CN109557908B - 一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法和系统，涉及机器人导航技术领域，所述导航方法包括：检测投射到天花板或地面的光斑信息；根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围。本申请利用光斑发射装置，向天花板或地面投射光斑，由机器人根据一个或者多个光斑构成的几何形状和机器人的相对位置关系，确定机器人的活动范围，并进一步在所述活动范围内执行预设操作。

Description

一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法和系统

技术领域

本发明涉及机器人导航技术领域，具体涉及一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法和系统。

背景技术

智能家居日益成为年轻人的一种生活方式，机器人(如扫地机器人)得以进入家庭，将人们从日常家务中解放出来。目前的扫地机器人导航以随机碰撞、惯性导航和激光导航方式为主。随机碰撞、惯性导航清洁效率较低；激光导航成本较高，且激光头损耗较快，难以保证长时间工作。扫地机器人在无人操作的情况下，在某一区域内进行自动清扫可能会进入用户不希望扫地机器人进入的部分区域，比如儿童玩具堆放的区域，扫地机器人进入后可能会将玩具的部分小零件吸入尘盒；再比如有水的阳台间，扫地机器人进入该区域后可能将水吸入机体内，导致机器损坏。由于上述区域的边界通常不存在房门或墙壁等障碍物，因而为了防止扫地机器人进入以上区域，用户可在这些区域设置虚拟墙。

传统的虚拟墙工作范围有限，无法覆盖大场景区域；在扫地机器人内部需要安装专用检测装置对虚拟墙进行识别，且在识别过程中需要对其进行准确对准后，其信息才可用；传统的虚拟墙为局部信息，在进行全局路径规划中，需要不断加入新的虚拟墙信息才能进行下一步的规划，导致规划不够智能、全面。

发明内容

本发明提供一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法和系统，解决了视觉导航机器人全局环境下虚拟墙的设置问题。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法，包括：

检测投射到天花板或地面的光斑信息；

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围。

优选地，所述光斑信息包括：光斑个数、光斑构成的几何形状以及光斑的位置信息。

优选地，确定机器人活动范围之后还包括：

所述机器人在所述活动范围内执行预设操作。

优选地，根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为1时，所述几何形状由单个光斑本身构成，若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域；若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域。

优选地，所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

当所述活动范围为所述几何形状在地面的投影区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行重点清扫；

当所述活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行隔离清扫。

优选地，根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为2时，所述几何形状为通过两个光斑的中心获得的直线；确定机器人的活动范围为所述直线在地面的投影划分形成的两侧区域中的其中一侧区域。

优选地，所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

所述机器人在所述直线在地面的投影划分形成的两侧区域中的其中一侧区域内进行隔离清扫。

优选地，根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为大于2时，所述几何形状为通过多个光斑的中心获得的多边形，若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域；若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域。

优选地，所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

当所述活动范围为所述多边形在地面的投影区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行重点清扫；

当所述活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行隔离清扫。

第二方面，本发明还提供一种基于投射虚拟墙的机器人导航系统，包括：光斑发射装置和机器人，

所述光斑发射装置，设置为发射光斑；

所述机器人检测投射到天花板或地面的光斑信息；并根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围。

本发明和现有技术相比，利用光斑发射装置，向天花板或地面投射光斑，由机器人根据一个或者多个光斑构成的几何形状和机器人的相对位置关系，确定机器人的活动范围，并进一步在所述活动范围内执行预设操作，具有如下有益效果：

1、本发明的技术方案中视觉导航以光斑发射装置投射到天花板或地面的光斑为导航信息来源，因此其虚拟墙实现方式与传统的红外发射虚拟墙有较大的不同，且具有更多的可拓展性。

