CN111631642A - 一种基于激光地图的工作区域拓展方法、芯片及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于激光地图的工作区域拓展方法、芯片及机器人，该工作区域拓展方法利用激光扫描获取的地图像素点信息定位出待定边界线，并根据待定边界线所框定的矩形工作区域的对角线长度在当前拓展过程中的变化量，来决定矩形工作区域的下一次拓展情况，实现拓展前后的对角线长度的增量达到重合条件时停止拓展机器人的矩形工作区域，避免分房间区域过程中一大块相连通的区域被分割为过多个小区域而降低机器人在室内工作区域的工作效率，可以节省机器人框定工作区域的运算资源，避免动用软件资源去处理框定分出这些孤立房间角落区域，也不需确保室内地面上框定的工作区域的轮廓边界位置处都是墙体，提高机器人沿边导航的效率。

Description

一种基于激光地图的工作区域拓展方法、芯片及机器人
技术领域
本发明涉及机器人激光即时定位和同步建图的技术领域，尤其涉及一种基于激光地图的工作区域拓展方法、芯片及机器人。
背景技术
机器人在室内地面自主导航移动的过程中，可以对室内地面轮廓边界(墙体围成的封闭区域的环境轮廓）进行检测，根据检测结果绘制室内地图并存储该室内地图，以便于后续根据存储的室内地图清扫室内地面。相关技术中，移动机器人可以检测障碍物(墙体或者非墙体障碍物）的位置，将障碍物的位置作为墙体的位置，将包括至少一个墙体围成的封闭区域作为室内工作区域，但是难以拓展出合理尺寸大小的室内工作区域，容易造成一大块空闲地图区域被分割为多个小区域而降低机器人在室内工作区域的工作效率，也不利于控制机器人沿着框定的轮廓边界进行沿边行走搜索目标位置。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明公开以下具体技术方案：
一种基于激光地图的工作区域拓展方法，该工作区域拓展方法包括: 步骤1、沿着实时构建的激光地图的坐标轴方向设置待定边界线，使得每个坐标轴方向延伸的区域都被对应设置的待定边界线分割；步骤2、机器人移动至室内工作区域的预设位置时，从每个坐标轴方向上选择距离预设位置最近的待定边界线，框定一个矩形的初始工作区域；步骤3、按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向，删除初始工作区域中垂直于对应坐标轴方向设置的待定边界线，再沿着同一坐标轴方向开始拓展初始工作区域，使得拓展后的初始工作区域是由框定初始工作区域的剩余的待定边界线与距离已删除的待定边界线最近的待定边界线框定形成一个新的矩形工作区域；步骤4、判断拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量是否小于预设重合尺寸误差值，是则停止拓展。
与现有技术相比，本技术方案利用激光扫描获取的地图图像像素信息预先定位出待定边界线，并根据待定边界线所框定的矩形工作区域的对角线长度在当前拓展过程中的增量，来决定矩形工作区域的下一次拓展情况，实现拓展前后的对角线长度的增量达到重合条件时停止拓展机器人的矩形工作区域，停止拓展以框定出合理尺寸大小的室内工作区域，避免分房间区域过程中一大块相连通的区域被分割为过多个小区域而降低机器人在室内工作区域的工作效率，可以节省机器人框定工作区域的运算资源，避免动用软件资源去处理框定分出这些孤立房间角落区域，也不需确保室内地面上框定的工作区域的轮廓边界位置处都是墙体，提高机器人沿边导航的效率。
进一步地，当拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量小于预设重合尺寸误差值时，停止在所述步骤3当前选择的坐标轴方向上的拓展，再返回所述步骤3以选择低一级的拓展优先级的坐标轴方向。本技术方案按照一定优先级顺序选择待定边界线逐个拓展框定矩形工作区域，并将拓展前后的矩形工作区域的对角线长度的增量来反映激光数据在房间内的各个角落区域处定位标记的待定边界线的分布特征，在对角线长度的增量达到一定阈值条件时完成房间整体工作区域的拓展，建立起贴合实际房间环境的工作区域。
进一步地，当判断到拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量大于或等于所述预设重合尺寸误差值时，删除拓展后的初始工作区域中垂直于所述步骤3选择的待定边界线，再沿着同一坐标轴方向继续拓展这个拓展后的初始工作区域，使得再次拓展的初始工作区域由当前删除的待定边界线所处位置拓展至距离当前删除的待定边界线最近的待定边界线处，然后返回所述步骤4。结合前述技术方案，该技术方案在拓展前后的对角线长度的增量达到重合阈值条件时，垂直于拓展方向上的待定边界线已经到达房间的孤立角落区域，而这种局部区域内所定位出所述待定边界线比较密集，密集至可以视为重合在一起，但还没达到房间的墙壁边界，此时恰好拓展框定出合理的房间工作区域，可以忽略掉这些孤立角落区域而不会影响机器人在房间内的沿边行走或沿边寻座回充。
