CN109974705A - 一种扫地机器人的清扫路径的优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扫地机器人的清扫路径的优化方法，包括：同步时钟源发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；伪卫星模块在同步时钟和脉冲的驱动下发送电磁波；通过电磁波获取定位所需的伪距和载波相位观测量：通过高精度定位算法对得到的伪距和载波相位观测量进行处理，得到伪卫星定位模块的位置信息；规划清扫路径。本发明解决了传统技术中通过激光测距技术定位时产生的反射误差使得扫地机器人不能正常工作和通过图像识别技术时受光线明暗的影响使得扫地机器人不能正常工作的问题；使得扫地机器人在工作中更加智能，在使用过程中根据实际的工作环境对扫地机器人的精准定位和清扫路径的规划，减小了外界因素的影响。

Description

一种扫地机器人的清扫路径的优化方法及系统

技术领域

本发明属于室内定位领域，具体涉及一种扫地机器人的清扫路径的优化方法及系统。

背景技术

目前国内的扫地机器人是伴随智能家居发展的，无论是国外的Neato扫地机器人、英国Dyson公司的360eye，还是国内的小米扫地机器人或是Samsung扫地机器人都处于产品的试水阶段，在使用中的作用较小、易受环境限制，而现有的室内地磁导航技术比较成熟，但是对于复杂环境的抗干扰能力比较弱，而对于智能家居而言，各种带数据处理与交互能力的智能电器互相影响，会使地磁导航精度大打折扣。扫地机器人具有不断变化的运动模式，使用惯性导航定位，误差较大。

目前市场上常见的扫地机器人路径规划原理包括激光测距、图像识别、北极星导航，应用激光测距技术的系统是LaserSmart^TMMapping and Navigation，国内的小米扫地机器人也是应用此技术，此技术是在机身上装置激光发射器和接收器。在工作的时候，发射器发射激光，遇到障碍物之后，激光会发生反射，光会被接收器接收到，通过计算发射器和接收的时间差。利用光速恒定的原理以及一系列的算法，能够算出障碍物与机器之间的距离，规划清扫路径，是市场上比较理想的方案。但是，现代家居为追求室内采光多使用反光或透光的玻璃制品作为表面。激光打在上面后，由于反射和透射路径的差异、多路径反射引起的差异，导致接收器在接收时有误差，该误差容易和其他误差一起影响机器人工作。

另一种比较常见的更先进的规划方式是图像识别式测算导航，用摄像头扫描周围的环境，结合红外传感器，每秒拍摄大量照片生成地面固定面积十米墙面图，然后利用数学运算和几何三角法测绘出房间的地图，以此来进行导航。用图像识别技术绘出3D模型后，通过互联网技术传递给电脑端，或者寄存至扫地机器人的数据处理模块，规划扫地机器人的路径，更符合人工智能的定义，但是若光线太暗或处于在桌底，床底等无光区域，机器人将无法收集房间内的地图信息，从而无法正常工作。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种扫地机器人的清扫路径的优化方法及系统，主要解决现有扫地机器人技术中应用激光测距技术时，由于反射和投射路径的差异、多路径反射引起的误差，影响扫地机器人的工作；应用图像识别技术时受光线的影响不能正常工作的问题。

本发明提供一种扫地机器人的清扫路径的优化方法，具体包括：

步骤1：同步时钟源发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；

步骤2：伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下发送电磁波给安装在扫地机器人上的伪卫星定位模块；

步骤3：所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，并通过所述电磁波获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块：

步骤4：所述数据处理模块通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息；

步骤5：所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，规划所述扫地机器人的清扫路径。

本发明的有益效果是：采用伪卫星技术的扫地机器人在解决了传统技术中通过激光测距技术定位时产生的反射误差使得扫地机器人不能正常工作和通过图像识别技术时受光线明暗的影响使得扫地机器人不能正常工作的问题；使得扫地机器人在工作中更加智能，在使用过程中根据实际的工作环境对扫地机器人的精准定位和清扫路径的规划，减小了外界因素的影响。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步的，所述伪卫星模块发送的电磁波包括载波、C/A转码和数据码。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述载波用于传送C/A转码和数据码；所述C/A转码用于粗测距和捕获电磁波中的P码信息，所述数据码用于传送所述伪卫星定位模块所需的定位信息。

进一步的，步骤3具体包括，所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，使用USRP-292和LABVIEW作为软件无线电平台，通过对所述电磁波的捕获和跟踪，调节所述电磁波，获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块。

采用上述进一步方案的有益效果是：由USRP-2920和LabVIEW组成的软件无线电平台，实时对电磁波进行中频信号采样及模数转换，并存储数据，为后续的处理做好准备。

