CN112033398B - 扫地机器人碰撞检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫地机器人碰撞检测系统及方法，系统包括：三轴加速度计，用于检测扫地机器人在三个轴方向上的加速度；陀螺仪，用于检测所述扫地机器人的机身姿态信息；控制器，用于执行以下操作：根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件且根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞时，利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。通过在扫地机器人中设置三轴加速度计和陀螺仪实现360度全方位碰撞探测，弥补了扫地机器人后半部分无法探测碰撞的缺陷，并通过利用三轴加速度计检测的三个轴方向上的加速度可以准确确定出碰撞位置，提高了碰撞位置确定准确度。

Description

扫地机器人碰撞检测系统及方法
技术领域
本发明涉及家电技术领域，具体涉及一种扫地机器人碰撞检测系统及方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，人们生活水平不断提高，智能产品越来越广泛的被大众接受和应用，比较典型的就是扫地机器人。扫地机器人是一种能够自动清扫地面灰尘、毛发、纸屑等物质的智能清洁设备。
目前，扫地机器人半圆形前罩通常都设置有前置碰撞板，并通过在前置碰撞板上安装的多个机械开关，以将扫地机器人的半圆形前罩分割成多个分区，进而通过机械开关判断碰撞的发生和碰撞方位，以实现扫地机器人行进方向上的避障、脱困功能。
然而，这种设置机械开关判断碰撞方位的方式获得的碰撞位置精度低，并且也只能实现前向碰撞的探测，而无法探测后向碰撞。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足提出的一种扫地机器人碰撞检测系统及方法，该目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的第一方面提出了一种扫地机器人碰撞检测系统，所述系统包括：
三轴加速度计，用于检测扫地机器人在三个轴方向上的加速度；
陀螺仪，用于检测所述扫地机器人的机身姿态信息；
控制器，用于执行以下操作：
根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，且根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
本发明的第二方面提出了一种扫地机器人碰撞检测方法，所述扫地机器人设置有三轴加速度计和陀螺仪，所述方法包括：
获取所述陀螺仪检测到的机身姿态信息和所述三轴加速度计检测到的三个轴方向上的加速度；
根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，且根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
本发明的第三方面提出了一种扫地机器人，所述扫地机器人包括上述第一方面所述的碰撞检测系统。
基于上述第一方面描述的扫地机器人碰撞检测系统，具有如下有益效果：
通过在扫地机器人中设置三轴加速度计和陀螺仪实现扫地机器人360度全方位碰撞探测，即利用三轴加速度计输出的加速度提取扫地机器人的突变动作，再利用陀螺仪输出的姿态区分突变动作是碰撞还是其他动作，并在确定突变动作是碰撞时，利用加速度准确确定出发生碰撞的方位，从而既弥补了扫地机器人后半部分无法探测碰撞的缺陷，也提高了碰撞位置确定准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明示出的一种扫地机器人碰撞检测系统结构示意图；
图2为本发明示出的一种三轴加速度计的三个轴设置示意图；
图3为本发明示出的一种扫地机器人运动平面内发生碰撞的加速度曲线示意图；
图4为本发明示出的一种扫地机器人碰撞检测方法的实施例流程图；
图5为本发明示出的另一种扫地机器人碰撞检测方法的实施例流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
为了实现扫地机器人360度全方位碰撞探测，并且能够实现碰撞位置的精确探测，本申请提出一种扫地机器人的碰撞检测系统，参见图1所示，该碰撞检测系统包括：惯性测量单元10(IMU，Inertial Measurement Unit)和控制器20。
其中，惯性测量单元10包括三个单轴的加速度计101(即三轴加速度计)和三个单轴的陀螺仪102，加速度计101和陀螺仪102分别输出载体的加速度和姿态。
由此可见，该加速度计101可以实时检测扫地机器人在三个轴方向上的加速度，该陀螺仪102可以实时检测扫地机器人的机身姿态信息。
其中，机身姿态信息指的是通过预设姿态解算算法利用陀螺仪连续采集的三个轴方向上的姿态角解算得到的俯仰角和翻滚角。
示例性的，预设姿态解算算法可以采用AHRS(Automatic Heading ReferenceSystem，自动航向基准系统)算法。
