CN114983273B - 一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统。回充定位方法包括:通过清洁装置接收来自基站的红外信号,并基于激光雷达感知基站位置;在清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置的情况下:获取激光雷达数据;基于激光雷达数据计算清洁装置与基站之间的当前相对位姿;基于当前相对位姿规划在当前位置下清洁装置与基站之间的回充路线。本方案通过红外收发寻位和雷达激光寻位相结合,实现清洁装置与基站的对位,准确率高、对位精度高,且基本能够覆盖基站的各个区域。
Description
技术领域
本发明涉及智能清洁领域,特别涉及一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统。
背景技术
扫地机器人,又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等,是智能家用电器的一种,机身为自动化技术的可移动装置,与有集尘盒的真空吸尘装置,配合机身设定控制路径,在室内反复行走,如沿边清扫、集中清扫、随机清扫、直线清扫等路径打扫,并辅以边刷、中央主刷旋转、抹布等方式,加强打扫效果,以完成拟人化居家清洁效果。
扫地机器人普遍具有自主回充功能,每次工作完毕会自动回到充电座充电,等待下次定时预约清扫时启动自动清扫。但现有的自动回充方案普遍存在对位不准的问题,尤其是针对边缘位置,扫地机器人难以实现与充电座的对位。
发明内容
有鉴于此,本发明提出了一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统,具体方案如下:
一种清洁装置的回充定位方法,所述方法包括:
通过清洁装置接收来自基站的红外信号,并基于激光雷达感知基站位置;
在清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置的情况下:
获取激光雷达数据;
基于所述激光雷达数据计算所述清洁装置与所述基站之间的当前相对位姿;
基于所述当前相对位姿规划在当前位置下所述清洁装置与所述基站之间的回充路线。
在一个具体实施例中,在清洁装置能接收到红外信号的情况下:
控制所述清洁装置以预设方向原地旋转预设角度;
旋转完毕后,使所述清洁装置沿当前方向直行,直至所述清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置。
在一个具体实施例中,在清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置的情况下:
控制所述清洁装置原地旋转,直至所述清洁装置能够接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置。
在一个具体实施例中,以基站为基准划定第一红外区、第二红外区和雷达区,所述第一红外区和所述第二红外区分别位于所述雷达区两侧;
若清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述雷达区;
若清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区或所述第二红外区,且所述清洁装置背对所述基站;
若清洁装置能接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区或所述第二红外区,且所述清洁装置正对所述基站;
若清洁装置能接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区与所述雷达区的交界区域或所述第二红外区与所述雷达区的交界区域。
在一个具体实施例中,在基站的第一端设置第一红外发射模块,在基站的第二端设定第二红外发射模块;
基于所述第一红外发射模块所发射红外信号的辐射区域设定第一红外区,基于所述第二红外发射模块所发射红外信号的辐射区域设定第二红外区;
于所述第一红外区和所述第二红外区之间的区域设定雷达区。
在一个具体实施例中,所述当前相对位姿的计算具体包括:
从激光雷达数据中检测出所有的直线;
遍历检测出的每一条直线,并找出第一直线,所述第一直线上包括两组反射值大于预设阈值的连续点;
分别对两组反射值大于预设阈值的连续点取中间点,得到第一点和第二点;
以清洁装置上的激光雷达为原点构建坐标系,计算所述第一点和所述第二点的坐标;
以所述第一点和所述第二点所构成线段的中点作为目标位置,基于所述第一点和所述第二点的坐标计算所述目标位置的坐标;
基于所述目标位置的坐标,计算所述目标位置相对于所述清洁装置的移动方向的方位角,得到当前相对位姿。
在一个具体实施例中,所述当前相对位姿为:
其中,ωO为当前相对位姿,yA表示第一点的纵坐标,yB表示第二点的纵坐标,xA表示第一点的横坐标,xB表示第二点的横坐标。
在一个具体实施例中,所述回充路线的规划包括:
确定所述基站上用于对位所述清洁装置的目标位置;
在所述目标位置正前方、距离为d处设定当前目标点;
规划清洁装置从当前位置到当前目标点的第一移动方案,控制所述清洁装置执行该第一移动方案;
