能设备的热衷和偏爱。扫地机器人这种能够自主清扫机器人十分受欢迎，拥有着很大的市场。扫地机器人可以在无人为操作的情况下自动完成对房间的清扫。并且当前人们工作性质的发展和转变，加之工作生活的节奏加速化，使得各种各样的扫地机器人备受欢迎。扫地机器人已经在走向普通家庭，作为当前非常普遍的清扫设备。
我国扫地机器人的研究起步较晚，水平较低。当前国内的科沃斯、小米等品牌的扫地机器人与Roonba的相接近。国内扫地机器人的总体水平还是处于较低的水平。科沃斯扫地机器人的工作单一，与一些国际上的大品牌相比还是处于初级阶段。许多还是无法实现路径规划等功能，在清扫和覆盖率等核心问题上无法真正的解决。只是靠毛刷和吸口吸扫，当遇到较大的杂物和较多的毛发时，会导致卡死的情况出现。扫地机器人的核心目的是清扫，所以在清扫问题上还是要加强。目前我国国内扫地机器人的市场较大，但当前国内的产品还是处于模仿和仿制等阶段。国内一些科研团体、创新型企业应该加大研发力度。在室内定位、路径规划等方面取得突破，使国内的扫地机器人水平大大的提高。2016年小米公司推出的扫地机器人搭载的是Neato家采用的LDS激光测距传感器，通过SLAM算法实时构建房间地图，在路径规划算法上有了革命性的突破。
综上所述，现有技术对扫地机器人的研究成果有着相当突出的成果，但依然有着一些方面需要优化。因为其价格相对有一般的家庭并不是那么容易接受。并且当前市面上的大多数扫地机器人在功能上存在一些技术上的漏洞，在方案上并不是那么优化。工作效率低下，有的甚至不能实现完全的自主运行，仍然需要人为的使机器人进行充电，有的无法识别到障碍物，对室内的家具物品进行碰撞损坏。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种扫地机器人系统，解决现有的扫地机器人在功能上存在一些技术上的漏洞，工作效率低下，不能实现完全的自主运行，仍然需要人为的使机器人进行充电，及无法识别到障碍物对室内的家具物品进行碰撞损坏的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：1.一种扫地机器人系统，包括机器人和充电桩，其中：
所述机器人上设有：第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机、电池模块、电池稳压模块和电压检测电路；
第一控制器，其分别与定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机连接，第一控制器用于分析处理定位模块、第一红外模块所检测到的信号，并发出控制信号控制舵机模块、直流电机；
定位模块，用于对机器人进行定位，定位模块包括电子罗盘、陀螺仪和加速度计；电子罗盘用于检测磁场的变化，进而推测机器人的地磁角度；陀螺仪和加速度计用于检测机器人的航速和位移信息；
第一红外模块，包括红外传感器，用于检测障碍物、与充电桩进行通信，对机器人的路径进行校准；
舵机模块，用于机器人的动力驱动；
直流电机，用于机器人的清扫功能；
电池稳压模块，其分别与第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块和直流电机连接，用于对第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块和直流电机提供稳定的供电；
电池模块，其与所述电池稳压模块连接，用于对机器人系统进行供电；
电压检测电路，其分别与所述电池模块、第一控制器连接，电压检测电路用于监控电池模块的电量，并反馈到第一控制器；
所述充电桩上设有：第二控制器，充电器和第二红外模块；其中：
第二控制器，其分别与充电器和第二红外模块连接，用于分析处理第二红外模块所检测到的信号，并控制充电器给机器人充电；
充电器，与电池模块连接，用于对机器人进行充电；
第二红外模块，与第一红外模块通信连接，用于对机器人的路径进行校准。
进一步的，所述第一控制器的控制芯片型号为STM32F103RCT6；第二控制器的控制芯片型号为STC89c851。
进一步的，所述舵机模块使用的舵机为PARALLAX伺服舵机。
进一步的，所述电池模块使用的是三节16850锂电池。
进一步的，所述电池稳压模块为以LM2569为IC芯片的可调稳压模块。
进一步的，所述直流电机使用的是空心杯8520直流电机，额定电压3.7v。
进一步的，所述电子罗盘为MPU6050电子罗盘，所述陀螺仪为HMC5883陀螺仪。
进一步的，所述定位模块的定位方法为航迹推算定位法和参考定位法同时使用的结合定位法；
航迹推算定位法包括如下步骤：(1)将扫机器人所处工作区域定位，将此工作区域简化成二维空间，机器人只包含X轴、Y轴两个方向位置变化量，同时将充电桩的位置看成起始点；(2)根据电子罗盘、加速度计测量所得的航向、航速和位移信息，在无外界传感器的测量信息的情况下，从最初的起始点推算出机器人的运行轨迹和位置信息，路径推算从零点到终点不间断进行，在整个的运算中不能出现断点；