进一步地，所述待定边界线的定位标记方法包括：每当沿着X轴方向统计到纵坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些纵坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿X轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割；每当沿着Y轴方向统计到横坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些横坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿Y轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割。该技术方案根据同一坐标轴方向上分布的黑色像素点的数目在房间区域内选择具备一定程度可通行性的区域标记出待定墙体边界，围成所述初始工作区域的所述待定边界线可以相互对齐以使得区域划分更为规整合理，也确保标记出的待定边界线能够框定出用于机器人沿边行走的矩形工作区域。
进一步地，所述拓展后的初始工作区域的对角线长度与所述拓展前的初始工作区域的对角线长度都是：根据勾股定理对框定的矩形工作区域的垂直于X轴方向设置的待定边界线对应的线段长度和垂直于Y轴方向设置的待定边界线对应的线段长度求平方和获得的。该技术方案利用所述矩形工作区域的对角线长度大小来表示所述待定边界线框定的工作区域的尺寸大小，用于后续步骤判断拓展前后的矩形工作区域的重合程度。
进一步地，所述按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向的方法包括：比较框定所述初始工作区域的每个所述待定边界线对应线段的白色像素点的个数，白色像素点的个数越多的所述待定边界线对应配置的拓展优先级条件越高，则优先选择与这个待定边界线垂直匹配的坐标轴方向作为所述优先拓展的坐标轴方向。该技术方案实现所述初始工作区域拓展成为可通行区域面积更大的封闭区域，提高机器人沿墙壁边界导航的效率。
进一步地，当框定所述初始工作区域的待定边界线都不是非墙体边界线段，且所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度小于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度与所述初始工作区域的任一边长度的预设比值中相对小的数值时，确定所述初始工作区域是封闭区域；当框定所述初始工作区域的其中一条所述待定边界线是非墙体边界线段，或者，所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度，或所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值时，确定所述初始工作区域不是封闭区域；其中，所述待定边界线根据白色像素点的个数划分为非墙体边界线段和墙体边界线段，非墙体边界线段中的白色像素点的个数大于或等于一定门限值，而墙体边界线段小于一定门限值，这个门限值大于所述预设边界门限值。其中，激光地图中还存在扫描出的孤立障碍物线段，所述孤立障碍物线段的长度只要大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值和第三预定数量的像素点个数对应的线段长度的其中一个时，所述孤立障碍物线段被判定为所述初始工作区域内的墙壁，进而标记为所述墙体边界线段以配合其他的所述待定边界线框定出成新的矩形工作区域。该技术方案通过框定初始工作区域的待定边界线段的性质以及初始工作区域内部的孤立障碍物线段长度来确定封闭区域的环境特征，排除其他区域的障碍物直线的干扰作用，并将不可忽略的长度的孤立障碍物线段拟合为物理墙体，减小误判为墙体的干扰作用，框定的矩形工作区域更加贴近实际环境轮廓特征。
一种芯片，内置控制程序，所述控制程序用于控制移动机器人执行所述工作区域拓展方法。
一种机器人，该机器人装配激光传感器，该机器人内置所述的芯片，用于处理激光传感器实时扫描的激光数据以构建激光地图。
附图说明
图1是本发明实施例公开的激光地图框定初始工作区域#1的效果图。
图2是图1的激光地图删除待定边界线L1和框定矩形工作区域#2的效果图。
图3是图2的激光地图删除待定边界线L2和框定矩形工作区域#3的效果图。
图4是图3的激光地图删除待定边界线L3和框定矩形工作区域#4的效果图。
图5是图4的激光地图删除待定边界线M1和框定矩形工作区域#5的效果图。
图6是本发明实施例公开的一种基于激光地图的工作区域拓展方法的流程图。
图7是本发明实施例公开的待定边界线框定黑色像素点组成的房间区域轮廓的黑白地图示意图。