对于碰撞检测系统中的控制器20是用于根据加速度计101检测到的三个轴方向上的加速度确定扫地机器人满足动作突变条件且根据陀螺仪102检测到的机身姿态信息确定扫地机器人的突变动作为碰撞时，利用这三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
示例性的，控制器20可以是通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器、多个微处理器、与DSP核心关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列电路、其他任何类型的集成电路、状态机等。其可为单独的用于进行碰撞检测的处理器，也可与扫地机器人内执行与其他控制的控制器为同一控制器。
基于上述描述的碰撞检测系统，通过在扫地机器人中设置三轴加速度计和陀螺仪实现扫地机器人360度全方位碰撞探测，即利用三轴加速度计输出的加速度提取扫地机器人的突变动作，再利用陀螺仪输出的姿态区分突变动作是碰撞还是其他动作，并在确定突变动作是碰撞时，利用加速度准确确定出发生碰撞的方位，从而既弥补了扫地机器人后半部分无法探测碰撞的缺陷，也提高了碰撞位置确定准确度。
在一实施例中，扫地机器人还可以延用前置碰撞板，前置碰撞板属于扫地机器人半圆形前罩上的活动部件，扫地机器人前进过程中，在发生碰撞时，前置碰撞板可以起到缓冲的作用，避免碰撞物体和扫地机器人自身受到损坏。
在一实施例中，针对根据三个轴方向上的加速度确定扫地机器人满足动作突变条件的过程，属于扫地机器人动作提取过程，扫地机器人和物体发生碰撞时，三轴加速度计输出信号会瞬间突变，因此，动作提取可以通过计算三轴加速度计的短时间的信号能量进行判断。
基于此，可以利用三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度确定扫地机器人的短时振动能量，如果短时振动能量大于预设能量，则确定扫地机器人满足动作突变条件，否则，确定扫地机器人不满足动作突变条件。
其中，预设周期可以根据三轴加速度计和陀螺仪的检测频率设置，假设三轴加速度计和陀螺仪的检测频率相同，每次需要用三轴加速度计和陀螺仪连续检测w次的数据进行碰撞检测，那么连续检测W次所用的时间长度即可设置为预设周期。也就是说，碰撞检测系统每隔预设周期执行一次碰撞检测。
示例性的，扫地机器人的突变动作有碰撞、过坎、上下台阶等。
参见图2所示，为三轴加速度计的三个轴的设置示意图，x轴和y轴设置于扫地机器人的运动平面内，z轴垂直扫地机器人平面向下，其在x轴方向上的加速度为ax，在y轴方向上的加速度为ay，在z轴方向上的加速度为az，假设预设周期内检测w次，扫地机器人的短时振动能量e的计算公式如下：
Figure BDA0002599847130000071
其中，axi为第i次检测到的x轴方向上的加速度，ayi为第i次检测到的y轴方向上的加速度，azi为第i次检测到的z轴方向上的加速度。
在一实施例中，针对根据机身姿态信息确定扫地机器人的突变动作为碰撞的过程，属于扫地机器人的碰撞判断过程，参见下述表1所示的不同动作对应的传感器输出，碰撞和其他动作的区别在于机身姿态的变化，碰撞发生时，机身不会发生俯仰、横滚等行为，只有偏航行为，而在其他动作发生时，比如过坎，机身存在先仰后俯的行为，因此通过判断机身是否有俯仰、横滚等行为，可区分碰撞和其他动作。
Figure BDA0002599847130000072
Figure BDA0002599847130000081
表1
基于此，可以利用陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息确定扫地机器人的姿态变化程度，若姿态变化程度小于预设阈值，则确定扫地机器人的突变动作为碰撞，否则，确定扫地机器人的突变动作为其他动作。
其中，假设预设周期内检测w次，扫地机器人的姿态变化程度v的计算公式如下：
Figure BDA0002599847130000082
其中，rolli为第i次检测到的横滚角，pitchi为第i次检测到的俯仰角，
Figure BDA0002599847130000083
为w次检测到的横滚角的平均值，
Figure BDA0002599847130000084
为w次检测到的俯仰角的平均值。
在一实施例中，针对利用三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位的过程，属于碰撞方位估计过程，可以从预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度中，获取发生碰撞时检测到的三个轴方向上的加速度，并利用获取的三个轴方向上的加速度中的至少两个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
其中，针对从预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度中，获取发生碰撞时刻的加速度的过程，参见图3所示，为扫地机器人在其运动平面内的x轴和y轴限定出的四个象限内发生碰撞时的x轴加速度和y轴加速度曲线示意图，由图3中扫地机器人在每个象限中发生碰撞时，由三轴加速度计测量得到的x轴方向的加速度曲线和y轴方向的加速度曲线可知，通常发生碰撞的一刹那(即T1时刻)两个轴的加速度比较低，经过一定时间(一般几十毫秒)后(即T2时刻)两个轴的加速度瞬时值均达到最大。