当执行完第一移动方案后,判断清洁装置是否与基站完成对位;
若否,则在所述目标位置正前方、距离为a*d处重新设定当前目标点,重新计算预设基站相对于清洁装置的当前相对位姿;其中,0<a<1。
一种清洁系统,用于实现上述任一项所述的一种清洁装置的回充定位方法,包括:
清洁装置,搭载有激光雷达和红外接收模块;
基站,搭载有第一红外发射模块、第二红外发射模块、第一反光组件和第二反光组件,所述第一反光组件和所述第二反光组件都位于所述第一红外发射模块和所述第二红外发射模块之间;
所述第一红外发射模块所发射红外信号的辐射区域构成第一红外区,所述第二红外发射模块所所发射红外信号的辐射区域构成第二红外区;
所述第一红外区和所述第二红外区之间预设有雷达区;
所述激光雷达在所述雷达区可感知到所述第一反光组件和所述第二反光组件,以实现清洁装置感知基站位置。
在一个具体实施例中,所述红外接收模块以预设红外接收区接收红外信号,且所述红外接收区朝向清洁装置的移动方向;
当所述第一红外发射模块位于所述红外接收区,且所述红外接收模块位于所述第一红外区时,所述清洁装置可接收来自第一红外发射模块的红外信号;
当所述第二红外发射模块位于所述红外接收区,且所述红外接收模块位于所述第二红外区时,所述清洁装置可接收来自第二红外发射模块的红外信号。
有益效果:本发明提供了一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统,通过红外收发寻位和雷达激光寻位相结合,实现清洁装置与基站的对位,准确率高、对位精度高,且基本能够覆盖基站的各个区域。将雷达激光寻位作为主要的对位手段,辅助以红外收发寻位进行边缘位置对位,弥补了激光雷达寻位至边缘位置由于几何构型不佳而难以准确对位的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提出的回充定位方法流程图;
图2是本发明实施例提出的清洁装置结构示意图;
图3是本发明实施例提出的基站结构示意图;
图4是本发明实施例提出的位姿原理示意图;
图5是本发明实施例在图4的基础上构建的坐标系示意图。
附图标记:1-清洁装置;2-基站;11-激光雷达;12-红外接收模块;21-第一红外发射模块;22-第二红外发射模块;23-第一反光组件;24-第二反光组件。
具体实施方式
在下文中,将更全面地描述本发明公开的各种实施例。本发明公开可具有各种实施例,并且可在其中做出调整和改变。然而,应理解:不存在将本发明公开的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图,而是应将本发明公开理解为涵盖落入本发明公开的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
需要说明的是,本申请中的位姿,包括位置和姿态。
实施例1
本发明实施例1公开了一种清洁装置的回充定位方法,通过红外收发寻位和激光雷达寻位相结合,实现清洁装置与基站的准确对位。回充定位方法的具体流程如说明书附图1所示。
一种清洁装置的回充定位方法,包括如下步骤:
101、通过清洁装置接收来自基站的红外信号,并基于激光雷达感知基站位置;
102、在清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置的情况下:获取激光雷达数据;基于激光雷达数据计算清洁装置与基站之间的当前相对位姿;基于当前相对位姿规划在当前位置下清洁装置与基站之间的回充路线。
103、在清洁装置能接收到红外信号的情况下:控制清洁装置以预设方向原地旋转预设角度;使清洁装置沿当前方向直行,直至清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,再执行步骤102。
104、在清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置的情况下:控制清洁装置原地旋转,直至清洁装置能够接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,再执行步骤103。
本实施例的回充定位方法适用于特定的移动装置和基站。其中,清洁装置上搭载有激光雷达和红外接收模块,如说明书附图2所示。基站上搭载有第一红外发射模块、第二红外发射模块、第一反光组件和第二反光组件,第一反光组件和第二反光组件都位于第一红外发射模块和第二红外发射模块之间,如说明书附图3所示。优选地,第一红外发射组件和第二红外发射组件关于基站中点对称,第一反光组件和第二反光组件关于基站中点对称。需要说明的是,本实施采用普遍的基站站位设置,即默认基站的一侧靠墙,如附图3所示,不仅减少基站的占地面积,而且缩减对位的计算量。
第一红外发射模块所发射红外信号的辐射区域构成第一红外区,第二红外发射模块所发射红外信号的辐射区域构成第二红外区;优选地,红外接收模块以预设红外接收区接收红外信号,且红外接收区朝向清洁装置的移动方向。只有同时满足发射和接收的条件,才能实现红外接收模块的红外信号接收。
具体地,当第一红外发射模块位于红外接收区,且红外接收模块位于第一红外区时,清洁装置可接收来自第一红外发射模块的红外信号;当第二红外发射模块位于红外接收区,且红外接收模块位于所述第二红外区时,清洁装置可接收来自第二红外发射模块的红外信号。