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详细描述。为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的激光地图的图像尺寸并未按比例绘制。本发明实施例的方法程序的执行主体是激光导航机器人，这个激光导航机器人上可以设置激光传感器，该激光传感器可以检测障碍物，一般场景下，激光导航机器人在室内移动过程中，可以通过设置在该激光导航机器人上的激光传感器检测周围是否存在障碍物，当检测到墙壁障碍物时，机器人沿该墙壁障碍物执行沿边行为导航至目标位置。
本发明实施例公开一种基于激光地图的工作区域拓展方法，如图6所示，该工作区域拓展方法包括:
步骤S1、在实时构建的激光地图中设置垂直于每个坐标轴方向的待定边界线，使得预设位置所处的局部环境在每个坐标轴方向上孤立延伸区域都被对应设置的待定边界线分割；然后进入步骤S2。其中，每个坐标轴方向都可以视为激光导航机器人在预设位置的检测方向，通过处理各个检测方向上实时构建的激光地图的图像像素点统计信息，定位出待定边界线，同时寻找目标物体或其房间区域轮廓的位置，这些待定边界线相交形成激光地图上相邻接的工作区域，完成各个坐标轴方向上的区域地图图像分割，如图1所示，纵横分布的白色边界线，对应于激光地图上的水平方向上和竖直方向上排布的白色线条，它们相交形成激光地图上的矩形区域，即这些待定边界线，用于贯穿可通行区域在坐标轴方向上跨度范围较大的工作区域（比如图1中带有长廊的局部区域），且形成对墙体和非墙体区域的切割，使得沿每个坐标轴方向延伸的区域（图1的白色枝干状区域）都被对应设置的待定边界线分割。值得注意的是，前述的坐标轴方向不跟随机器人当前移动方向的变化而改变，前述的坐标轴方向只与机器人当前所处的预设位置相关。
在步骤S1中，在机器人实时构建的激光地图的图像上，如图1所示，从所述预设位置P开始，以第一预定数量的像素点个数为距离间隔，沿着4个坐标轴方向上进行障碍物的直方图统计，获得对应方向上的像素点与预设位置P的相对位置信息，再在所述激光地图的图像上标记定位各个坐标轴方向上的待定边界线和孤立障碍物线段；所述孤立障碍物线段是图1中零散分布的小块白色像素点集合、较短的障碍物线段。需要说明的是，所述障碍物的直方图统计的方法包括：在机器人的激光传感器的扫描范围内，以所述第一预定数量的像素点个数为距离间隔，从所述预设位置P开始沿着4个坐标轴方向依次划分出检测区间，每个坐标轴方向上的检测区间大小为第一预定数量的像素点个数对应的线段长度距离，并统计各个所述检测区间内的各灰度级像素点出现的个数，其中，各个检测区间是相邻接的。具体地，从所述预设位置P开始，分别对激光地图的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向、Y轴负方向进行像素点统计，在每个坐标轴方向上都按照15个像素点组成的距离间隔（等效长度距离75cm）进行障碍物的直方图统计，这里的每个像素点对应的等效长度距离为5cm，第一预定数量优选为15，第一预定数量的像素点个数对应的距离间隔为75cm。本实施例利用所述障碍物的直方图统计相对预设位置P距离不同的所述检测区间内的各种灰度级像素点出现的个数，也实现对相应灰度级的像素点形成的障碍物线段在激光地图上的定位。其中，灰度级表示像素点的灰度值，灰度值是指将二值化处理后的激光地图的灰度对象转换为RGB 时，每个对象的颜色值，把白色像素点与黑色像素点之间按对数关系分成若干级，称为“灰度等级”，范围一般从0到255，共256种灰度，白色像素点的灰度值为255，黑色像素点的灰度值为0，故黑白图片也称灰度图像。
如图7所示，房间区域的轮廓边界都是由黑色像素点组成，房间内部工作区域是由白色像素点填充的空闲区域，其他的地图区域是由其它灰度值的像素点组成，图1至图5的实施例中，除了中间白色区域和离散分布的白色区域之外的地图区域是由其它灰度值的像素点组成，图示虽然是黑色，但实际上是从1到254之间的灰度值的像素点组成，只有房间的轮廓边界才是黑色像素点。所述待定边界线的定位标记方法包括：每当沿着X轴方向统计到纵坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些纵坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿X轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割，实际上后续步骤可能判断到该待定边界线不是墙体而被删除，再合并对应的分割区域，避免过度分割区域，但还是能描述出X轴方向上局部区域轮廓特征；每当沿着X轴方向统计到纵坐标相同的黑色像素点的个数没有超过预设边界门限值时，不沿着当前方向上标记出所述待定边界线。每当沿着Y轴方向统计到横坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些横坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿Y轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割，否则不沿着当前方向上标记出所述待定边界线，从而能描述出Y轴方向上的局部区域轮廓特征，后续步骤可能会判断到该方向上确定的待定边界线不是墙体而不能起到分割区域的功能，需要继续搜索下一个待定边界线以合理的尺寸大小框定房间区域。需要说明的是，预设边界门限值与机器人的机体尺寸大小和房间可通行区域长宽大小相关，可根据实际需要进行调整，本实施例将预设边界门限值设置为5m，对应为500个纵坐标值相同的像素点或500个横坐标值相同的像素点，这里的每个像素点对应的等效长度距离为5cm。
