CN110680243B - 一种扫地机器人沿墙清扫控制算法 - Google Patents

一种扫地机器人沿墙清扫控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扫地机器人沿墙清扫控制算法，包括扫地机器人，所述扫地机器人前端设置有软碰撞传感器和硬碰撞传感器，所述扫地机器人两侧位于左轮和右轮前方均朝外设置有墙检传感器，所述扫地机器人内还设置有陀螺仪，本发明通过软碰撞、硬碰撞两种传感器进行墙体探测，之后调整机身与墙体平行，使用墙检传感器及PID控制算法对运动路线进行控制。在内侧墙检传感器信号低于minIR后使用内侧转向运动即调用沿墙内侧转弯控制子程序，同时探测墙体，以适应墙体转角，并在内侧转向过程中使用绕圈判断避免扫地机器人受外部动态障碍干扰后进入原地转圈死循环。

Description

一种扫地机器人沿墙清扫控制算法
技术领域
本发明涉及扫地机器人技术领域，具体为一种扫地机器人沿墙清扫控制算法。
背景技术
随着科技进步，越来越多的人们开始使用扫地机器人来完成一些相对简单的例如清扫、拖地等工作，由于扫地机器人的工作区间大多为室内，且室内环境相对复杂，因此对扫地机器人的要求也相对较高。
扫地机器人在进行清扫工作时，通常需要对工作区间进行清扫路径规划，目前市面上的扫地机器人大多是采用碰撞式、红外式传感器来探测墙体，而扫地机器人在通过碰撞传感器(前挡)探测墙体到进入沿线行走的过程中需要进行多次碰撞，会产生大量噪音严重影响用户体验且使碰撞传感器寿命快速降低，造成整机的可靠性降低，目前大多数技术无法探测瓷砖、金属等镜面材质，因此扫地机器人在沿墙行走时对墙体要求较高，扫地机器人沿墙距离取决于沿墙红外信号阙值的设定，不同墙体由于反光性不同导致扫地机器人沿墙距离不稳定，导致清扫覆盖率较低，并且扫地机器人在沿墙清扫时无法处理来自人或宠物或其他可移动物体带来的动态障碍。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种扫地机器人沿墙清扫控制算法，解决了现在的扫地机器人在进行沿墙行走前需要与墙体多次发送碰撞，无法处理动态障碍，并且由于对墙体要求高造成扫地机器人沿墙距离不稳定的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种扫地机器人沿墙清扫控制算法，包括扫地机器人，所述扫地机器人前端设置有软碰撞传感器和硬碰撞传感器，所述扫地机器人两侧位于左轮和右轮前方均朝外设置有墙检传感器，所述扫地机器人内还设置有陀螺仪：
步骤1：启动所述扫地机器人，所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至触发软碰撞传感器或硬碰撞传感器，若触发软碰撞传感器则执行步骤2，若触发硬碰撞传感器则执行步骤4；
步骤2：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，若判断结果为左，则所述扫地机器人按顺时针原地转向并执行步骤3，否则所述扫地机器人按逆时针原地转向并执行步骤3；
步骤3：所述扫地机器人每转动设定角度值便扫描一次靠近墙体一侧的所述墙检传感器采集的数据以及软碰撞传感器的状态，并对墙检传感器返回的实时信号值与最小设定信号值进行对比分析，若实时信号值大于最小设定信号值，则扫地机器人进入沿墙控制程序，若实时信号值小于最小设定信号值，且所述软碰撞传感器处于触发状态，则所述扫地机器人继续原地转向，否则所述扫地机器人停止转向并沿当前方向直线行走；
步骤4：所述扫地机器人记录当前碰撞点坐标，并对当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标进行分析计算，得到碰撞点坐标距离值，记为 S，若S大于设定距离值一，且S小于扫地机器人机身直径，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：以当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标为基点构建直线，并计算出该直线与X轴的夹角，所述扫地机器人后退设定距离值二后调用机身角度控制程序，使得扫地机器人的行进方向与墙体方向平行；
步骤6：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，根据判断结果进行转向并后退，直至扫地机器人后退设定距离三且转向设定角度值后停止，执行步骤7；
