CN111329395B - 一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法 - Google Patents

一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，包括如下步骤：S1、扫地机器人直线行走，直至触发硬碰撞传感器；S2、扫地机器人后退15mm后，按沿墙反方向原地转向30°进行找墙，期间多个软碰撞传感器反馈找墙过程的触发时间、当前角度和起始触发角度至控制模块，控制模块对触发时间、及当前角度和起始触发角度的角度差进行判断，当触发时间大于100ms或角度差大于45°，控制模块判断扫地机器人的前进方向与墙面平行；S3、控制模块调用沿墙PID模块控制扫地机器人进行沿墙直线行走；S4、沿墙直线行走中，控制模块调用绕圈模块进行绕圈判断与脱困，本发明对于墙体适应性高、墙面探测迅速。

Description

一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法
技术领域
本发明属于扫地机的清扫方法技术领域，具体涉及一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法。
背景技术
当前市面上出售的扫地机器人内设的沿边清扫规划方法具有以下缺陷，(1)在通过碰撞传感器(前挡)探测墙体到进入沿边行走(直线沿墙行走)的过程中，需要进行连续碰撞，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可靠性降低；(2)沿边行走时对墙体要求较高，目前大多数技术无法对不同颜色墙面有较好地适应性；(3)沿边距离不稳定，其距离取决于沿墙红外信号阈值的设定，造成清扫覆盖率低下；(4)沿边时无法有效处理绕圈循环过程和误检测空转问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供一种墙体适应性高、墙面探测迅速的沿边清扫控制算法，能够解决市面上出售的扫地机器人的碰撞传感器寿命不长、整机可靠性降低、无法适应不同颜色墙面、清扫覆盖率底下以及无法有效处理绕圈循环过程和误检测空转的问题。
(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：一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，包括如下步骤：
S1、扫地机器人进入初始状态，沿当前方向直线行走，直至触发位于扫地机器人前档的硬碰撞传感器；
S2、硬碰撞传感器反馈至控制模块，控制模块控制扫地机器人后退设定距离后，按照沿墙反方向原地转向设定角度进行找墙，控制模块同步发送扫描信号至位于扫地机器人前端的多个软碰撞传感器，多个软碰撞传感器反馈找墙过程的触发时间、当前角度和起始触发角度至控制模块，控制模块对触发时间、及当前角度和起始触发角度的角度差进行判断，当触发时间大于100ms或角度差大于45°，控制模块判断扫地机器人的前进方向与墙面平行；
S3、控制模块调用沿墙PID模块控制扫地机器人进行沿墙直线行走；
S4、沿墙直线行走中，控制模块调用绕圈模块进行绕圈判断与脱困。
进一步的，所述沿墙PID模块包括第一级PID控制单元和第二级PID控制单元，所述第一级PID控制单元的输入为当前墙检信号与上一时刻的墙检信号的差值，输出为第一速度增量dv1，所述第二级PID控制单元的输入为当前墙检信号与最接近墙体时的墙检信号的差值，输出为第二速度增量dv2，所述第一级PID控制单元和第二级PID控制单元分别将第一速度增量dv1、第二速度增量dv2发送至控制模块，所述控制模块按权重组合计算速度比得出最终速度增量dv。
进一步的，所述沿墙PID模块的调用过程包括如下步骤：
S31、通过所述控制模块设置墙检信号的最小阙值和最大阙值；
S32、通过所述控制模块设置期望墙检信号值，并发送采集信号至软碰撞传感器；
S33、所述控制模块将软碰撞传感器采集到的实时信号发送至沿墙PID模块；
S34、所述第一级PID控制单元根据公式IRerr1＝Wall_IR-Wall_LastIR、cof1＝Kp1·IRerr1+Ki1·∑IRerr1+Kd1·(IRerr1(k)-IRerr1(k-1))、
Figure BDA0002444110830000031