2、本发明可以通过一个或者多个光斑的组合，实现多种虚拟墙模式。

3、本发明的机器人可以采用摄像头获得光斑信息，由于摄像头可在大范围的天花板或地面中搜寻光斑信号，机器人在运行过程中，无需对准虚拟墙发射器装置可识别虚拟墙信号。

4、本发明的机器人利用现有的导航的摄像头即可采集光斑信息，无需新增特定硬件；识别覆盖面积更加广，根据全局覆盖信息，可实现路径更优的导航路径规划。

5、本发明可将光斑发射器放置于室内任何角落，对周边环境无要求，简化操作。

6、本发明在多个光斑发射装置配合使用下，可令扫地机器人实现区域清扫或者区域不清扫的模式，增加了虚拟墙覆盖区域的范围并提高了可扩展性，增强用户体验。

7、本发明的机器人能够不断搜索光斑信息，增加了全局导航路径的有效性，降低了陷入局部导航陷阱的可能性。

8、本发明利用视觉导航技术，传感器获取方便，环境特征信息多，可适应各类复杂环境，除可实现固定的导航工作外，还可实现大量的人机交互功能。

9、本发明利用视觉导航技术，光斑可以作为信标，由于光斑具有明确的位置信息，可指导机器人行进和对机器人位置进行校验。

附图说明

图1为本发明实施例的基于投射虚拟墙的机器人导航方法的流程图；

图2为本发明实施例的光斑形状示意图；

图3为本发明实施例的光斑投射示意图；

图4为本发明实施例的机器人位于单个光斑的投影区域内的投影示意图；

图5为本发明实施例的机器人位于单个光斑的投影区域外的投影示意图；

图6为本发明实施例的两个光斑的投影区域示意图；

图7为本发明实施例的机器人位于两个光斑的投影区域A的投影示意图；

图8为本发明实施例的三个光斑的投影区域示意图；

图9为本发明实施例的四个光斑的投影区域示意图；

图10为本发明实施例的机器人位于多个光斑的投影区域内的投影示意图；

图11为本发明实施例的机器人位于多个光斑的投影区域外的投影示意图；

图12为本发明实施例的一种基于投射虚拟墙的机器人导航系统的组成结构示意图；

图13为本发明实施例说明光斑发射装置的组成结构示意图；

图14为本发明实施例的基于视觉导航机器人的投射式虚拟墙方案的流程图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一

本实施例结合图1说明基于投射虚拟墙的机器人导航方法，包括：

S101、检测投射到天花板或地面的光斑信息；

S102、根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围。

其中，所述光斑信息包括：光斑个数、光斑构成的几何形状以及光斑的位置信息。

确定机器人活动范围之后还包括：

所述机器人在所述活动范围内执行预设操作。

本发明实施例通过光斑发射装置，生成用于机器人视觉导航所需的光斑；并将光斑投射至天花板，优选地，如图2所示，本发明实施例的光斑发射装置可以调节光斑的尺寸和形状或者生成多种尺寸和形状的光斑；所述光斑发射装置投射效果如图3所示。

本发明实施例检测投射到天花板的光斑的个数和所述光斑构成的几何形状及光斑的位置信息；

根据获得的扫地机器人的位置信息和光斑的位置信息，以此为依据判断图像中光斑构成的几何形状与扫地机之间的位置关系，确定机器人活动范围。

本发明实施例的视觉导航以光斑发射装置投射到天花板或地面的光斑为导航信息来源，因此，其虚拟墙实现方式与传统的红外发射虚拟墙有较大的不同，且具有更多的可拓展性。可以通过一个或者多个光斑的组合，实现多种虚拟墙模式。

实施例二

本实施例以扫地机器人为例说明本发明实施例的基于投射虚拟墙的机器人导航方法，扫地机器人在运行过程中，通过顶部摄像头不断的拍摄天花板信息，检测天花板中是否具有光斑信息，并且不断的追加到控制任务中去。由于摄像头所拍摄的区域有限，且在运动过程中还可能存在其他光斑信息的可能性，因此这个虚拟墙的策略是局部的，不断更新的。根据光斑数量及光斑构成的几何形状与扫地机器人之间的相对位置信息，可定义不同的虚拟墙功能。

可根据上述相对位置关系对扫地机器人在各种不同光斑数量下及不同光斑位置下的预置功能。

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为1时，所述几何形状由单个光斑本身构成，若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域；若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域。