步骤7：所述扫地机器人扫描靠近墙体一侧的所述墙检传感器采集的数据，若所述墙检传感器返回的实时信号值大于最小设定信号值，则进入沿墙控制程序，否则所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至下一次碰撞。
优选的，所述沿墙控制程序包括沿墙路径控制子程序和沿墙内侧转弯控制子程序，所述沿墙路径控制子程序用于控制扫地机器人与墙体之间的距离，所述沿墙内侧转弯控制子程序用于控制扫地机器人沿墙转向。
优选的，步骤如下：
所述沿墙路径控制子程序接收到墙检传感器上传的实时信号值后，根据PWM信号占空比与目标速度的占比COF公式 COF＝KP×ΔSn+Ki×∑ΔS+Kd×(ΔSn-ΔSn-1)计算出COF；
所述沿墙路径控制子程序通过占比COF控制所述左轮和右轮完成对扫地机器人沿墙距离的修正。
优选的，步骤如下：
所述扫地机器人向当前方向直线行走一定距离，使得轮轴与墙体拐角处对齐后所述扫地机器人以墙体拐角为圆心转向；
所述沿墙内侧转弯控制子程序进行绕圈判断，若判断结果为是，则退出转向沿当前方向直线行走，否则继续转向。
优选的，所述机身角度控制程序通过对所述陀螺仪返回的扫地机器人偏航角与设定期望偏航角进行运算后输出PWM信号的占空比。
优选的，所述软碰撞传感器为红外碰撞传感器，所述硬碰撞传感器为前档微动开关传感器。
优选的，所述设定角度值为15°，所述设定距离值一为2cm，所述设定距离值二为3cm，式破碎机设定距离值三为5cm。
优选的，若墙体位于所述扫地机器人左侧时，所述沿墙方向判断结果为左，若墙体位于所述扫地机器人右侧时，所述沿墙分析判断结果为右。
(三)有益效果
本发明提供了一种扫地机器人沿墙清扫控制算法。具备以下益效果：
(1)成本低，对内存依赖极小，可在STM芯片成本最低的 STM32F0x0芯片中与其他机器人算法一同流畅运行；
(2)可通过2次碰撞快速计机身算出与墙体的夹角，快速调整机身位于墙体方向平行，大部分情况无需第三次碰撞；
(3)采用两次检测的红外信号差值进行沿墙距离控制，从而可适应于各种镜面墙体与普通墙体；
(4)使用PID控制算法控制沿墙距离，并在沿墙行走过程中进行绕圈判断，从而对动态障碍及干扰具有良好的适应性。
附图说明
图1为根据本公开实施例所述的扫地机器人沿墙清扫控制算法的扫地机器人内侧转向示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种扫地机器人沿墙清扫控制算法，包括扫地机器人，所述扫地机器人前端设置有软碰撞传感器和硬碰撞传感器，所述扫地机器人两侧位于左轮和右轮前方均朝外设置有墙检传感器，所述扫地机器人内还设置有陀螺仪：
步骤1：启动所述扫地机器人，所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至触发软碰撞传感器或硬碰撞传感器，若触发软碰撞传感器则执行步骤2，若触发硬碰撞传感器则执行步骤4；
步骤2：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，若判断结果为左，则所述扫地机器人按顺时针原地转向并执行步骤3，否则所述扫地机器人按逆时针原地转向并执行步骤3；
步骤3：软碰撞传感器被触发，所述扫地机器人每转动设定角度值即15°便扫描一次靠近墙体一侧(沿墙内侧)的所述墙检传感器采集的数据以及软碰撞传感器的状态，并对墙检传感器返回的实时信号值与最小设定信号值(最小设定信号值记为minIR)进行对比分析，若实时信号值大于最小设定信号值，则扫地机器人进入沿墙控制程序，若实时信号值小于最小设定信号值，且所述软碰撞传感器处于触发状态，则所述扫地机器人继续原地转向，否则所述扫地机器人停止转向并沿当前方向直线行走；
步骤4：硬碰撞传感器被触发，所述扫地机器人记录当前碰撞点坐标，并对当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标进行分析计算，得到碰撞点坐标距离值，记为S，若S大于设定距离值一(2cm)，且S小于扫地机器人机身直径，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：以当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标为基点构建直线，并计算出该直线与X轴的夹角，所述扫地机器人后退设定距离值二 (3cm)后调用机身角度控制程序，使得扫地机器人的行进方向(即机身，扫地机器人的机头与机尾的中轴线)与墙体方向平行，在转向过程中，若沿墙方式为左沿墙，则顺时针旋转，负责逆时针旋转；