计算出第一速度增量dv1，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，Wall_LastIR为上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值，IRerr1为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值的差值，IRerr1(k)为当前时刻的IRerr1值，IRerr1(k-1)为上一时刻的IRerr1值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp1、Ki1、Kd1分别为第一级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S35、所述第二级PID控制单元根据公式IRerr2＝Wall_IR-IR_TargetValue、cof2＝Kp2·IRerr2+Ki2·∑IRerr2+Kd2·(IRerr2(k)-IRerr2(k-1))、
Figure BDA0002444110830000032
计算出第二速度增量dv2，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，IR_TargetValue为期望墙检信号值的最佳值，IRerr2为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与期望墙检信号值的最佳值的差值，IRerr2(k)为当前时刻的IRerr2值，IRerr2(k-1)为上一时刻的IRerr2值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp2、Ki2、Kd2分别为第二级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S36、所述控制模块根据公式dv＝a·dv1+b·dv2计算出最终速度增量dv，式中，a、b分别为第一级PID控制单元和第二级PID控制单元的权重值，并且a+b＝1；
S37、所述控制模块根据dv与沿墙方式进行判断，并根据判断结果调整扫地机器人的左轮、右轮的轮速。
进一步的，所述期望墙检信号值的最佳值为动态调整值，根据公式
Figure BDA0002444110830000041
可得到期望墙检信号值的最佳值，式中，IR_TargetValue表示期望墙检信号的最佳值，IR_ValueMin表示设置的最小墙检信号阙值，IR_ValueMax表示设置的最大墙检信号阙值，α为沿墙最小信号值放大系数，ε为红外比例系数。
进一步的，当扫地机器人在沿墙直线行走时，扫地机器人需要进行绕圈判断，具体包括如下步骤：
S51、申请MCU内存获得一个数组来记录扫地机器人的当前角度，一般数组的元素个数为12个；
S52、当满足如下条件时扫地机器人在运行过程中记录当前角度，扫地机器人当前角度和上次记录的当前角度偏差大于90°；
S53、记录的过程中，对数组中的每两个相邻的当前角度的差值进行判断，并对得到已的所有角度的差值进行求和处理，若该和值大于360°，则判断为扫地机器人绕圈一周；
S54、得到绕圈判断结果后扫地机器人执行脱困程序，扫地机器人左转90°后直线行走。
进一步的，当扫地机器人在沿墙直线行走时，若沿墙一侧的沿墙信号丢失，则扫地机器人直线50mm，然后向沿墙方向以180mm为半径进行转向，当找墙角度超过360°时，扫地机器人直线行走并重新判断。
进一步的，所述设定距离为15mm，设定角度为30°。
进一步的，所述硬碰撞传感器为微动开关传感器，软碰撞传感器为红外传感器。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法。具备以下益效果：本发明通过墙体适应性高、墙面探测迅速，成本低、对内存依赖极小、可在低成本的基于惯性导航的扫地机器人应用；可通过无碰撞或1次碰撞后快速调整扫地机器人机身与墙体方向平行；采用串级PID控制算法进行沿墙(边)距离控制，从而可适应与各种不同颜色的墙体与普通墙体；在沿墙过程中进行绕圈或误检测空转判断，从而对外界干扰具有良好的鲁棒性和适应性。
附图说明
图1为本发明的沿墙清扫控制的流程示意图；
图2为本发明的沿墙PID模块流程示意图；
图3为本发明的扫地机器人行进方向与墙面平行判断过程流程示意图。
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。
实施例1
一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，见图1、图2、图3，包括如下步骤：
S1、扫地机器人进入初始状态，沿当前方向全速直线行走，直至触发位于扫地机器人前档的硬碰撞传感器，碰撞的触发条件：硬碰撞依靠扫地机器人前档的两个微动开关实现，软碰撞依靠扫地机器人前端的三个红外传感器实现；