进一步的，步骤4具体包括，所述数据处理模块对得到的伪距和载波相位量进行周跳检测与修复后，再通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息，所述预设的定位算法为：载波相位相对算法和TDOA定位算法。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用高精度定位算法可以消除或减弱接收机钟差和折射误差等误差量，大大提高定位精度。

进一步的，步骤5具体包括，所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，采用栅格法规划所述扫地机器人的清扫路径。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据得到的位置信息采用栅格法规划清扫路径，可以实现对扫地机器人的清扫路径进行调整，避免财物损失。

另一方面，本发明提供一种扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，包括：

同步时钟源，用于发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；

伪卫星模块，所述伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下发送电磁波给安装在扫地机器人上的伪卫星定位模块：

伪卫星定位模块，用于接收所述伪卫星模块发送的电磁波，通过所述电磁波获取伪距和载波相位观测量，并将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块：

数据处理模块，用于通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息，并根据所述伪卫星定位模块的位置信息规划扫地机器人的清扫路径。

进一步的，所述伪卫星模块包括固定基准站，所述固定基准站设置于智能家居内。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述固定基准站设置在智能家居内，一定数量的固定基准站构成了类似GPS的伪卫星星座，可以多方位多角度，连续地同步向伪卫星定位模块发送电磁波。

进一步的，所述伪卫星定位模块具体包括接收机，所述接收机设置在扫地机器人上，所述接收机与所述机器人可拆卸连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述伪卫星定位模块设置在扫地机器人上实时接收电磁波，为后续步骤对扫地机器人进行位置检测做准备。

进一步的，所述数据处理模块设置于扫地机器人上。

采用上述进一步方案的有益效果是：所述数据模块设置于扫地机器人上，所述数据处理模块对接收到的电磁波进行处理，得到所述扫地机器人的位置信息，为后续机器人工作路径的规划做准备，便于扫地机器人的携带、组装。

进一步的，所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息采用栅格法规划扫地机器人的清扫路线。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据根据得到的位置信息采用栅格法规划清扫路径，用户只需启动机器人，设置好固定基准站，便可以实现对扫地机器人的清扫路径进行调，避免财物损失。

附图说明

图1为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化方法；

图2为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化系统的构架图；

图3为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化方法的定位解算方案框图；

图4为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化方法的TDOA定位原理图；

图5为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化方法的数据处理模块算法的程序流程图；

图6为本发明的一种扫地机器人的清扫路径的优化系统的路径原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种扫地机器人的清扫路径的优化方法，具体包括：

步骤1：同步时钟源发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；

步骤2：伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下发送电磁波给安装在扫地机器人上的伪卫星定位模块；

步骤3：所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，并通过所述电磁波获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块：

步骤4：所述数据处理模块通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息；

步骤5：所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，规划所述扫地机器人的清扫路径。

如图2所示，本发明实施例还提供一种扫地机器人的清扫路径的优化系统，结合图2进行说明。

具体的，步骤1中同步时钟源采用布设电缆方式，通过电缆把同源统一的10MHz同步时钟信号和标准的1PPS脉冲信号分配给4个伪卫星模块，实现信标发射设备的严格时间同步。

所述伪卫星模块均匀的布置在智能家居内部的高低中三层，高的一层可以布置在衣柜、空调内机等的顶部前沿；中间一层可以分布在电视机等较矮的电器中；低的一层可以分布在地面上或者各类电器底座供电处；所述伪卫星模块的数量根据实际情况增添或者减少。

具体的，步骤2中4个伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下连续同步地向伪卫星定位模块发送电磁波，电磁波信号包括：载波、C/A码和数据码，其中伪卫星定位模块是安装在扫地机器人身上的，用于接收伪卫星模块发送的电磁波，所述伪卫星定位模块为具体包括接收机，所述载波用于传送C/A转码和数据码；所述C/A转码用于粗测距和捕获电磁波中的P码信息，所述数据码用于传送所述伪卫星定位模块所需的定位信息。

如图4所示，接收机在理想条件下对伪码码长或载波波长的跟踪精度大约是1％码片，电磁波的C/A码的宽度约1×10e-6s，即码长为293米，伪距观测精度为Δ＝293×1％＝2.93m，这个误差对于狭小的室内而言太大，定位不够精确。而载波相位观测精度为Δ＝λ×1％＝(c/f)×1％＝[3×108(m/s)÷f]×1％＝(3/f)×106，因此，只要系统工作频率高于30MHz，即可满足分米级观测精度的要求。由此可见，尽管室内定位可以不考虑对流层和电离层等因素的影响，但伪距测量技术要获得分米级测量精度，C/A码的码片速率要提高20倍左右，增加了扩频信号的带宽以及接收机捕获的难度，因此必须采用载波相位测量技术才能获得分米级测距精度。