参考定位法包括如下步骤：(1)以充电桩为参考定位点；(2)保持机器人与充电桩通信连接，即保持第一红外模块与第二红外模块通信连接；(3)通过第一控制器和第二控制器推算出机器人的运行轨迹和位置信息；
航迹推算定位法和参考定位法的结合定位法为：航迹推算定位法推算出的推算出机器人的运行轨迹和位置信息与参考定位法推算出的推算出机器人的运行轨迹和位置信息进行对比，差值大于一阀值时，进行位置校准。
进一步的，第一控制器对机器人的路径规划方法为随机覆盖法和分割覆盖法；所述随机覆盖法为当机器人运行时无准确的规划进行而是按照一些简单的运行方式来运行；所述分割覆盖法为把工作区域按照比例分割成多个区域，经过第一红外模块检测确定区域中的具体信息。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明包括机器人和充电桩，其中机器人包括第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机、电池模块、电池稳压模块和电压检测电路；充电桩包括第二控制器，充电器和第二红外模块；通过上述方案建立扫地机器人的物理模型，各个部件之间的硬件连接，以及程序工程的搭建；航迹推算定位法中通过第一控制器对定位模块的电子罗盘、陀螺仪、加速度计的数据进行动态采集，并对数据进行校验、补偿减少当前多处环境的磁场干扰对地磁场的干扰，推算出机器人的运行轨迹和位置信息；结合参考定位法，进一步精确出机器人的运行轨迹和位置信息，解决现有扫地机器人因定位不精确而导致扫地机器人不能实现完全自主运行的问题。
2.本发明在路径规划方法上进一步优化，通过随机覆盖法和分割覆盖法的结合，对工作平面区域建立二维平面模型，建立对路径进行规划的预设模型，优化模型；再通过对红外模块中的红外传感器、电子罗盘、陀螺仪和加速度计等多传感器的融合；建立对地磁场传感器、角速度传感器、加速度传感器数据的数学模型，使运行的状态数据更加可靠；实现机器人的自主充电，自主识别障碍物防止碰撞损坏，及优化工作路径提高工作效率。
附图说明
图1是本发明的扫地机器人系统的结构框图。
图2是本发明电子罗盘HMC5883电路原理图。
图3是本发明电子罗盘MPU6050姿态检测模块电路原理图。
图4是本发明稳压电路原理图。
图5是本发明的航迹推算模型。
图6是本发明的路径的数学模型。
附图中，1-机器人、2-充电桩、11-第一控制器、12-定位模块、13-第一红外模块、14-舵机模块、15-直流电机、16-电池模块、17-电池稳压模块、18-电压检测电路、21-第二控制器、22-充电器、23-第二红外模块。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
如图1所示，一种扫地机器人系统，机器人1和充电桩2，其中：
机器人1包括：第一控制器11、定位模块12、第一红外模块13、舵机模块14、直流电机15、电池模块16、电池稳压模块17和电压检测电路18；
第一控制器11，其分别与定位模块12、第一红外模块13、舵机模块14、直流电机15连接；所述第一控制器11的控制芯片的型号为STM32F103RCT6；第一控制器11用于分析处理定位模块12、第一红外模块13所检测到的信号，并发出控制信号控制舵机模块14、直流电机15；
定位模块12，用于对机器人进行定位，定位模块12包括电子罗盘、陀螺仪和加速度计；所述电子罗盘为MPU6050电子罗盘，所述陀螺仪为HMC5883陀螺仪；电子罗盘用于检测磁场的变化，进而推测机器人的地磁角度；陀螺仪和加速度计用于检测机器人的航速和位移信息；
如图2所示，为MPU6050电子罗盘原理图，带有数字接口的弱磁传感器芯片。可以检测磁场的变化，进而推测当前的地磁角度。附带霍尼韦尔专利的集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、能使罗盘精度控制在1°至2°的12位模数转换器，简易的I2C系列总线接口；传感器带有的对于正交轴低敏感的结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从1.3高斯到8高斯(gauss)。
陀螺仪、加速度计包含在MPU6050姿态检测模块中，如图3所示，MPU6050姿态检测模块电路原理图，该模块中集成了陀螺仪、加速度计的微机电系统(MEMS)技术的传感器。其特点是质量轻、体积小、成本低、抗冲击能力强、产品可靠性高等特点，大量应用于汽车、航空、航天、武器制导等军民领域。该模块集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)，可用I2C接口连接一个第三方的数字传感器，比如磁力计。传感器的测量范围都是可以利用程序进行控制的，陀螺仪可测范围为±250、±500、±1000与±2000(°/s)，加速度计范围为±2、±4、±8、±16g，一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗，与所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口。芯片尺寸4×4×0.9mm，可承受最大10000冲击，并具有可编程的低通滤波器。