S2、硬碰撞传感器反馈至控制模块，控制模块控制扫地机器人全速后退15mm后，按照沿墙反方向原地转向设定角度进行找墙(左沿墙则顺时针转向30°，右沿墙则逆时针转向30°)，控制模块同步发送扫描信号至位于扫地机器人前端的多个软碰撞传感器，多个软碰撞传感器反馈找墙过程的触发时间t、当前角度和起始触发角度至控制模块，控制模块对触发时间t、及当前角度和起始触发角度的角度差θ进行判断，当触发时间t大于100ms或角度差θ大于45°，控制模块判断扫地机器人的前进方向与墙面平行；
S3、控制模块调用沿墙PID模块(串级PID控制方法)控制扫地机器人进行沿墙直线行走；
S4、沿墙直线行走中，控制模块调用绕圈模块进行绕圈判断与脱困。
所述沿墙PID模块包括第一级PID控制单元和第二级PID控制单元，所述第一级PID控制单元的输入为当前墙检信号与上一时刻的墙检信号的差值，输出为第一速度增量dv1，所述第二级PID控制单元的输入为当前墙检信号与最接近墙体时的墙检信号的差值，输出为第二速度增量dv2，所述第一级PID控制单元和第二级PID控制单元分别将第一速度增量dv1、第二速度增量dv2发送至控制模块，所述控制模块按权重组合计算速度比得出最终速度增量dv，其中需要对第一、第二速度增量进行限幅，控制在扫地机器人最大速度和速度为零之间，具体步骤及公式见S31、S32、S33、S34、S35、S36、S37。
所述沿墙PID模块的调用过程包括如下步骤，见图2：S31、通过所述控制模块设置墙检信号的最小阙值和最大阙值；
S32、通过所述控制模块设置期望墙检信号值，并发送采集信号至软碰撞传感器；
S33、所述控制模块将软碰撞传感器采集到的实时信号发送至沿墙PID模块；
S34、所述第一级PID控制单元根据公式IRerr1＝Wall_IR-Wall_LastIR、cof1＝Kp1·IRerr1+Ki1·∑IRerr1+Kd1·(IRerr1(k)-IRerr1(k-1))、
Figure BDA0002444110830000071
计算出第一速度增量dv1，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，Wall_LastIR为上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值，IRerr1为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值的差值，IRerr1(k)为当前时刻的IRerr1值，IRerr1(k-1)为上一时刻的IRerr1值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp1、Ki1、Kd1分别为第一级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S35、所述第二级PID控制单元根据公式IRerr2＝Wall_IR-IR_TargetValue、cof2＝Kp2·IRerr2+Ki2·∑IRerr2+Kd2·(IRerr2(k)-IRerr2(k-1))、
Figure BDA0002444110830000081
计算出第二速度增量dv2，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，IR_TargetValue为期望墙检信号值的最佳值，IRerr2为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与期望墙检信号值的最佳值的差值，IRerr2(k)为当前时刻的IRerr2值，IRerr2(k-1)为上一时刻的IRerr2值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp2、Ki2、Kd2分别为第二级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S36、所述控制模块根据公式dv＝a·dv1+b·dv2计算出最终速度增量dv，式中，a、b分别为第一级PID控制单元和第二级PID控制单元的权重值，并且a+b＝1；
S37、所述控制模块根据dv与沿墙方式进行判断，并根据判断结果调整扫地机器人的左轮、右轮的轮速，控制模块对沿墙方式进行判断，若为左沿墙，则对最终速度增量dv进行判断，若dv>0，则V左＝Vmax，V右＝Vmax-dv；否则V左＝Vmax-dv，V右＝Vmax；
若不为左沿墙，对最终速度增量dv进行判断，若dv>0，则V左＝Vmax-dv，V右＝Vmax，否则V左＝Vmax，V右＝(1-e)×Vmax，式中，V左为左轮的轮速，V右为右轮的轮速，Vmax为最大轮速，e为常数或设定经验值。