当所述光斑投射至天花板时，单个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑在天花板构成的几何形状垂直投影于地面构成的区域，当所述光斑投射至地面时，单个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑本身在地面构成的区域。

所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

当所述活动范围为所述几何形状在地面的投影区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行重点清扫；

当所述活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行隔离清扫。

本实施例在摄像头捕捉到天花板图像后，通过光斑检测，检测到光斑的数量为1，此时，扫地机器人需要根据天花板光斑与所述机器人的相对位置关系，确定光斑的含义。

1、机器人位于光斑内

当需要对局部区域进行重点清扫时，可将光斑发射装置放置在重点清扫区域附近，调节光斑尺寸，令其完整覆盖重点清扫区域，搬动扫地机器人至重点清扫区域内，如图4所示。扫地机器人扫描天花板图像，首先检测光斑数量及光斑位置，随后检测扫地机器人是否在光斑图像在地面投影区域内，如果是，则认定扫地机器人位于光斑所覆盖的区域，覆盖区域为扫地机器人所要重点清扫的区域。机器人根据既定清扫策略，对所覆盖区域进行局部重点清扫。

扫地机器人该条件下工作时，就不再对其他光斑进行检测，只检测当前光斑的边界范围，以判断是否在该区域内正常工作。

2、机器人位于光斑外

当需要对局部区域进行隔离清扫时，可将光斑发射装置放置于需要隔离区域附近，调节光斑尺寸，令其完整覆盖隔离区域，将扫地机器人搬离隔离清扫区域，如图5所示。扫地机器人扫描天花板图像，首先检测光斑数量及光斑位置，随后检测扫地机器人是否远离光斑图像在地面投影区域，如果是，则认定光斑所覆盖区域为隔离区域，所隔离区域为清扫隔离区域。扫地机器人在靠近该区域后，会自动减速，并且自动避开，实现虚拟墙的功能。

当扫地机器人在上述光斑条件下开始工作后，其仍在对天花板进行光斑检测，如果在清扫过程中，没有发现其他光斑，则为只排除光斑所在区域的隔离清扫；如果发现了其他光斑，则跳入到之后的工作流程中。

实施例三

本实施例与实施例二的不同之处在于，本实施例中光斑个数为2。

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为2时，所述几何形状为通过两个光斑的中心获得的直线；确定机器人的活动范围为所述直线在地面的投影划分形成的两侧区域中的其中一侧区域。

当所述光斑投射至天花板时，两个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑在天花板构成的几何形状垂直投影于地面构成的区域，当所述光斑投射至地面时，两个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑本身在地面构成的区域。

所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

所述机器人在所述直线在地面的投影划分形成的两侧区域中的其中一侧区域内进行隔离清扫。

本实施例使用虚拟墙阻断扫地机器人的前进路线，防止其进入某块区域，如厨房、卫生间、阳台或儿童玩具区。通过设置光斑发射器的位置与数量，可以人为的设置虚拟墙，如图6所示。

当机器人在检测到一个光斑，且其位置处在光斑所覆盖区域外，扫地机将自动开启隔离清扫模式，在此过程中，机器人仍不断增量式地检测天花板的光斑信息，当机器人检测到两个光斑后，根据光斑及光斑所连线的延长线上可将所在区域划分成A、B两个区域，如图7所示，机器人根据光斑在图像中的位置并以此为依据，将机器人本体定位在A或B区域：如果光斑连线位于图像中心的右侧，则扫地机位于区域A，反之则位于区域B。此时，扫地机将重点清扫所在区域。当扫地机运行到光斑连线附近(即光斑连线将图像均等划分为两部分)时，机器人将减速，并进行短期延虚拟墙策略，掉头往返之前的清扫区域，继续完成区域清扫。

此时的扫地机即可完成区域清扫，两个光斑发射器即可完成虚拟墙设置的功能。

实施例四

本实施例与上述实施例的区别在于机器人在全局隔离清扫的过程中，增量地发现了2个以上的光斑。

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围包括：

当所述光斑个数为大于2时，所述几何形状为通过多个光斑的中心获得的多边形，若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域；若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域。

