CN111002305A - 基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能机器人技术领域，公开了一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，通过改进的蚁群算法规划出机器人初始全局路径，途中遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径上，若Morphin局部算法无法找出可行路径，则调用改进的蚁群算法重新规划路径，实现对机器人的远程控制和语音控制，本发明提供的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人节省时间和人力，避免低效地人为收集衣物和放置衣物去洗；可以实现远程控制机器人收集衣服并使用洗衣机清洗的功能。可以错峰使用洗衣机，同时也能帮助行动不便的人或残疾人投放衣服到洗衣机中去。
Description
技术领域
本发明属于智能机器人技术领域，尤其涉及一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人。
背景技术
目前，最接近的现有技术：
随着现代社会工作和生活节奏的加快，时间资源变得相当紧缺，高效、省时的家用设备成为居家生活的首选。洗衣机作为经常使用的重要家电，虽然解放了人类的双手，但还需要人为的收集衣物和放置衣物，依然费时费力。
不过，机器人技术的飞速发展为家电的发展提供了一种新的提升方向，机器人智能化、自动化的特点可以有效弥补传统洗衣机低效的缺点。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有技术不能解决用户随时想洗家里的衣服的问题。
(2)现有技术不能解决宿舍多人共寝导致洗衣机资源紧张的问题，而且不能白天通过远程控制错峰使用洗衣机。
(3)现有技术不能解决残疾人或行动不便的人收集衣服不方便的问题。
解决上述技术问题的意义：
本发明提出一种既可以远程控制又可以语音控制的洗衣机助手机器人，以实现扫描衣物并投放到洗衣机里清洗的功能。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人。
本发明是这样实现的，一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，采用全局规划与局部规划相结合的混合路径规划算法进行机器人的控制，具体包括：
通过改进的蚁群算法规划出机器人初始全局路径，途中遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径上，若Morphin局部算法无法找出可行路径，则调用改进的蚁群算法重新规划路径，实现对机器人的远程控制和语音控制。
进一步，调用Morphin局部算法躲避障碍中，通过超声波传感器、红外传感器和视觉传感器获取机器人周围障碍物信息数据及进行定位，实现避障。
进一步，途中遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径过程中，具体包括：
在动态不确定环境下，机器人沿着已规划好的全局路径行走时，遭遇一些未知的静态或动态障碍物的阻挡，利用滚动优化原理，采取时间滚动窗口概念，使机器人每隔一定时间通过对周围环境的探测更新工作地图，并根据不同滚动窗口环境的变化预测动态障碍物的运动轨迹与速度，当机器人探测到有障碍物与自身相撞时，则调用Morphin算法进行局部避障。
进一步，对机器人的远程控制方法包括：
1)通过WIFI控制模块，使用移动终端远程启动机器人，使机器人在指定位置上用摄像头对家中全景进行扫描；
2)利用图像处理模块对图像进行识别、提取，根据提取出的信息，生成一份衣物报告，发送给移动终端；再进行选择是否要洗衣服以及要洗的衣物，然后反馈给机器人；
3)根据反馈的要洗衣物，机器人通过视觉传感器确定每件要洗的衣物的位置X1、X2…Xn，用过超声波传感器和红外传感器确定每件衣物的距离L1、L2…Ln。利用最小距离优先级，确定距离最短的衣物，将最先对距离最短的衣物进行收取；
4)采用全局规划与局部规划相结合的混合路径规划算法躲避障碍物的同时，规划出一条最优路径。到达目标衣物位置之后，机器人用左机械臂来抓取目标衣物，放入胸前的衣物收纳筐中；如果要洗的衣物只有一件，则不需要比较优先级，直接确定这一件衣物的位置，然后利用算法规划路径并抓取衣物；如果有多件，则需要一个循环控制，根据起点和终点的不同规划不同的最优路径，直到衣物抓取完毕；
5)洗衣机摆放在固定位置，并将位置数据提前输入到机器人中，机器人在抓取所有要洗的衣服完毕之后，利用混合路径规划算法规划出一条路径，回到洗衣机；并且机器人胸前的衣物收纳筐底部有一个压力传感器，右机械臂模块根据衣物的重量选择合适的洗衣液投放到洗衣机中；
6)机器人启动洗衣机，然后回到固定位置。
进一步，对机器人的语音控制方法包括：
i)通过语音唤醒机器人，并对机器人发出指令；语音控制模块对发出的指令进行分析，确定要抓取的衣物位置；通过混合路径规划算法规划最优路径抓取衣物；判断衣物是否抓取完毕，若没有，则继续规划路线直到抓取完毕；