由此可见，可以从预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度中，获取x轴和y轴的加速度均达到最大时的检测点的加速度进行方位计算。
其中，至少两个轴方向上的加速度为扫地机器人运动平面内的加速度，结合图2和图3所示，扫地机器人运动平面内的两个轴为x轴和y轴，碰撞发生在不同的象限时，x轴和y轴的加速度是有方向性的，用反正切函数求角度时，直接求得的是-90度～90度范围，进而根据x轴和y轴的加速度的正负情况可以得到准确的碰撞方位。
假设发生碰撞的位置与x轴的夹角为θ，反正切函数求角度公式如下：
Figure BDA0002599847130000091
其中，ax为x轴方向上的加速度，ay为y轴方向上的加速度。
然后根据ax为ay的正负情况换算得到θ的公式如下：
Figure BDA0002599847130000101
需要说明的是，通过利用三轴加速度计和陀螺仪在一定周期内多次检测的数据实现碰撞检测，可以避免利用单次检测数据的误判断。
基于上述图1所示的扫地机器人碰撞检测系统结构，下面对碰撞检测方法进行描述。
图4为本发明示出的一种扫地机器人碰撞检测方法的实施例流程图，该碰撞检测方法包括如下步骤：
步骤401：获取陀螺仪检测到的机身姿态信息和三轴加速度计检测到的三个轴方向上的加速度。
可选的，为了提升碰撞检测的准确性，获取的可以是三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度，以及陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息。
步骤402：根据三个轴方向上的加速度确定扫地机器人满足动作突变条件，且根据机身姿态信息确定扫地机器人的突变动作为碰撞，利用三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
可选的，针对根据三个轴方向上的加速度确定扫地机器人满足动作突变条件的过程，可以利用三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度确定扫地机器人的短时振动能量，如果短时振动能量大于预设能量，则确定扫地机器人满足动作突变条件，否则，确定扫地机器人不满足动作突变条件。
可选的，针对根据机身姿态信息确定扫地机器人的突变动作为碰撞的过程，可以利用陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息确定扫地机器人的姿态变化程度，若姿态变化程度小于预设阈值，则确定扫地机器人的突变动作为碰撞，否则，确定扫地机器人的突变动作为其他动作。
可选的，针对利用三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位的过程，可以从预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度中，获取发生碰撞时检测到的三个轴方向上的加速度，并利用获取的三个轴方向上的加速度中的至少两个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位。
需要说明的是，对于上述过程中的具体描述，可以参见上述所述实施例中的相关步骤描述，本发明在此不再详述。
至此，完成上述图4所示流程，通过在扫地机器人中设置三轴加速度计和陀螺仪实现扫地机器人360度全方位碰撞探测，即利用三轴加速度计输出的加速度提取扫地机器人的突变动作，再利用陀螺仪输出的姿态区分突变动作是碰撞还是其他动作，并在确定突变动作是碰撞时，利用加速度准确确定出发生碰撞的方位，从而既弥补了扫地机器人后半部分无法探测碰撞的缺陷，也提高了碰撞位置确定准确度。
图5为本发明示出的另一种扫地机器人碰撞检测方法的实施例流程图，该碰撞检测方法包括如下步骤：
步骤501：获取三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度，以及陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息。
步骤502：利用获取的三个轴方向上的加速度确定扫地机器人的短时振动能量。
步骤503：若短时振动能量大于预设能量，则确定扫地机器人满足动作突变条件，执行步骤504。
步骤504：利用陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息确定扫地机器人的姿态变化程度。
步骤505：若姿态变化程度小于预设阈值，则确定扫地机器人的突变动作为碰撞，执行步骤506。
步骤506：从获取的三个轴方向上的加速度中获取发生碰撞时的三个轴方向上的加速度，并利用位于运动平面内的两个轴上的加速度确定发生碰撞的方位。
其中，针对上述步骤501至步骤506的详细实现，可以参见上述图1所示实施例中的相关步骤描述，本发明在此不再详述。
至此，完成上述图5所示流程，在利用扫地机器人中的三轴加速度计和陀螺仪实现360度全方位碰撞探测时，通过利用三轴加速度计和陀螺仪在一定周期内多次检测的数据实现碰撞检测，可以避免利用单次检测数据的误判断。