第一红外模块13，包括红外传感器，用于检测障碍物、与充电桩2进行通信，对机器人的路径进行校准；红外传感器一种感光的三极管，在感受的到激光或红外光相应频率的光照时，光敏三极管就会产生相应的电平变化。即三极管的基极产生电压，导通输出电平。一般为是信号更加明显，会在输出端加放大电路是信号的放大，更易分辨信号的变化。
舵机模块14，用于机器人1的动力驱动；所述舵机模块14使用的舵机为PARALLAX伺服舵机，该舵机使用的是聚醛树脂材质的高精度齿轮，转动起来平滑无顿挫。伺服舵机相比较于普通舵机具有着精度高、稳定性高特点。伺服舵机直流电源4-6V，供电电流15-200mA；外形尺寸55.8×19.0×40.6mm；重量42.5g；在6V电源供电情况下扭矩38oz；速度0-50RPM。
直流电机15，用于机器人1的清扫功能；所述直流电机15使用的是空心杯8520直流电机15，额定电压3.7v。
电池模块16，其与所述电池稳压模块连接，用于对机器人1系统进行供电；所述电池模块16使用的是三节16850锂电池，输出电流小于2A；容量5800mAh；内阻电池小于50mΩ；使用寿命循环3000次后容量下降30％，三节电池总电压12.6V；总容量17Ah
电池稳压模块17，其分别与第一控制器11、定位模块12、第一红外模块13、舵机模块14和直流电机15连接，用于对第一控制器11、定位模块12、第一红外模块13、舵机模块14和直流电机15提供稳定的供电；所述电池稳压模块17为以LM2569为IC芯片的可调稳压模块，输入直流电压范围3.2V至36V；输出交流电压范围1.25V至34V；如图4所示为稳压电路原理图，C3电容为输入前端滤波，lm2596芯片3脚为接地，5脚为片选低电平有效，2脚输出，4脚反馈；滑动变阻器是进行反馈调节，C2电容是输出端的滤波，肖特基二级管起到保护作用。
电压检测电路18，其分别与所述电池模块16、第一控制器连接11，电压检测电路18用于监控电池模块16的电量，并反馈到第一控制器11；
充电桩2包括：第二控制器21，充电器22和第二红外模块23；其中：
第二控制器21，其分别与充电器22和第二红外模块23连接；第二控制器21的控制芯片的型号为STC89c851。
充电器22，用于对机器人1进行充电；充电器采用12.6v充电器，对充电桩最小系统供电、同时实现充电桩对机器人进行充电
第二红外模块23，用于与第一红外模块13通信连接，对机器人1的路径进行校准。
所述定位模块12的定位方法为航迹推算定位法和参考定位法同时使用的结合定位法；
航迹推算定位法包括如下步骤：(1)将扫机器人1所处工作区域定位，将此工作区域简化成二维空间，机器人1只包含X轴、Y轴两个方向位置变化量，同时将充电桩的位置看成起始点；(2)根据电子罗盘、加速度计测量所得的航向、航速和位移等信息，在无外界传感器的测量信息的情况下，从最初的起始点推算出机器人1的运行轨迹和位置信息，路径推算从零点到终点不间断进行，在整个的运算中不能出现断点；如图5所示，△S是t时间内位移的变化量，将时间取得无穷小时就相当于使速度v(t)对t进行积分得到位移△S；如图6所示机器人1的路径的数学模型，在X轴方向上的公式为：在Y轴方向上
参考定位法包括如下步骤：(1)以充电桩为参考定位点；(2)保持机器人1和充电桩2通信连接，即保持第一红外模块13与第二红外模块23通信连接；(3)通过第一控制器11和第二控制器21推算出机器人1的运行轨迹和位置信息；
航迹推算定位法和参考定位法的结合定位法为：航迹推算定位法推算出的推算出机器人1的运行轨迹和位置信息与参考定位法推算出的推算出机器人1的运行轨迹和位置信息进行对比，差值大于5％时，机器人1进行定位校准。
第一控制器11对机器人1的路径规划方法为随机覆盖法和分割覆盖法；所述随机覆盖法为当机器人运行时无准确的规划进行而是按照一些简单的运行方式来运行；所述分割覆盖法为把工作区域按照比例分割成多个区域，经过第一红外模块13检测确定区域中的具体信息。
在调试中需调试的参数较单一即在不同的传感器检测到障碍物时旋转的角度，则进行如表1的验证试验数据。经试验最终确定使用左60°、前60°、右-60°来实现随机覆盖的旋转。
表1旋转角度对随机覆盖功能实现的验证
规划覆盖功能实现的核心是姿态的确定，即方向角的数据处理，则规划覆盖的调试核心为数据调试。如表2所示为传感器输出的原始数据以及经过式x＝x·xs+xb、式y y＝y·ys+yb对x和y分别进行矫正圆心和修正漂移，最后应用式angle＝atan2(y,x)*180/2π+180运算出当前准确的角度。
表2陀螺仪原始数据与角度