ii)回到洗衣机，根据衣物重量G选择对应的洗衣液用量，并用右机械臂模块投放；
iii)启动洗衣机，然后回到固定位置并自动关机。
本发明的另一目的在于提供一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，所述基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人包括：
摄像头，安装在机器人头部，用于扫描家中全景及进行三维立体成像；
图像处理模块，对摄像头拍摄的图像进行处理，识别并提取纺织品，并形成报告，通过WIFI控制模块发送到移动终端；
WIFI模块，用于与移动终端、洗衣机之间的通讯，使机器人控制洗衣机洗衣；
语音控制模块，通过分析语音指令完成相应的操作；
超声波传感器，用于测量机器人与障碍物之间的距离；
红外传感器，用于测量机器人与障碍物之间的距离；
视觉传感器，用于完成障碍物边缘和位置信息的提取；
衣物收纳筐，用于放置抓取之后的衣服；
驱动模块，用于驱动机器人行走；
左机械臂模块，用于抓取衣物；
右机械臂模块，内部装有一个洗衣液的盒子，根据提前输入的衣物重量与洗衣液用量的对应关系来投放对应的洗衣液。
进一步，摄像头为360°旋转结构；
红外传感器还用在紧急避障时测量机器人与障碍物之间的距离；
衣物收纳筐底部安装压力传感器，用于称量衣物重量；
驱动模块包括左滚轮、右滚轮，均用于控制转速达到机器人转向。
进一步，所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人进一步包括充电接口，用于给机器人充电。
本发明另一目的在于提供一种实现所述于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法的信息数据处理终端。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明通过提供一种图像自动扫描并识别衣物的图像处理方法；并提供一种通过超声波传感器、红外传感器和视觉传感器来获取机器人周围障碍物信息数据及准确定位，以实现避障功能的传感器交互模块；以及提供一种针对动态路径规划问题的改进蚁群算法和Morphin算法相结合的动态路径规划算法。实现了以下相比于现有技术具有的积极效果：
节省时间和人力，避免低效地人为收集衣物和放置衣物去洗。
可以实现远程控制机器人收集衣服并使用洗衣机清洗的功能。
可以错峰使用洗衣机，同时也能帮助行动不便的人或残疾人投放衣服到洗衣机中去。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的远程控制流程图。
图3是本发明实施例提供的语音控制流程图。
图4是本发明实施例提供的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人结构图。
图中：1、摄像头；2、图像处理模块；3、WIFI模块；4、语音控制模块；5、超声波传感器；6、视觉传感器；7、红外传感器；8、衣物收纳筐；9、压力传感器；10、充电接口；11、驱动模块；12、左滚轮；13、右滚轮；14、左机械臂模块；15、右机械臂模块。
图5是本发明实施例提供的基于栅格的局部地形可行性分析的局部避障算法(Morphin算法)流程图。
图6是本发明实施例提供的混合算法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术不能解决用户随时想洗家里的衣服的问题。现有技术不能解决宿舍多人共寝导致洗衣机资源紧张的问题，而且不能白天通过远程控制错峰使用洗衣机。现有技术不能解决残疾人或行动不便的人收集衣服不方便的问题。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，采用全局规划与局部规划相结合的混合路径规划算法进行机器人的控制，具体包括：
S101，通过改进的蚁群算法规划出机器人初始全局路径。
S102，遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径上。
S103，若Morphin局部算法无法找出可行路径，则调用改进的蚁群算法重新规划路径，实现对机器人的远程控制和语音控制。
如图2所示为机器人远程控制流程图。对机器人的控制可以分为远程控制模式和语音控制模式。当人不在家时又有洗衣服的需求，就可以通过移动终端来远程控制机器人。当人在家时，可以通过语音控制模块命令机器人收取衣服放到洗衣机里面去洗。
图3是本发明实施例提供的语音控制流程图。
图4是本发明实施例提供基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人机器人，包括：
机器人头部是一个可以360°旋转的高清摄像头1，可以扫描家中全景，三维立体成像。
图像处理模块2，对摄像头拍摄的图像进行处理，识别并提取其中的衣物等纺织品，形成一个报告，通过WIFI控制模块发送到移动终端。
WIFI模块3用于与移动终端、洗衣机之间的通讯，使机器人可以控制洗衣机洗衣。
语音控制模块4可以通过分析人的语音指令来完成相应的操作。