本发明还提出一种扫地机器人，该扫地机器人包括上述图1所示的碰撞检测系统。
在一些实施例中，该扫地机器人还包括前置碰撞板，该前置碰撞板设置在扫地机器人半圆形前罩上。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种扫地机器人碰撞检测系统，其特征在于，所述系统包括：
三轴加速度计，用于检测扫地机器人在三个轴方向上的加速度；
陀螺仪，用于检测所述扫地机器人的机身姿态信息；
控制器，用于执行以下操作：
根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，且根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位；
其中，所述根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，包括：
利用所述陀螺仪在预设周期内检测到的机身姿态信息确定所述扫地机器人的姿态变化程度，所述姿态变化程度计算公式为：
Figure FDA0003877851720000011
w为所述预设周期内的检测次数，rolli为第i次检测到的横滚角，pitchi为第i次检测到的俯仰角，
Figure FDA0003877851720000012
为w次检测到的横滚角的平均值，
Figure FDA0003877851720000013
为w次检测到的俯仰角的平均值；
根据所述姿态变化程度小于预设阈值，确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，包括：
利用所述三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人的短时振动能量；
根据所述短时振动能量大于预设能量，确定所述扫地机器人满足动作突变条件。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位，包括：
从所述预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度中，获取发生碰撞时检测到的三个轴方向上的加速度；
利用发生碰撞时的三个轴方向上的加速度中的至少两个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位；所述至少两个轴方向上的加速度为所述扫地机器人运动平面内的加速度。
4.一种扫地机器人碰撞检测方法，其特征在于，所述扫地机器人设置有三轴加速度计和陀螺仪，所述方法包括：
获取所述陀螺仪检测到的机身姿态信息和所述三轴加速度计检测到的三个轴方向上的加速度；
根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，且根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位；
其中，所述根据所述机身姿态信息确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞，包括：
利用预设周期内的机身姿态信息确定所述扫地机器人的姿态变化程度，所述姿态变化程度计算公式为：
Figure FDA0003877851720000031
w为所述预设周期内的检测次数，rolli为第i次检测到的横滚角，pitchi为第i次检测到的俯仰角，
Figure FDA0003877851720000032
为w次检测到的横滚角的平均值，
Figure FDA0003877851720000033
为w次检测到的俯仰角的平均值；
根据所述姿态变化程度小于预设阈值，确定所述扫地机器人的突变动作为碰撞。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取所述陀螺仪检测到的机身姿态信息和所述三轴加速度计检测到的三个轴方向上的加速度，包括：
获取所述三轴加速度计在预设周期内检测到的三个轴方向上的加速度，并获取陀螺仪在所述预设周期内检测到的机身姿态信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人满足动作突变条件，包括：
利用所述预设周期内的三个轴方向上的加速度确定所述扫地机器人的短时振动能量；
根据所述短时振动能量大于预设能量，确定所述扫地机器人满足动作突变条件。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述利用所述三个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位，包括：
从所述预设周期内的三个轴方向上的加速度中，获取发生碰撞时检测到的三个轴方向上的加速度；
利用所述发生碰撞时的三个轴方向上的加速度中的至少两个轴方向上的加速度确定发生碰撞的方位；所述至少两个轴方向上的加速度为所述扫地机器人运动平面内的加速度。
8.一种扫地机器人，其特征在于，所述扫地机器人包括权利要求1～3任一项所述的碰撞检测系统。
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