如图1所示，预设位置P所处的局部环境在每个坐标轴方向上的延伸区域（图1中呈辐射状分布的白色凸出区域）都被垂直于对应坐标轴方向设置的待定边界线分割，其中，同一坐标轴方向上分布的孤立延伸区域越多就越容易被垂直于该坐标轴方向的待定边界线分割，可通行区域（图1白色像素点组成的连续区域）在同一坐标轴方向上的覆盖范围越大越容易被该坐标轴方向上平行分布的待定边界线分割。其中，所述待定边界线包括图1和图7中平行于Y轴方向定位标记的待定边界线M2、待定边界线M1和待定边界线M0，平行于X轴方向连续定位标记的待定边界线L0、L1、L2、L3、L4。本实施例根据同一坐标轴方向上连续和/或离散分布的黑色像素点的数目在房间区域内选择具备一定程度可通行性的区域标记出待定边界线，围成所述初始工作区域的所述待定边界线可以相互对齐以使得区域划分更为规整合理，也确保标记出的待定边界线能够框定出用于机器人沿边行走的矩形工作区域。
步骤S2、机器人移动至房间区域内的一个预设位置时，从每个坐标轴方向上选择距离预设位置最近的待定边界线，框定出一个包围预设位置的矩形的初始工作区域，形成图1的激光地图中包围预设位置P的虚线矩形框#1，同时计算出矩形的初始工作区域的对角线长度，然后进入步骤S3。所述步骤S2中，分别在全局坐标系的X轴正方向、X轴负方向、Y轴正方向和Y轴负方向上选择距离预设位置P最近的所述待定边界线，框定一个包围预设位置P的矩形工作区域，如图2所示，距离预设位置P左侧最近的待定边界线M1、距离预设位置P右侧最近的待定边界线M2、距离预设位置P上方最近的待定边界线L0和距离预设位置P下方最近的待定边界线L1框定一个矩形的初始工作区域#1。该步骤根据预设位置与其最近的待定边界线的相对位置关系设置一个可供拓展的初始工作区域。
步骤S3、按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向，再删除初始工作区域中垂直于对应优先拓展的坐标轴方向的待定边界线，再沿着同一个优先拓展的坐标轴方向开始拓展初始工作区域，使得拓展后的初始工作区域是由框定初始工作区域的剩余的待定边界线与距离已删除的待定边界线最近的待定边界线框定形成一个新的矩形工作区域，然后进入步骤S4。步骤S3拓展形成的所述初始工作区域，覆盖所述步骤S2框定的初始工作区域。在删除初始工作区域中垂直于对应优先拓展的坐标轴方向的待定边界线之前，保留步骤S2计算出的初始工作区域的对角线长度；在拓展出新的矩形工作区域后，计算出拓展后的初始工作区域的对角线长度。优选地，所述拓展后的初始工作区域的对角线长度与所述拓展前的初始工作区域的对角线长度都是：根据勾股定理对框定的矩形工作区域的垂直于X轴方向设置的待定边界线对应的线段长度和垂直于Y轴方向设置的待定边界线对应的线段长度求平方和获得的，即先求出围成一个所述矩形工作区域的长度和宽度的平方和，再对这个平方和求平方根获得这个所述矩形工作区域的对角线长度。本实施例利用所述矩形工作区域的对角线长度大小来表示所述待定边界线框定的工作区域的尺寸大小，用于后续步骤判断拓展前后的矩形工作区域的重合程度。
优选地，所述步骤S3选择的优先拓展的坐标轴方向可以是X轴方向或Y轴方向，可以将Y轴方向的拓展优先级设置得高于X轴方向的拓展优先级。所述按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向的方法包括：比较框定所述初始工作区域的每个所述待定边界线对应线段的白色像素点的个数，白色像素点的个数越多的所述待定边界线对应配置的拓展优先级越高，则优先选择与这个待定边界线垂直匹配的坐标轴方向作为所述优先拓展的坐标轴方向。本实施例实现所述初始工作区域拓展成为可通行区域面积更大的封闭区域，提高机器人沿区域边界导航的效率。
步骤S4、判断拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量是否小于预设重合尺寸误差值，是则停止所述步骤S3当前选择的坐标轴方向上的拓展，并返回步骤S3以选择低一级的拓展优先级的坐标轴方向继续拓展区域，否则进入步骤S5。其中，预设重合尺寸误差值设置为0.2cm至1.6cm之间的长度测试经验值，当步骤S4中参与比较的两个对角线的长度增量小于预设重合尺寸误差值，可视为重合，用于反映垂直于先拓展的坐标轴方向上的待定边界线分布的密集程度，其中，对角线的长度增量越小，对应的待定边界线分布越密集，进而反映这个待定边界线逼近连通多个离散分布的房间角落区域的墙体边界。