超声波传感器5和红外传感器7用来测量机器人与障碍物之间的距离。不过超声波传感器测距为主，红外传感器测距为辅，红外传感器主要用来弥补超声波传感器的一些缺陷，作为紧急避障用。视觉传感器6用来完成障碍物边缘和位置信息的提取。
衣物收纳筐8用来放抓取之后的衣服。衣物收纳筐底部有一个压力传感器9，用来称量衣物重量。
充电接口10用来给机器人充电。
驱动模块11用于驱动机器人行走，左滚轮12、右滚轮13可以控制其转速来达到机器人转向的目的。
左机械臂模块14用来抓取衣物，右机械臂模块15内部装有一个洗衣液的盒子，能够根据提前输入的衣物重量与洗衣液用量的对应关系来投放对应的洗衣液。
如图5所示，本发明实施例提供的基于栅格的局部地形可行性分析的局部避障算法(Morphin算法)。其根据机器人传感器检测的实时局部环境进行局部规划。在动态不确定环境中，当机器人沿着已规划好的全局路径行走时，很有可能会遭遇一些未知的静态或动态障碍物的阻挡。因此，借鉴滚动优化原理，采取时间滚动窗口概念，使机器人每隔一定时间通过对周围环境的探测更新工作地图，并根据不同滚动窗口环境的变化预测动态障碍物的运动轨迹与速度，当机器人探测到有障碍物将会与自身相撞时，则调用Morphin算法进行局部避障。
图6是本发明实施例提供的混合算法。
本发明机器人的路径规划采用全局规划与局部规划相结合，全局路径规划采用改进的蚁群算法，局部避障采用Morphin算法。整个算法流程如图5所示。
首先改进蚁群算法规划出初始全局路径，然后机器人开始沿着全局路径行走，途中遭遇障碍物则调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径上，若局部算法无法找出可行路径，则调用全局算法重新规划路径。
本算法与别的算法相比，不但能够有效地抑制搜索陷入局部最优，还可搜寻到短而平滑的全局路径，使机器人免于不断转变方向，可以快速行走。
该方法能够通过全局规划算法寻找最优路径指引机器人行走，又可根据局部环境实时规划局部路径，使机器人躲避障碍物继续沿着全局最优路径快速、安全到达目标点。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例
本发明提供一种能够通过图像扫描和图像识别技术自动识别衣物，并利用改进蚁群算法与Morphin算法相结合的混合路径规划算法，达到抓取家里各个地方散落的衣物放到洗衣机中清洗的目的的智能助手机器人。
对机器人的控制可以分为远程控制模式和语音控制模式。当人不在家时又有洗衣服的需求，就可以远程通过移动终端来控制机器人。当人在家时，可以通过语音控制模块命令机器人收取衣服放到洗衣机里面清洗。
如图2所示，本发明实施例提供的远程控制具体实施方式如下：
1)通过WIFI控制模块，人使用移动终端远程启动机器人，使机器人在指定位置上用摄像头对家中全景进行扫描。
2)利用图像处理模块对图像进行识别、提取，根据提取出的信息，生成一份衣物报告，发送给移动终端。人再进行选择是否要洗衣服以及要洗的衣物，然后反馈给机器人。
3)根据人反馈的要洗衣物，机器人通过视觉传感器确定每件要洗的衣物的位置X1、X2…Xn，用过超声波传感器和红外传感器来确定每件衣物的距离L1、 L2…Ln。利用最小距离优先级，确定距离最短的衣物，将最先对其进行收取。
4)采用混合路径规划算法来躲避障碍物的同时，规划出一条最优路径。到达目标衣物位置之后，机器人用左机械臂来抓取目标衣物，放入胸前的衣物收纳筐中。如果要洗的衣物只有一件，则不需要比较优先级，直接确定这一件衣物的位置，然后利用算法规划路径并抓取衣物。如果有多件，则需要一个循环控制，根据起点和终点的不同规划不同的最优路径，直到衣物抓取完毕。
5)洗衣机摆放在固定位置，并将位置数据提前输入到机器人中，机器人在抓取所有要洗的衣服完毕之后，利用算法规划出一条路径，回到洗衣机。并且机器人胸前的衣物收纳筐底部有一个压力传感器，右机械臂根据衣物的重量选择合适的洗衣液投放到洗衣机中。
6)机器人启动洗衣机，然后回到固定位置。
如图3所示，语音控制具体实施方式如下：
1)人在家时通过语音唤醒机器人，并对机器人发出指令。语音控制模块对人发出的指令进行分析，确定要抓取的衣物位置。通过比较优先级和混合路径规划算法来规划最优路径抓取衣物。判断衣物是否抓取完毕，若没有，则继续规划路线直到抓取完毕。
2)回到洗衣机，根据衣物重量G选择对应的洗衣液用量，并用右机械臂投放。
3)启动洗衣机，然后回到固定位置并自动关机。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，其特征在于，所述基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法采用全局规划与局部规划相结合的混合路径规划算法进行机器人的控制，具体包括：
通过改进的蚁群算法规划出机器人初始全局路径，途中遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径上，若Morphin局部算法无法找出可行路径，则调用改进的蚁群算法重新规划路径，实现对机器人的远程控制和语音控制。
2.如权利要求1所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，其特征在于，调用Morphin局部算法躲避障碍中，通过超声波传感器、红外传感器和视觉传感器获取机器人周围障碍物信息数据及进行定位，实现避障。