当所述光斑投射至天花板时，多个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑在天花板构成的几何形状垂直投影于地面构成的区域，当所述光斑投射至地面时，多个光斑的构成的几何形状在地面的投影区域为光斑本身在地面构成的区域。

所述机器人在所述活动范围内执行预设操作包括：

当所述活动范围为所述多边形在地面的投影区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行重点清扫；

当所述活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域时，则所述机器人在所述活动范围内进行隔离清扫。

实施例二中的单光斑可实现重点清扫或隔离清扫，对于所覆盖区域范围较小具有较好的效果；为了实现了一个更大的重点清扫或隔离清扫，可以使用多个光斑组合使用以扩展覆盖区域范围。

本实施例在室内环境下放置多个光斑发射器，光斑发射器所投射出的光斑可覆盖称为一个多边形区域(三角形、四边形或更多)。可根据不同的应用场景，设置不同的光斑发射器数量及布置位置，实现不同形状的覆盖，如图8和图9所示。

扫地机器人在开启后对天花板进行图像检测，当所检测的天花板图像中，增量式地包含了2个以上光斑时，扫地机认定其进入一个大范围局部清扫或区域隔离清扫的工作模式。扫地机检测到光斑后，根据光斑在图像中的位置，对自身的任务进行判断。

当机器人在检测到一个光斑，且其位置处在光斑所覆盖区域外，扫地机将自动开启隔离清扫模式，在此过程中，机器人仍不断增量式地检测天花板的光斑信息，当机器人检测到两个光斑后，根据光斑及光斑所连线的延长线上可将所在区域划分成A、B两个区域，如图7所示，机器人根据光斑在图像中的位置并以此为依据，将机器人本体定位在A或B区域：如果光斑连线位于图像中心的右侧，则扫地机位于区域A，反之则位于区域B。此时，扫地机将重点清扫所在区域。当扫地机运行到光斑连线附近(即光斑连线将图像均等划分为两部分)时，机器人将减速，并进行短期延虚拟墙策略，掉头往返之前的清扫区域，继续完成区域清扫。

1、机器人位于光斑连线覆盖区域内

如果扫地机器人在图像中检测到多个光斑，多个光斑将所在区域划分为A、B两个区域，当扫地机器人位于多个光斑在地面投影所覆盖的区域A内，如图10所示，则认为扫地机应该清扫所在区域A。在行进过程中，当扫地机靠近光斑连线在地面投影时，应采取减速，规避的措施，防止扫地机过冲，冲出重点清扫区域，出现任务出错的情况。

2、机器人位于光斑连线覆盖区域外

如果扫地机在图像中检测到多个光斑，多个光斑将所在区域划分为A、B两个区域，当扫地机器人位于多个光斑在地面投影所覆盖的区域A之外的区域B，如图11所示，则认为扫地机应该规避所在区域A。在行进过程中，当扫地机靠近光斑连线在地面投影时，应采取减速，规避的措施，防止扫地机过冲，进入保护区域，出现任务出错的情况。

实施例二、实施例三和实施例四中机器人可以采用摄像头获得光斑信息，由于摄像头可在大范围的天花板或地面中搜寻光斑信号，机器人在运行过程中，无需对准虚拟墙发射器装置可识别虚拟墙信号。本发明利用视觉导航技术，传感器获取方便，环境特征信息多，可适应各类复杂环境，除可实现固定的导航工作外，还可实现大量的人机交互功能。优选地，利用现有的导航的摄像头即可采集光斑信息，无需新增特定硬件；识别覆盖面积更加广，根据全局覆盖信息，可实现路径更优的导航路径规划。