具体的，步骤3中所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，使用USRP-292(Universal Software Radio Peripheral，通用软件无线电外设)和LABVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工程工作台)作为软件无线电平台，通过对所述电磁波的捕获和跟踪，调节所述电磁波，获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块；由USRP-292和LabVIEW组成的软件无线电平台，实时对电磁波进行中频信号采样及模数转换，并存储数据，为后续的处理做好准备。

如图3所示，接收机射频前端由USRP-292和LabVIEW组成，实时对电磁波进行中频信号采样及模数转换，并存储数据；使用Matlab软件对信号进行捕获，捕获得到的结果带入跟踪环路；稳定跟踪之后进行帧同步，恢复码元，并解算出导航电文；同时通过码积分器和载波积分器，估计码延时误差和载波延时误差，得到伪距和载波相位观测量；再根据伪距和载波相位观测量，通过预设的定位算法解算出接收机的精确位置。

具体的，步骤4中所述数据处理模块对得到的多数伪距和载波相位量进行周跳检测与修复后，再通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息，采用预设的定位算法可以消除或减弱接收机钟差和折射误差等误差量，大大提高定位精度。

优选的，本发明中的预设的定位算法包括载波相位相对定位算法和TDOA(TimeDifference of Arrival，到达时间差)定位算法。

相对定位算法可以消除或减弱接收机钟差和折射误差等误差量，大大提高定位精度，所以相对定位算法是高精度定位算法的首选，在基于载波相位的相对定位算法中涉及整周模糊度的求解，本实施例中采用LAMBDA算法求解整周模糊度，该算法搜索时间非常短，且最后固定得到的模糊度十分精准。

TDOA定位方法是通过多个伪卫星模块的信号到达标签接收机的时间差，采用双曲线方法来实现目标定位，可实现较高的定位精度，TDOA方法是对TOA定位方法的改进，是利用信号的到达时间差来进行测距和定位，因此不需要伪卫星模块到达标签接收机之间严格的时间同步，仅要求所有伪卫星模块之间需要保持时钟同步，因此易于实现。

具体的，TDOA定位原理是根据不同的伪卫星模块发射信号抵达接收机的时间差建立差分方程式，从而定位接收机的位置，值得注意的是，因为测量时间差比较难实现，所以该TDOA算法通过不同伪卫星模块发射的信号抵达接收机的距离差，从而建立起伪卫星模块间的差分观测方程，解算出接收机的位置坐标。TDOA定位原理可以转化成联立多个双曲面方程求出相交的点坐标问题，当同一个区域的伪卫星模块同时发射信号，接收机接收到不同伪卫星模块的载波相位观测量和伪距观测量中包含近似相同或者高度相关的误差量，其中包含接收机钟差和折射误差等误差量，相对定位可以消除或减弱这些误差量，而绝对定位受时钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，精度只能达到米级，本发明是在相对定位的背景下对室内定位进行建模的。

TDOA定位方法可实现较高的定位精度，不需要伪卫星到达标签接收机之间严格的时间同步，仅要求所有伪卫星之间需要保持时钟同步，易于实现。

具体的，跟踪环路由载波跟踪环和码跟踪环组成，2个环路均采用闭环负反馈形式进行调节，环路鉴相器和环路滤波器是载波跟踪环和码跟踪环的重要组成部分，环路鉴相器用于输出接收的伪卫星信号与本地复制信号之间的相位差；环路滤波器通常是低通滤波器，用于滤掉环路中的噪声，提高信噪比。

如图5所示，本发明中的建模思想是对接收机接收到不同伪卫星模块的电磁波，提取伪距和载波相位观测量，对伪距和载波相位观测量进行卡尔曼滤波，进行周跳动探测与修复动态，采用KPI和OTF两种解决方案整周模糊度，然后进行最小二乘法解算，得到扫地机器人的位置信息。

具体的，KPI方案：伪卫星模块布设在智能家居内部，坐标固定，接收机通过已知点初始化的方法获取初始整周解，然后把整周解带入基于TDOA的CHAN算法(一种基于TDOA技术、具有解析表达式解的定位算法)，在接收机后续的运动中，通过该算法解出运动轨迹。优点是该方案易于实现且定位精度高，与TDOA技术相结合，只要求所有伪卫星之间保持时钟同步即可；缺点是适应性不强，若发生周跳，接收机需要重新进行初始化，花费时间长。

具体的，OTF方案：接收机在移动过程中，提取到伪距和载波相位观测量，使用载波相位观测量相对定位算法得到浮点解和协方差矩阵的基础上，通过LAMBDA算法获得整周模糊度的固定解，最后带入方程求解出接收机运动轨迹。该方案对环境的适应性强，即使发生周跳，接收机将默认以前解算的整周模糊度失效，直接从下一个历元重新解算整周模糊度。