步骤S5、删除拓展后的初始工作区域在所述步骤S3选择确定的优先拓展的坐标轴方向上垂直设置的待定边界线，再沿着同一坐标轴方向继续拓展这个拓展后的初始工作区域，使得再次拓展的初始工作区域在同一坐标轴方向上垂直设置的待定边界线由当前删除的待定边界线拓展至距离当前删除的待定边界线最近的待定边界线，然后返回所述步骤S4。此时被删除的待定边界线不是墙体边界，且不能配合其他的待定边界线框定出一个尺寸合理的工作区域，不能较为完整地描述出房间的整体轮廓特征，仍需沿着优先拓展的坐标轴方向对步骤S3拓展后的初始工作区域作进一步的区域拓展。
本实施例的步骤中，拓展后的初始工作区域继续在步骤S3选择的优先拓展的坐标轴方向上拓展，具体地，先删除拓展后的初始工作区域中垂直于对应优先拓展的坐标轴方向的待定边界线，也是删除最新一次拓展使用到的待定边界线，再沿着同一个优先拓展的坐标轴方向这个经过一次拓展的初始工作区域，使得再一次拓展后的初始工作区域是由本次拓展前已被删除待定边界线的工作区域的剩余的待定边界线与距离当前删除的待定边界线最近的待定边界线框定形成一个新的矩形工作区域，然后返回步骤S4。如此重复上述步骤，直到在当前一次工作区域拓展中，拓展后的矩形工作区域的对角线长度与拓展前的矩形工作区域的对角线长度的增量小于所述预设重合尺寸误差值，停止所述步骤S3当前选择的拓展优先级最高的优先拓展的坐标轴方向上的拓展工作，此时恰好拓展框定出合理的房间工作区域，但不需确保室内地面上形成的封闭区域的轮廓边界位置处都是墙体，节省机器人地图运算资源。
优选地，当前一次工作区域拓展中，拓展后的矩形工作区域的对角线长度与拓展前的矩形工作区域的对角线长度的增量小于所述预设重合尺寸误差值时，返回步骤S3，去按照预设的拓展优先级条件选择低一级的拓展优先级的坐标轴方向继续拓展区域。本实施例实现所述初始工作区域拓展成为覆盖范围更广的工作区域，使得机器人能够沿着不断修正拓展的待定边界线导航至墙体边界上的目标位置，进一步的提高机器人沿墙壁边界导航的效率。
需要说明的是，当用于框定的所述矩形工作区域（一次拓展或多次拓展后的所述初始工作区域）的待定边界线靠近房间内离散分布的关联角落区域、或靠近房间的墙壁边界时，拓展前后的矩形工作区域的对角线长度增量减小，等到拓展前后的对角线长度的增量达到前述的预设重合尺寸误差值时，垂直于所述优先拓展的坐标轴方向上的待定边界线已经到达房间的孤立角落区域或进一步靠近房间的墙壁边界，这个待定边界线所处的局部区域在所述优先拓展的坐标轴方向上定位标记的所述待定边界线的分布比较密集，几乎可以重合在一起，此时恰好拓展框定出合理尺寸大小的房间工作区域，结合前述实施例可知，垂直于拓展方向上的待定边界线已经到达连通多个房间孤立角落区域的边界处，而这种区域处定位的所述待定边界线比较密集且接近房间的墙壁边界，虽然还没达到房间的墙壁边界，此时恰好框定分出房间内的整体工作区域，而忽略掉这些孤立角落区域而不会影响机器人在房间内的沿边行走或沿边寻座回充。
与现有技术相比，前述实施例利用激光扫描获取的地图图像像素信息预先定位出待定边界线，并根据待定边界线所框定的矩形工作区域的对角线长度在当前拓展过程中的增量，来决定矩形工作区域的下一次拓展情况，实现拓展前后的对角线长度的增量达到重合阈值条件（对角线长度的增量达到前述的预设重合尺寸误差值）时停止拓展机器人的矩形工作区域，停止拓展以框定出合理尺寸大小的室内工作区域，避免分房间区域过程中一大块相连通的区域被分割为过多个小区域而降低机器人在室内工作区域的工作效率，可以节省机器人框定工作区域的运算资源，避免动用软件资源去处理框定分出这些孤立房间角落区域，也不需确保室内地面上框定的工作区域的轮廓边界位置处都是墙体，提高机器人沿边导航的效率。
对比图1和图2可知，因为图1的初始工作区域#1在待定边界线L1上对应的线段的白色像素点个数最多，待定边界线L1对应配置的拓展优先级越高，并优先选择与这个待定边界线L1垂直匹配的坐标轴方向Y轴正方向作为拓展优先级最高的优先拓展的坐标轴方向，使得待定边界线L1优先被删除，所以图1的距离预设位置P下方最近的待定边界线L1没有在图2的激光地图中出现，然后沿着与初始工作区域#1的待定边界线L1垂直设置的Y轴正方向拓展初始工作区域#1，在Y轴正方向搜索到所述步骤S1定位出的与被删除的待定边界线L1相邻的待定边界线L2，如图2所示，步骤S3将待定边界线L2与已经删除待定边界线L1的矩形工作区域#1的待定边界线M1、M2和L0相交，框定形成拓展后的所述初始工作区域#2，实际上用拓展后的所述初始工作区域#2覆盖步骤S2的初始工作区域#1，其中，被删除的待定边界线不代表墙体。同时，由图2可知，矩形工作区域#1的对角线和矩形工作区域#2的对角线之间形成第一夹角，且这两个对角线在X轴方向上的投影线段相重合，由三角几何函数关系可得，矩形工作区域#2的对角线长度明显大于矩形工作区域#1的对角线长度，使两个对角线长度之间存在一定的增量大于预设重合尺寸误差值，所以矩形工作区域#2依然需要继续往Y轴正方向拓展。其中，本实施例及下述实施例都将预设重合尺寸误差值设置为0.5cm。