在直线沿墙行走清扫过程中，期望墙检信号值需要合适，而且期望墙检信号值必须在红外信号-距离关系曲线的右边(该关系曲线可由电脑自动生成)，而沿墙PID模块则依赖于期望墙检信号值进行控制。如果当前的墙检信号值大于期望墙检信号值，则说明扫地机器人离墙太近，则需要控制扫地机器人远离墙面；反之，则说明扫地机器人离墙太远，则需要控制扫地机靠近墙面。
基于红外传感器的特性，不同墙面所反射的信号值不一样，其中白墙反射的墙检信号值最高，而黑墙反射的墙检信号值最弱。因此需要不断调整期望墙检信号的最佳值，在找到墙面后由扫地机器人自动进行动态调整设置。
所述期望墙检信号值的最佳值为动态调整值，根据公式
Figure BDA0002444110830000091
可得到期望墙检信号值的最佳值，式中，IR_TargetValue表示期望墙检信号的最佳值，IR_ValueMin表示设置的最小墙检信号阙值，IR_ValueMax表示设置的最大墙检信号阙值，α为沿墙最小信号值放大系数，ε为红外比例系数。
当扫地机器人在沿墙直线行走时，扫地机器人需要进行绕圈判断(在沿墙过程中，若扫地机器人碰到圆形障碍物绕其一周或者误检测空转后需要做相应的处理(换墙转向)退出绕圈过程。)，具体包括如下步骤：
S51、申请MCU内存获得一个数组来记录扫地机器人的当前角度，一般数组的元素个数为12个；
S52、当满足如下条件时扫地机器人在运行过程中记录当前角度，扫地机器人当前角度和上次记录的当前角度偏差大于90°；
S53、记录的过程中，对数组中的每两个相邻的当前角度的差值进行判断，并对得到已的所有角度的差值进行求和处理，若该和值大于360°，则判断为扫地机器人绕圈一周；
S54、得到绕圈判断结果后扫地机器人执行脱困程序，扫地机器人左转90°后直线行走。
当扫地机器人在沿墙直线行走时，若沿墙一侧的沿墙信号丢失，则扫地机器人直线50mm，然后向沿墙方向以180mm为半径进行转向，当找墙角度超过360°时，扫地机器人直线行走并重新判断。
所述设定距离为15mm，设定角度为30°。
所述硬碰撞传感器为微动开关传感器，软碰撞传感器为红外传感器。
本实施例旨在解决基于惯性导航的扫地机器人对房间边角低覆盖的问题。基于惯性传感器(码盘和陀螺仪)和沿边红外传感器优化沿边清扫控制方法，解决扫地机器人碰到圆形障碍物绕其一周后无法退出或误检测空转。同时优化了清扫过程中的路径轨迹，加入了扫地机器人行进方向与墙面平行的判断过程。
实施例2
(1)开启扫地机器人；见图1；
(2)扫地机器人开始全速直线行走进行找墙，直至触发硬碰撞或软碰撞；
(3)扫地机器人全速后退15mm进行避开；
(4)扫地机器人调整角度，原地转向，左沿墙顺时针转动，右沿墙逆时针转动，若触发硬碰撞则执行(3)，否则直至与墙平行；
(5)扫地机器人调用沿墙PID模块计算轮速进行沿墙行走，若发生硬碰撞则执行(3)，若判断为绕圈咋执行(7)，若沿墙一侧信号丢失，则执行(6)；
(6)扫地机器人向内侧找墙，直走50mm，然后向沿墙一侧半径180mm转向，若发生硬碰撞则执行(3)，若沿墙一侧信号找回则执行(5)，若判断为绕圈则执行(7)，若找墙角度超过360°则执行(2)；
(7)扫地机器人进行换墙转向，向无墙的一侧转90°，转向完成或发生碰撞则执行(3)。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、扫地机器人进入初始状态，沿当前方向直线行走，直至触发位于扫地机器人前档的硬碰撞传感器；
S2、硬碰撞传感器反馈至控制模块，控制模块控制扫地机器人后退设定距离后，按照沿墙反方向原地转向设定角度进行找墙，控制模块同步发送扫描信号至位于扫地机器人前端的多个软碰撞传感器，多个软碰撞传感器反馈找墙过程的触发时间、当前角度和起始触发角度至控制模块，控制模块对触发时间、及当前角度和起始触发角度的角度差进行判断，当触发时间大于100ms或角度差大于45°，控制模块判断扫地机器人的前进方向与墙面平行；
S3、控制模块调用沿墙PID模块控制扫地机器人进行沿墙直线行走；
S4、沿墙直线行走中，控制模块调用绕圈模块进行绕圈判断与脱困；
所述沿墙PID模块包括第一级PID控制单元和第二级PID控制单元，所述第一级PID控制单元的输入为当前墙检信号与上一时刻的墙检信号的差值，输出为第一速度增量dv1，所述第二级PID控制单元的输入为当前墙检信号与最接近墙体时的墙检信号的差值，输出为第二速度增量dv2，所述第一级PID控制单元和第二级PID控制单元分别将第一速度增量dv1、第二速度增量dv2发送至控制模块，所述控制模块按权重组合计算速度比得出最终速度增量dv；
所述沿墙PID模块的调用过程包括如下步骤：
S31、通过所述控制模块设置墙检信号的最小阙值和最大阙值；
S32、通过所述控制模块设置期望墙检信号值，并发送采集信号至软碰撞传感器；