步骤6：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，根据判断结果进行转向并后退，直至扫地机器人后退设定距离三(5cm)且转向设定角度值即15°后停止，执行步骤7,扫地机器人边后退边根据沿墙方式进行顺时针或逆时针转向；
步骤7：所述扫地机器人扫描靠近墙体一侧的所述墙检传感器采集的数据，若所述墙检传感器返回的实时信号值大于最小设定信号值，则进入沿墙控制程序，否则所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至下一次碰撞。
所述沿墙控制程序包括沿墙路径控制子程序和沿墙内侧转弯控制子程序，所述沿墙路径控制子程序用于控制扫地机器人与墙体之间的距离，所述沿墙内侧转弯控制子程序用于控制扫地机器人沿墙转向。
沿墙路径控制子程序步骤如下：
所述沿墙路径控制子程序接收到墙检传感器上传的实时信号值后，根据PWM信号占空比与目标速度的占比COF公式 COF＝KP×ΔSn+Ki×∑ΔS+Kd×(ΔSn-ΔSn-1)计算出COF；
所述沿墙路径控制子程序通过占比COF控制所述左轮和右轮完成对扫地机器人沿墙距离的修正。
根据不同机型设置minIR(调参时进行)，若实时信号值大于 minIR，则使用基于离散式的PID控制计算PWM信号占空比与目标速度的占比COF来控制左右轮，并将控制之后的墙检传感器上传的红外信号重新传入PID控制，不断对机器沿墙距离进行修正，表达式为：COF＝KP×ΔSn+Ki×∑ΔS+Kd×(ΔSn-ΔSn-1)，式中，ΔS为本次墙检信号增量，即本次墙检信号减去上次墙检信号的结果；Kp为比例控制参数， Ki为积分控制参数，Kd为微分控制参数；墙检信号增量累积值取值大于-500且小于500；COF取值大于0.03且小于0.6。
设定最高速度占空比为maxPWD，需设定的占空比PWD＝maxPWD ×(1-COF)。若墙检信号增量为正，则设置外侧轮占空比为PWD，内侧轮为maxPWD；若墙检信号增量为负，则设置内侧轮占空比为PWD，外侧轮为maxPWD。
沿墙内侧转弯控制子程序步骤如下：
所述扫地机器人向当前方向直线行走一定距离，使得轮轴与墙体拐角处对齐后所述扫地机器人以墙体拐角为圆心转向；
所述沿墙内侧转弯控制子程序进行绕圈判断，若判断结果为是，则退出转向沿当前方向直线行走，否则继续转向。
在沿墙过程中，若内侧沿墙信号小于minIR，则调用沿墙内侧转弯控制子程序进入内侧转弯模式。设定机器人轮距(左、右轮中心距离)为WD；墙检传感器与轮轴延长线的垂直距离为IWD；根据机身尺寸和沿墙距离可得转弯半径为R。如图1所示。由于扫地机器人底端设置有两个驱动轮与一个万向轮，故转弯时的转向圆心永远处于轮轴延长线上。为避免扫地机器人机身与墙角碰撞，且能尽可能的贴合墙角，扫地机器人在内侧转弯时，先控制机器人直线行走路径为IWD的距离，然后按如下比例关系设定外侧轮及内侧轮占空比：
Figure BDA0002222863670000081
在转弯过程中，如果扫地机器人触发碰撞，则按上述步骤进行处理并使得扫地机器人调用沿墙控制程序。如果墙检传感器信号大于minIR，则立即调用沿墙路径控制子程序。
转弯过程中扫地机器人需要进行绕圈判断，如果转向过程中机器人行走距离大于等于2×Π×R,即半径为R的圆的圆周长，则退出内转弯模式，则按上述步骤进行处理并使得扫地机器人调用沿墙控制程序。
所述机身角度控制程序通过对所述陀螺仪返回的扫地机器人偏航角与设定期望偏航角进行运算后输出PWM信号的占空比。基于位置式PID控制的比例积分微分(PID)控制，用来控制扫地机器人的直线行走过程，利用陀螺仪输出的扫地机器人偏航角与期望偏航角进行 PID运算后输出PWM信号的占空比，表达式为： PWM(k)＝KP·(ek-ek-1)+Ki·ek+Kd·(ek-2ek-1+ek-2)，式中，e(k)为当前扫地机器人角度与目标角度的偏差，ek-1为上一次的偏差，PWM(k)为当前控制器输出的占空比值，Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数， Kd为微分控制参数。通过内侧轮加上、外侧轮减去上式计算出的占空比进行专项的控制，当偏差小于1°时，姿态即扫地机器人的角度控制结束
所述软碰撞传感器为红外碰撞传感器，所述硬碰撞传感器为前档微动开关传感器。
所述设定角度值为15°，所述设定距离值一为2cm，所述设定距离值二为3cm，式破碎机设定距离值三为5cm。