对比图2和图3可知，因为图2中拓展后的初始工作区域所框定的矩形工作区域#2在待定边界线L2上对应的线段的白色像素点个数相对较多，待定边界线L2对应配置的拓展优先级相对较高，使得矩形工作区域#2在开始新的拓展之前，优先选择与这个待定边界线L2垂直匹配的坐标轴方向Y轴正方向作为当前优先拓展的坐标轴方向，优先删除待定边界线L2，所以图2在Y轴正方向上距离预设位置P最近的待定边界线L2没有在图3的激光地图中出现，本实施例中拓展后的初始工作区域可以视为第一次拓展的初始工作区域形成的矩形工作区域#2；然后沿着矩形工作区域#2的待定边界线L2垂直设置的Y轴正方向拓展矩形工作区域#2，在Y轴正方向搜索到所述步骤S1定位出的与被删除的待定边界线L2最近的待定边界线L3，如图3所示，步骤S5将待定边界线L3与已经删除待定边界线L2的矩形工作区域#2的待定边界线M1、M2和L0相交，以框定形成第二次拓展的初始工作区域形成的矩形工作区域#3，实际上用矩形工作区域#3覆盖矩形工作区域#2，其中，被删除的待定边界线不代表墙体。同时，由图3可知，矩形工作区域#3的对角线和矩形工作区域#2的对角线之间形成第二夹角，且这两个对角线在X轴方向上的投影线段相重合，其中，第二夹角小于第一夹角，使得矩形工作区域#3的对角线相对于矩形工作区域#2的对角线偏离程度，小于矩形工作区域#2的对角线相对于矩形工作区域#1的对角线偏离程度，由三角几何函数关系可得，矩形工作区域#3的对角线长度与矩形工作区域#2的对角线长度的增量小于矩形工作区域#2的对角线长度与矩形工作区域#1的对角线长度的增量，但仍然大于所述预设重合尺寸误差值，待定边界线L3还没达到房间角落或墙体边界区域，矩形工作区域#3还没达到框定房间的整体区域，所以矩形工作区域#3依然需要继续往Y轴正方向拓展。
对比图3和图4可知，因为图3中的矩形工作区域#3在待定边界线L3上对应的线段的白色像素点个数较多，待定边界线L3对应配置的拓展优先级相对较高，使得矩形工作区域#3在开始新的拓展之前，优先选择与这个待定边界线L3垂直匹配的坐标轴方向Y轴正方向作为当前优先拓展的坐标轴方向，优先将待定边界线L3删除，所以图3在Y轴正方向上距离预设位置P最近的待定边界线L3没有在图4的激光地图中出现。然后继续沿着Y轴正方向拓展矩形工作区域#3，同时在Y轴正方向搜索到所述步骤S1定位出的与被删除的待定边界线L3最近的待定边界线L4，如图4所示，步骤S5将待定边界线L4与已经删除待定边界线L3的矩形工作区域#3的待定边界线M1、M2和L0相交，以框定形成矩形工作区域#4，即第三次拓展后的初始工作区域，其中，被删除的待定边界线不代表墙体。同时，由图4可知，矩形工作区域#3的对角线和矩形工作区域#4的对角线之间形成第三夹角，且这两个对角线在X轴方向上的投影线段相重合，其中，第三夹角小于第二夹角，使得矩形工作区域#4的对角线相对于矩形工作区域#3的对角线偏离程度，小于矩形工作区域#3的对角线相对于矩形工作区域#2的对角线偏离程度，由三角几何函数关系可得，矩形工作区域#4的对角线长度与矩形工作区域#3的对角线长度的增量小于所述预设重合尺寸误差值，矩形工作区域#4的对角线与矩形工作区域#3的对角线在误差允许范围内达到重合，说明待定边界线L3和待定边界线L4的分布比较密集密，甚至可以视为重合在一起，但还没达到房间的墙壁边界，此时恰好拓展框定分出房间内的尺寸合理的工作区域，可以忽略掉同一待定边界线方向上相连通或孤立分布的区域，不会影响机器人按照框定的矩形工作区域在房间内的沿边行走或沿边寻座回充，此时，停止在前述实施例选择的Y轴正方向上继续拓展，返回所述步骤S3，选择低一级的拓展优先级的坐标轴方向，即对应图5的X轴的负方向。
对比图4和图5可知，因为图4中的矩形工作区域#4在待定边界线M1上对应的线段的白色像素点个数相对较多，待定边界线M1对应配置的拓展优先级相对较高，使得矩形工作区域#4在开始新的拓展之前，优先选择与这个待定边界线M1垂直匹配的坐标轴方向X轴负方向作为当前优先拓展的坐标轴方向，优先将待定边界线M1删除，所以图4在X轴负方向上距离预设位置P最近的待定边界线M1没有在图5的激光地图中出现。然后沿着X轴负方向拓展矩形工作区域#4，同时在X轴负方向搜索到所述步骤S1定位出的与被删除的待定边界线M1最近的待定边界线M0，如图5所示，步骤S3将待定边界线M0与已经删除待定边界线M1的矩形工作区域#4的待定边界线L4、M2和L0相交，以框定形成矩形工作区域#5，即第四次拓展后的初始工作区域，其中，被删除的待定边界线M1不代表墙体。同时，由图5可知，矩形工作区域#5的对角线和矩形工作区域#4的对角线之间形成第四夹角，第四夹角与第三夹角相接近，都较小，矩形工作区域#5的对角线和矩形工作区域#4的对角线在Y轴方向上的投影线段相重合，由三角几何函数关系可得，矩形工作区域#5的对角线长度与矩形工作区域#4的对角线长度的增量小于所述预设重合尺寸误差值，矩形工作区域#5的对角线与矩形工作区域#4的对角线在误差允许范围内达到重合，说明待定边界线M0和待定边界线M1的分布比较密集密，甚至可以视为重合在一起，刚好接近房间的墙壁边界，此时恰好拓展框定出房间的整体工作区域，可以忽略掉与待定边界线M0连通的离散分布的房间角落区域，不会影响机器人按照框定的矩形工作区域在房间内的沿边行走或沿边寻座回充，此时，停止在前述实施例选择的X轴负方向上继续拓展。