机器人1的返回功能的调试中主要的问题是需要使充电桩2第二发外模块发射出的信号准确的被机器人设置的第一红外模块13接收到，并要消除其他因素的干扰。因此将充电桩2的第二发外模块与机器人1的的第一红外模块13安装在同一高度，并在第一红外模块13上透镜装置防止信号干扰。确保充电桩2与机器人1之间的通信，机器人1则可与充电桩2进行准确对接。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (9)

1.一种扫地机器人系统，包括机器人和充电桩，其特征在于：
所述机器人上设有：第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机、电池模块、电池稳压模块和电压检测电路；
第一控制器，其分别与定位模块、第一红外模块、舵机模块、直流电机连接，第一控制器用于分析处理定位模块、第一红外模块所检测到的信号，并发出控制信号控制舵机模块、直流电机；
定位模块，用于对机器人进行定位，定位模块包括电子罗盘、陀螺仪和加速度计；电子罗盘用于检测磁场的变化，进而推测机器人的地磁角度；陀螺仪和加速度计用于检测机器人的航速和位移信息；
第一红外模块，包括红外传感器，用于检测障碍物、与充电桩进行通信，对机器人的路径进行校准；
舵机模块，用于机器人的动力驱动；
直流电机，用于机器人的清扫功能；
电池稳压模块，其分别与第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块和直流电机连接，用于对第一控制器、定位模块、第一红外模块、舵机模块和直流电机提供稳定的供电；
电池模块，其与所述电池稳压模块连接，用于对机器人系统进行供电；
电压检测电路，其分别与所述电池模块、第一控制器连接，电压检测电路用于监控电池模块的电量，并反馈到第一控制器；
所述充电桩上设有：第二控制器，充电器和第二红外模块；其中：
第二控制器，其分别与充电器和第二红外模块连接，用于分析处理第二红外模块所检测到的信号，并控制充电器给机器人充电；
充电器，与电池模块连接，用于对机器人进行充电；
第二红外模块，与第一红外模块通信连接，用于对机器人的路径进行校准。
2.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述第一控制器的控制芯片型号为STM32F103RCT6；第二控制器的控制芯片型号为STC89c851。
3.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述舵机模块使用的舵机为PARALLAX伺服舵机。
4.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述电池模块使用的是三节16850锂电池。
5.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述电池稳压模块为以LM2569为IC芯片的可调稳压模块。
6.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述直流电机使用的是空心杯8520直流电机，额定电压3.7v。
7.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述电子罗盘为MPU6050电子罗盘，所述陀螺仪为HMC5883陀螺仪。
8.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：所述定位模块的定位方法为航迹推算定位法和参考定位法同时使用的结合定位法；
航迹推算定位法包括如下步骤：(1)将扫机器人所处工作区域定位，将此工作区域简化成二维空间，机器人只包含X轴、Y轴两个方向位置变化量，同时将充电桩的位置看成起始点；(2)根据电子罗盘、加速度计测量所得的航向、航速和位移信息，在无外界传感器的测量信息的情况下，从最初的起始点推算出机器人的运行轨迹和位置信息，路径推算从零点到终点不间断进行，在整个的运算中不能出现断点；
参考定位法包括如下步骤：(1)以充电桩为参考定位点；(2)保持机器人与充电桩通信连接，即保持第一红外模块与第二红外模块通信连接；(3)通过第一控制器和第二控制器推算出机器人的运行轨迹和位置信息；
航迹推算定位法和参考定位法的结合定位法为：航迹推算定位法推算出的推算出机器人的运行轨迹和位置信息与参考定位法推算出的推算出机器人的运行轨迹和位置信息进行对比，差值大于一阀值时，进行位置校准。
9.根据权利要求1所述的一种扫地机器人系统,其特征在于：第一控制器对机器人的路径规划方法为随机覆盖法和分割覆盖法；所述随机覆盖法为当机器人运行时无准确的规划进行而是按照一些简单的运行方式来运行；所述分割覆盖法为把工作区域按照比例分割成多个区域，经过第一红外模块检测确定区域中的具体信息。
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