3.如权利要求1所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，其特征在于，途中遭遇障碍物时调用Morphin局部算法，躲避障碍并行驶到前方的全局路径过程中，具体包括：
在动态不确定环境下，机器人沿着已规划好的全局路径行走时，遭遇一些未知的静态或动态障碍物的阻挡，利用滚动优化原理，采取时间滚动窗口概念，使机器人每隔一定时间通过对周围环境的探测更新工作地图，并根据不同滚动窗口环境的变化预测动态障碍物的运动轨迹与速度，当机器人探测到有障碍物与自身相撞时，则调用Morphin算法进行局部避障。
4.如权利要求1所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，其特征在于，对机器人的远程控制方法包括：
1)通过WIFI控制模块，使用移动终端远程启动机器人，使机器人在指定位置上用摄像头对家中全景进行扫描；
2)利用图像处理模块对图像进行识别、提取，根据提取出的信息，生成一份衣物报告，发送给移动终端；再进行选择是否要洗衣服以及要洗的衣物，然后反馈给机器人；
3)根据反馈的要洗衣物，机器人通过视觉传感器确定每件要洗的衣物的位置X1、X2…Xn，用过超声波传感器和红外传感器确定每件衣物的距离L1、L2…Ln。利用最小距离优先级，确定距离最短的衣物，将最先对距离最短的衣物进行收取；
4)采用全局规划与局部规划相结合的混合路径规划算法躲避障碍物的同时，规划出一条最优路径。到达目标衣物位置之后，机器人用左机械臂来抓取目标衣物，放入胸前的衣物收纳筐中；如果要洗的衣物只有一件，则不需要比较优先级，直接确定这一件衣物的位置，然后利用算法规划路径并抓取衣物；如果有多件，则需要一个循环控制，根据起点和终点的不同规划不同的最优路径，直到衣物抓取完毕；
5)洗衣机摆放在固定位置，并将位置数据提前输入到机器人中，机器人在抓取所有要洗的衣服完毕之后，利用混合路径规划算法规划出一条路径，回到洗衣机；并且机器人胸前的衣物收纳筐底部有一个压力传感器，右机械臂模块根据衣物的重量选择合适的洗衣液投放到洗衣机中；
6)机器人启动洗衣机，然后回到固定位置。
5.如权利要求1所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法，其特征在于，对机器人的语音控制方法包括：
i)通过语音唤醒机器人，并对机器人发出指令；语音控制模块对发出的指令进行分析，确定要抓取的衣物位置；通过混合路径规划算法规划最优路径抓取衣物；判断衣物是否抓取完毕，若没有，则继续规划路线直到抓取完毕；
ii)回到洗衣机，根据衣物重量G选择对应的洗衣液用量，并用右机械臂模块投放；
iii)启动洗衣机，然后回到固定位置并自动关机。
6.一种基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，其特征在于，所述基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人包括：
摄像头，安装在机器人头部，用于扫描家中全景及进行三维立体成像；
图像处理模块，对摄像头拍摄的图像进行处理，识别并提取纺织品，并形成报告，通过WIFI控制模块发送到移动终端；
WIFI模块，用于与移动终端、洗衣机之间的通讯，使机器人控制洗衣机洗衣；
语音控制模块，通过分析语音指令完成相应的操作；
超声波传感器，用于测量机器人与障碍物之间的距离；
红外传感器，用于测量机器人与障碍物之间的距离；
视觉传感器，用于完成障碍物边缘和位置信息的提取；
衣物收纳筐，用于放置抓取之后的衣服；
驱动模块，用于驱动机器人行走；
左机械臂模块，用于抓取衣物；
右机械臂模块，内部装有一个洗衣液的盒子，根据提前输入的衣物重量与洗衣液用量的对应关系来投放对应的洗衣液。
7.如权利要求6所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，其特征在于，摄像头为360°旋转结构；
红外传感器还用在紧急避障时测量机器人与障碍物之间的距离；
衣物收纳筐底部安装压力传感器，用于称量衣物重量；
驱动模块包括左滚轮、右滚轮，均用于控制转速达到机器人转向。
8.如权利要求6所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人，其特征在于，所述的基于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人进一步包括充电接口，用于给机器人充电。
9.一种实现权利要求1～5任意一项所述于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法的信息数据处理终端。
10.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-5任意一项所述的于图像扫描、识别和路径规划的可移动洗衣助手机器人的控制方法。
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