具体的，步骤5中所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，采用栅格法规划所述扫地机器人的清扫路径，根据智能家居实际环境进行建模，进行路径搜索，路径平滑来实现连续的清扫路径规划，所述数据处理模块可以设置在扫地机器人上，也可以脱离扫地机器人设置在PC端上。

如图6所示，数据处理模块采用栅格法根据得到的扫地机器人的位置信息通过智能家居室内建模、路径搜索、路径平滑来进行清扫工作路径的规划；

具体的，所述数据处理模块利用编码的栅格表示智能家居室内的地图，将包含障碍物的栅格标记为障碍栅格，在墙面障碍物的特征点处标记W1、W2，表示W1到W2区域内为墙面，在室内障碍物的特征点处标记T1、T2、T3、T4，在室内边界的四个角处标记C1、C2、C3、C4，以确定之内空间边界，在所有特征点上放在伪卫星模块，将室内空间抽象成二维坐标；

举例说明，第一次扫地工作开始之前，将扫地机器人S随机放在室内某一点，机器人向四周搜索，在接触到墙面W时，通过解算基准站W的电磁波，得到自己位置信息，确定下一步动作。同理当机器人接触室内摆放物T时，两标记点T1T3输出的电磁波，完成的功能与W1W2是一样的。

当扫地机器人走过每一个栅格后，它就完成了环境的建模工作，此时数据处理模块开始规划最优路径，或在云端算法里完成计算量更大的路径规划优化。

此外机器人停止工作的动作也需要规划在路径之内。例如，机器人完成扫地工作后停留在S1点，为防止使用者在每次使用后都需要盲目地找寻随机停留的扫地机，所以机器人应能自动返回使用者放置的初始位置。例如S点可以使自动充电桩的位置，机器人每次清扫完都自动回去充电以供下次使用，完全脱离了人的协助。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扫地机器人的清扫路径的优化方法，其特征在于，包括：

步骤1：同步时钟源发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；

步骤2：伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下发送电磁波给安装在扫地机器人上的伪卫星定位模块；

步骤3：所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，并通过所述电磁波获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块：

步骤4：所述数据处理模块通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息；

步骤5：所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，规划所述扫地机器人的清扫路径。

2.根据权利要求1所述的扫地机器人的清扫路径的优化方法，其特征在于，所述伪卫星模块发送的电磁波包括载波、C/A转码和数据码。

3.根据权利要求1所述的扫地机器人的清扫路径的优化方法，其特征在于，步骤3具体包括，所述伪卫星定位模块接收所述伪卫星模块发送的电磁波，使用USRP-292和LABVIEW作为软件无线电平台，通过对所述电磁波的捕获和跟踪，调节所述电磁波，获取伪距和载波相位观测量，所述伪卫星定位模块将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块。

4.根据权利要求1所述的扫地机器人的清扫路径的优化方法，其特征在于，步骤4具体包括，所述数据处理模块对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位量进行周跳检测与修复后，再通过预设的定位算法对所述伪距和所述载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息，所述预设的定位算法为：载波相位相对定位算法和TDOA定位算法。

5.根据权利要求1所述的扫地机器人的清扫路径的优化方法，其特征在于，步骤5具体包括，所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息，采用栅格法规划所述扫地机器人的清扫路径。

6.一种扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，包括：

同步时钟源，用于发送统一的同步时钟信号和脉冲信号；

伪卫星模块，所述伪卫星模块在同步时钟信号和脉冲信号的驱动下发送电磁波给安装在扫地机器人上的伪卫星定位模块：

伪卫星定位模块，用于接收所述伪卫星模块发送的电磁波，通过所述电磁波获取伪距和载波相位观测量，并将所述伪距和所述载波相位观测量发送给数据处理模块：

数据处理模块，用于通过预设的定位算法对所述伪卫星定位模块发送的伪距和载波相位观测量进行解算，得到所述伪卫星定位模块的位置信息，并根据所述伪卫星定位模块的位置信息规划扫地机器人的清扫路径。

7.根据权利要求6所述的扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，所述伪卫星模块包括固定基准站，所述固定基准站设置于智能家居内。

8.根据权利要求6所述的扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，所述伪卫星定位模块具体包括接收机，所述接收机设置在扫地机器人上，所述接收机与所述机器人可拆卸连接。

9.根据权利要求6所述的扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，所述数据处理模块设置于扫地机器人上。

10.根据权利要求1所述的扫地机器人的清扫路径的优化系统，其特征在于，所述数据处理模块根据所述伪卫星定位模块的位置信息采用栅格法规划扫地机器人的清扫路线。