需要说明的是，从图1的所述初始工作区域#1拓展到图5的矩形工作区域#5的过程中，按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向，每往这个坐标轴方向拓展所述初始工作区域一次，则只是删除垂直于该坐标轴方向上框定拓展前的矩形工作区域的一条所述待定边界线，并结合拓展前后的矩形工作区域的对角线长度的变化量控制拓展停止条件；图1至图5的实施例中，除了中间白色区域和离散分布的白色区域之外的地图区域是由其它灰度值的像素点组成，图示虽然是示意性的地图图像的亮度接近黑色，但实际上是从1到254之间的灰度值的像素点组成，只有房间的轮廓边界才是黑色像素点，其中，通过对比图7的黑白图可获知房间的轮廓边界及所述待定边界线。
优选地，在第一次执行所述步骤S3过程中，当框定所述初始工作区域的待定边界线都不是非墙体边界线段，且所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度小于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度与所述初始工作区域的任一边长度的预设比值中相对小的数值时，确定所述初始工作区域是封闭区域；当框定所述初始工作区域的其中一条所述待定边界线是非墙体边界线段，或者，所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度，或所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值时，确定所述初始工作区域不是封闭区域；需要说明的是，所述待定边界线根据白色像素点的个数划分为非墙体边界线段和墙体边界线段，其中，非墙体边界线段中的白色像素点的个数大于或等于一定门限值，而墙体边界线段小于一定门限值，这个门限值大于所述预设边界门限值。激光地图中还存在扫描出的孤立障碍物线段，所述孤立障碍物线段的长度只要大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值和第三预定数量的像素点个数对应的线段长度的其中一个时，所述孤立障碍物线段被判定为所述初始工作区域内的墙壁，进而标记为所述墙体边界线段以配合其他的所述待定边界线框定出成新的矩形工作区域，这个新的矩形工作区域可能与所述初始工作区域或拓展后的所述初始工作区域有重叠区域。本实施例通过围成当前工作区域的障碍边界线段的性质以及当前工作区域内部的孤立障碍物线段长度，来确定封闭区域的环境特征，其中，判断组成的封闭区域线段是否由墙壁组成，可以排除其他区域的障碍物直线以及内部孤立障碍物的干扰作用，同时，判断当前工作区域内部的所述孤立障碍物线段的长度是否既小于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度又小于这个当前工作区域的任一边长度的预设比值，避免误判为墙体的干扰作用，提高封闭区域的判断的准确性，当前工作区域是所述初始工作区域时，第三预定数量的像素点个数对应的线段长度优选地位50cm，所述预设比值为1/3。
一种芯片，内置控制程序，所述控制程序用于控制移动机器人执行所述工作区域拓展方法。要理解本文所述的实施例可以由硬件、软件、固件、中间件、微代码或其任意组合来实现。对于硬件实现方式，处理单元可以在一个或多个专用集成电路(ASIC) 、数字信号处理器(DSP) 、数字信号处理器件(DSPD) 、可编程逻辑器件(PLD) 、现场可编程门阵列(FPGA) 、处理器、控制器、微控制器、微处理器、被设计以执行本文所述功能的其他电子单元、或其组合内实现。当以软件、固件、中间件或微代码、程序代码或代码段来实现实施例时，可以将它们存储在诸如存储组件的机器可读介质中。
一种机器人，该机器人装配激光传感器，该机器人内置所述的芯片，用于处理激光传感器实时扫描的激光数据以构建激光地图。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作出的等同变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于激光地图的工作区域拓展方法，其特征在于，该工作区域拓展方法包括:
步骤1、沿着实时构建的激光地图的坐标轴方向设置待定边界线，使得每个坐标轴方向延伸的区域都被对应设置的待定边界线分割；