若墙体位于所述扫地机器人左侧时，所述沿墙方向判断结果为左，若墙体位于所述扫地机器人右侧时，所述沿墙分析判断结果为右，沿墙分为左沿墙和右沿墙，左沿墙即墙体控制在(位于)机器人左侧，则机器人左侧为内侧，右侧为外侧；反之，右沿墙即墙体控制在(位于)机器人右侧，则机器人右侧为内侧，左侧为外侧。
本发明通过软碰撞、硬碰撞两种传感器进行墙体探测，之后调整机身与墙体平行，使用墙检传感器及PID控制算法对运动路线进行控制。在内侧墙检传感器信号低于minIR后使用内侧转向运动即调用沿墙内侧转弯控制子程序，同时探测墙体，以适应墙体转角，并在内侧转向过程中使用绕圈判断避免扫地机器人受外部动态障碍干扰后进入原地转圈死循环。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种扫地机器人沿墙清扫控制算法，包括扫地机器人，其特征在于，所述扫地机器人前端设置有软碰撞传感器和硬碰撞传感器，所述扫地机器人两侧位于左轮和右轮前方均朝外设置有墙检传感器，所述扫地机器人内还设置有陀螺仪：
步骤1：启动所述扫地机器人，所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至触发软碰撞传感器或硬碰撞传感器，若触发软碰撞传感器则执行步骤2，若触发硬碰撞传感器则执行步骤4；
步骤2：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，若判断结果为左，则所述扫地机器人按顺时针原地转向并执行步骤3，否则所述扫地机器人按逆时针原地转向并执行步骤3；
步骤3：所述扫地机器人每转动设定角度值便扫描一次靠近墙体一侧的所述墙检传感器采集的数据以及软碰撞传感器的状态，并对墙检传感器返回的实时信号值与最小设定信号值进行对比分析，若实时信号值大于最小设定信号值，则扫地机器人进入沿墙控制程序，若实时信号值小于最小设定信号值，且所述软碰撞传感器处于触发状态，则所述扫地机器人继续原地转向，否则所述扫地机器人停止转向并沿当前方向直线行走；
步骤4：所述扫地机器人记录当前碰撞点坐标，并对当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标进行分析计算，得到碰撞点坐标距离值，记为S，若S大于设定距离值一，且S小于扫地机器人机身直径，则执行步骤5，否则执行步骤6；
步骤5：以当前碰撞点坐标与上次碰撞点坐标为基点构建直线，并计算出该直线与X轴的夹角，所述扫地机器人后退设定距离值二后调用机身角度控制程序，使得扫地机器人的行进方向与墙体方向平行；
步骤6：所述扫地机器人进行沿墙方向判断，根据判断结果进行转向并后退，直至扫地机器人后退设定距离三且转向设定角度值后停止，执行步骤7；
步骤7：所述扫地机器人扫描靠近墙体一侧的所述墙检传感器采集的数据，若所述墙检传感器返回的实时信号值大于最小设定信号值，则进入沿墙控制程序，否则所述扫地机器人沿当前方向直线行走，直至下一次碰撞；
所述沿墙控制程序包括沿墙路径控制子程序和沿墙内侧转弯控制子程序，所述沿墙路径控制子程序用于控制扫地机器人与墙体之间的距离，所述沿墙内侧转弯控制子程序用于控制扫地机器人沿墙转向；
所述沿墙路径控制子程序接收到墙检传感器上传的实时信号值后，根据PWM信号占空比与目标速度的占比COF公式COF＝KP×ΔSn+Ki×∑ΔS+Kd×(ΔSn-ΔSn-1)计算出COF；式中，△S为本次墙检信号增量，即本次墙检信号减去上次墙检信号的结果；Kp为比例控制参数，Ki为积分控制参数，Kd为微分控制参数；所述墙检信号增量累积值取值大于-500且小于500；COF取值大于0.03且小于0.6；
所述沿墙路径控制子程序通过占比控制所述左轮和右轮完成对扫地机器人沿墙距离的修正；
所述扫地机器人向当前方向直线行走一定距离，使得轮轴与墙体拐角处对齐后所述扫地机器人以墙体拐角为圆心转向；
所述沿墙内侧转弯控制子程序进行绕圈判断，若判断结果为是，则退出转向沿当前方向直线行走，否则继续转向；
所述机身角度控制程序通过对所述陀螺仪返回的扫地机器人偏航角与设定期望偏航角进行运算后输出PWM信号的占空比；
所述软碰撞传感器为红外碰撞传感器，所述硬碰撞传感器为前档微动开关传感器；
所述设定角度值为15°，所述设定距离值一为2cm，所述设定距离值二为3cm，所述设定距离值三为5cm；
若墙体位于所述扫地机器人左侧时，所述沿墙方向判断结果为左，若墙体位于所述扫地机器人右侧时，所述沿墙方向判断结果为右。
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