本发明实施例在多个光斑发射装置配合使用下，可令扫地机器人实现区域清扫或者区域不清扫的模式，增加了虚拟墙覆盖区域的范围并提高了可扩展性，增强用户体验。

本发明实施例的机器人能够不断搜索光斑信息，增加了全局导航路径的有效性，降低了陷入局部导航陷阱的可能性。

本发明实施例还利用视觉导航技术，光斑可以作为信标，由于光斑具有明确的位置信息，可指导机器人行进和对机器人位置进行校验。

实施例五

如图12所示，本实施例说明一种基于投射虚拟墙的机器人导航系统的组成，包括：光斑发射装置和机器人，

所述光斑发射装置，设置为发射光斑；

所述机器人检测投射到天花板或地面的光斑信息；并根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围。

其中，如图13所示，所述光斑发射装置可以调节光斑的尺寸和形状或者生成多种尺寸和形状的光斑。具体包括：透镜1、光斑尺寸调节器2、调节导轨3、光源4、光斑形状片5，通过变换光斑形状片5达到变换光斑形状的目的，通过调节光斑尺寸调节起2使得光斑形状片5和/或光源4延调节导轨3移动，达到调节光斑尺寸的目的。本发明实施例可将光斑发射器放置于室内任何角落，对周边环境无要求，简化操作。

实施例六

本实施例说明基于视觉导航机器人的投射式虚拟墙方案的流程，如图14所示。当扫地机首先进行开机硬件自检，完成开机自检后，开启光斑图像检测模式，进行天花板图像采集。根据检测到的光斑数量，及光斑与扫地机自身相对位置信息确定不同的虚拟墙策略，并且该策略为增量式的，根据扫地机在清扫过程中，不断增加的新的天花板光斑信息而有所更新。

首先判断与单个光斑的相对位置关系，当位于单个光斑在地面投影的覆盖范围内，在单个光斑在地面投影范围内进行重点区域清扫，当位于单个光斑在地面投影的覆盖范围外，在单个光斑在地面投影范围外进行隔离区域清扫；然后增量式检测光斑数量，判断光斑数量是否大于2，当光斑数量为2时，扫地机在两个光斑所连线的一侧区域进行划区域清扫，当光斑数量大于2时，与单个光斑相似的，判断与多个光斑连线构成的几何形状的位置关系，当位于多个光斑连线构成的几何形状在地面投影的覆盖范围内，在多个光斑连线构成的几何形状在地面投影的覆盖范围内进行重点区域清扫，当位于多个光斑连线构成的几何形状在地面投影的覆盖范围外，在多个光斑连线构成的几何形状在地面投影的覆盖范围外进行隔离区域清扫；直到遍历清扫结束。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种基于投射虚拟墙的机器人导航方法，其特征在于：包括：

检测投射到天花板或地面的光斑信息；

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围；

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围，包括：

当所述光斑个数为1时，几何形状由单个光斑本身构成，若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域，并在所述活动范围内进行重点清扫；若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域，并在所述活动范围内进行隔离清扫；

或者

当所述光斑个数为大于2时，所述几何形状为通过多个光斑的中心获得的多边形，若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域，并在所述活动范围内进行重点清扫；若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域，并在所述活动范围内进行隔离清扫。

2.如权利要求1所述的导航方法，其特征在于：所述光斑信息包括：光斑个数、光斑构成的几何形状以及光斑的位置信息。

3.一种基于投射虚拟墙的机器人导航系统，其特征在于，包括：光斑发射装置和机器人，

所述光斑发射装置，设置为发射光斑；

所述机器人检测投射到天花板或地面的光斑信息；并根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围；

根据所述光斑信息和机器人的位置信息确定所述机器人的活动范围，包括：

当所述光斑个数为1时，几何形状由单个光斑本身构成，若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域，并在所述活动范围内进行重点清扫；若所述机器人位于所述几何形状在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述几何形状在地面的投影区域以外的区域，并在所述活动范围内进行隔离清扫；

或者

当所述光斑个数为大于2时，所述几何形状为通过多个光斑的中心获得的多边形，若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域内，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域，并在所述活动范围内进行重点清扫；若所述机器人位于所述多边形在地面的投影区域外，则确定机器人的活动范围为所述多边形在地面的投影区域以外的区域，并在所述活动范围内进行隔离清扫。

Images