S33、所述控制模块将软碰撞传感器采集到的实时信号发送至沿墙PID模块；
S34、所述第一级PID控制单元根据公式IRerr1＝Wall_IR-Wall_LastIR、cof1＝Kp1·IRerr1+Ki1·∑IRerr1+Kd1·(IRerr1(k)-IRerr1(k-1))、
Figure FDA0003053785850000021
计算出第一速度增量dv1，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，Wall_LastIR为上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值，IRerr1为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与上一时刻靠近墙体一侧的沿墙信号值的差值，IRerr1(k)为当前时刻的IRerr1值，IRerr1(k-1)为上一时刻的IRerr1值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp1、Ki1、Kd1分别为第一级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S35、所述第二级PID控制单元根据公式IRerr2＝Wall_IR-IR_TargetValue、cof2＝Kp2·IRerr2+Ki2·∑IRerr2+Kd2·(IRerr2(k)-IRerr2(k-1))、
Figure FDA0003053785850000022
计算出第二速度增量dv2，式中，Wall_IR为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值，IR_TargetValue为期望墙检信号值的最佳值，IRerr2为当前靠近墙体一侧的沿墙信号值与期望墙检信号值的最佳值的差值，IRerr2(k)为当前时刻的IRerr2值，IRerr2(k-1)为上一时刻的IRerr2值，dVmax为最大速度差值，IRerrmax为最大红外信号差值，SumIRmax为最大红外线差值累加值，Kp2、Ki2、Kd2分别为第二级PID控制单元中的比例、积分、微分系数；
S36、所述控制模块根据公式dv＝a·dv1+b·dv2计算出最终速度增量dv，式中，a、b分别为第一级PID控制单元和第二级PID控制单元的权重值，并且a+b＝1；
S37、所述控制模块根据dv与沿墙方式进行判断，并根据判断结果调整扫地机器人的左轮、右轮的轮速。
2.根据权利要求1所述的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：所述期望墙检信号值的最佳值为动态调整值，根据公式
Figure FDA0003053785850000031
可得到期望墙检信号值的最佳值，式中，IR_TargetValue表示期望墙检信号的最佳值，IR_ValueMin表示设置的最小墙检信号阙值，IR_ValueMax表示设置的最大墙检信号阙值，α为沿墙最小信号值放大系数，ε为红外比例系数。
3.根据权利要求2所述的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：当扫地机器人在沿墙直线行走时，扫地机器人需要进行绕圈判断，具体包括如下步骤：
S51、申请MCU内存获得一个数组来记录扫地机器人的当前角度，一般数组的元素个数为12个；
S52、当满足如下条件时扫地机器人在运行过程中记录当前角度，扫地机器人当前角度和上次记录的当前角度偏差大于90°；
S53、记录的过程中，对数组中的每两个相邻的当前角度的差值进行判断，并对得到已的所有角度的差值进行求和处理，若该和值大于360°，则判断为扫地机器人绕圈一周；
S54、得到绕圈判断结果后扫地机器人执行脱困程序，扫地机器人左转90°后直线行走。
4.根据权利要求3所述的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：当扫地机器人在沿墙直线行走时，若沿墙一侧的沿墙信号丢失，则扫地机器人直线50mm，然后向沿墙方向以180mm为半径进行转向，当找墙角度超过360°时，扫地机器人直线行走并重新判断。
5.根据权利要求1所述的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：所述设定距离为15mm，设定角度为30°。
6.根据权利要求1所述的一种基于惯性导航的扫地机器人沿边清扫方法，其特征在于：所述硬碰撞传感器为微动开关传感器，软碰撞传感器为红外传感器。
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