步骤2、机器人移动至室内工作区域的预设位置时，从每个坐标轴方向上选择距离预设位置最近的待定边界线，框定一个矩形的初始工作区域；
步骤3、按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向，删除初始工作区域中垂直于对应坐标轴方向设置的待定边界线，再沿着同一坐标轴方向开始拓展初始工作区域，使得拓展后的初始工作区域是由框定初始工作区域的剩余的待定边界线与距离已删除的待定边界线最近的待定边界线框定形成一个新的矩形工作区域；
步骤4、判断拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量是否小于预设重合尺寸误差值，是则停止拓展。
2.根据权利要求1所述工作区域拓展方法，其特征在于，当拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量小于预设重合尺寸误差值时，停止在所述步骤3当前选择的坐标轴方向上的拓展，再返回所述步骤3以选择低一级的拓展优先级的坐标轴方向。
3.根据权利要求2所述工作区域拓展方法，其特征在于，当判断到拓展后的初始工作区域的对角线长度与拓展前的初始工作区域的对角线长度的增量大于或等于所述预设重合尺寸误差值时，删除拓展后的初始工作区域中垂直于所述步骤3选择的待定边界线，再沿着同一坐标轴方向继续拓展这个拓展后的初始工作区域，使得再次拓展的初始工作区域由当前删除的待定边界线所处位置拓展至距离当前删除的待定边界线最近的待定边界线处，然后返回所述步骤4。
4.根据权利要求3所述工作区域拓展方法，其特征在于，所述待定边界线的定位标记方法包括：
每当沿着X轴方向统计到纵坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些纵坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿X轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割；
每当沿着Y轴方向统计到横坐标相同的黑色像素点的个数超过预设边界门限值时，标记出这些横坐标相同的黑色像素点的连接形成的所述待定边界线，使得沿Y轴方向延伸的区域被对应的待定边界线分割。
5.根据权利要求4所述工作区域拓展方法，其特征在于，所述拓展后的初始工作区域的对角线长度与所述拓展前的初始工作区域的对角线长度都是：根据勾股定理对框定的矩形工作区域的垂直于X轴方向设置的待定边界线对应的线段长度和垂直于Y轴方向设置的待定边界线对应的线段长度求平方和获得的。
6.根据权利要求4或5所述工作区域拓展方法，其特征在于，所述按照预设的拓展优先级条件选择一个优先拓展的坐标轴方向的方法包括：
比较框定所述初始工作区域的每个所述待定边界线对应线段上排列的白色像素点的个数，白色像素点的个数越多的所述待定边界线对应配置的拓展优先级条件越高，则优先选择与这个待定边界线垂直匹配的坐标轴方向作为所述优先拓展的坐标轴方向。
7.根据权利要求6所述工作区域拓展方法，其特征在于，当框定所述初始工作区域的待定边界线都不是非墙体边界线段，且所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度小于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度与所述初始工作区域的任一边长度的预设比值中相对小的数值时，确定所述初始工作区域是封闭区域；
当框定所述初始工作区域的其中一条所述待定边界线是非墙体边界线段，或者，所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于第三预定数量的像素点个数对应的线段长度，或所述初始工作区域内部的孤立障碍物线段的长度大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值时，确定所述初始工作区域不是封闭区域；
其中，所述待定边界线根据白色像素点的个数划分为非墙体边界线段和墙体边界线段，非墙体边界线段中的白色像素点的个数大于或等于一定门限值，而墙体边界线段小于一定门限值，这个门限值大于所述预设边界门限值；
其中，激光地图中还存在扫描出的孤立障碍物线段，所述孤立障碍物线段的长度只要大于或等于所述初始工作区域的其中一边长度的预设比值和第三预定数量的像素点个数对应的线段长度的其中一个时，所述孤立障碍物线段被判定为所述初始工作区域内的墙壁，进而标记为所述墙体边界线段以配合其他的所述待定边界线框定出成新的矩形工作区域。
8.一种芯片，内置控制程序，其特征在于，所述控制程序用于控制移动机器人执行权利要求1至7中任一项所述工作区域拓展方法。
9.一种机器人，该机器人装配激光传感器，其特征在于，该机器人内置权利要求8所述的芯片，用于处理激光传感器实时扫描的激光数据以构建激光地图。
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