在附图3中,L表示第一红外发射模块,箭头所辐射的区域为第一红外发射模块发射红外信号的辐射区域,即第一红外区。R表示第二红外发射模块,箭头所辐射的区域为第二红外发射模块发射红外信号的辐射区域,即第二红外区。其中,红外接收模块处的箭头所辐射的区域为接收区域,为红外接收区。只有当发射点和接收点之间的连线同时位于发射区域和接收区域内的时候,红外接收模块才可以接收到发射的红外信号。
在附图3中,A表示第一反光组件,B表示第二反光组件。优选地,第一反光组件和第二反光组件都为反光贴纸。第一红外区和第二红外区之间预设有雷达区。清洁装置上的激光雷达能在雷达区感应到基站上的第一反光组件和第二反光组件。在激光雷达数据中,第一反光组件和第二放光组件分别会表现为一系列反射值明显大于预设阈值的连续点。
利用激光雷达对位,虽然对位精度高,但在部分区域由于难以构建合理的几何模型,导致对位不准确。在本实施例中,将该部分区域作为边缘区域。边缘区域通常位于激光雷达难以直接覆设覆盖的部分,如附图3中基站两侧的位置。利用红外信号进行收发寻位,即使只能得到大致区域位置,但只进行边缘区域的定位并辅助合适的移动算法,完全可以弥补激光雷达定位的不足。本实施例将红外收发寻位运用到边缘位置进行对位,弥补了激光雷达寻位至边缘位置由于几何构型不佳而难以准确对位的问题。
根据清洁装置所处的区域,本实施例划定了如下四种情况进行分析:
一、若清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则清洁装置处于雷达区。此时直接根据清洁装置的激光雷达数据计算当前相对位姿,获取清洁装置从当前位置到达基站之间的回充路径即可。
二、若清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则清洁装置处于第一红外区或第二红外区,且清洁装置背对基站。该情况是由于第一红外发射模块或第二红外发射模块未处于清洁装置的红外接受区,即清洁装置背对基站上的第一红外发射模块或第二红外发射模块,导致无法实现红外信号的接收。此时,需要控制清洁装置原地旋转直至能接收到红外信号,原地旋转的目的是让清洁装置正对基站。
三、若清洁装置能接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则清洁装置处于第一红外区或第二红外区,且清洁装置正对基站。该情况是由于处于红外区,感知不到基站上的反光组件。此时需要将清洁装置由红外区移动到雷达区,再基于步骤102执行回充任务。
四、若清洁装置能接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则清洁装置处于第一红外区与雷达区的交界区域或第二红外区与雷达区的交界区域。该情况可直接执行步骤102,也可像情况三一样先移动至雷达区再执行步骤102。
根据激光雷达数据计算基站相对于清洁装置的当前相对位姿,计算过程具体包括:从激光雷达数据中检测出所有的直线;遍历检测出的每一条直线,并找出第一直线;分别对该第一直线上两组反射值大于预设阈值的连续点取中间点,得到第一点和第二点;以清洁装置上的激光雷达为原点、以清洁装置的前进方向作为x轴或y轴构建坐标系,计算第一点和第二点的坐标;以第一点和第二点所构成线段的中点作为目标位置,基于第一点和第二点的坐标计算目标位置的坐标;基于目标位置的坐标计算目标位置相对于清洁装置的方位角,方位角即表示姿态,坐标即表示位置,以此得到当前相对位姿。
需要说明的是,本实施例的方案是以清洁装置为原点构建坐标系,计算的是基站相对于清洁装置的位姿,事实上,无论是基站相对于清洁装置的位姿,还是清洁装置相对于基站的位姿,都可在得到其中一个的基础上经过转化得到另一个。
其中,第一直线上包括两组反射值大于预设阈值的连续点,在激光雷达数据中,第一反光组件和第二放光组件分别会表现为一系列反射值明显大于预设阈值的连续点。第一直线即为第一反光组件和第二反光组件在激光雷达数据中的连线。第一点即表示第一反光组件,第二点即为第二反光组件。
在说明书附图4中,第一点为A点,第二点为B点,A与B之间的中点即为目标位置。设激光雷达与第一点的距离为rA,激光雷达与第二点的距离为rB,以激光雷达坐标系为基准,计算A点坐标(xA,yA)和B点坐标(xB,yB)为:
xA=rAcos(θA)
yA=rAsin(θA)
xB=rBcos(θB)
yB=rBsin(θB)
其中,θA和θB如说明书附图5所示。附图5是在附图4的基础上,以清洁装置的前进方向作为x轴构建的激光雷达坐标系。
A点为第一反光组件的中点,B点为第二反光组件的中点,则A点与B点之间线段的中点即为基站的中点。在本实施例中,基站的中点即为目标位置,目标位置是基站上与清洁装置对位的位置,自动回充的过程就是将清洁装置移动到目标位置的过程。目标位置的坐标(x0,y0)为:
计算目标位置相对于清洁装置前进方向的方位角q为:
基于方位角和位置即可得出当前相对位姿ωO:
基于当前相对位姿规划在当前位置下清洁装置与基站之间的回充路线。
说明书附图5给出了以清洁装置的激光雷达为原点构建的坐标系。图5的坐标系是以清洁装置的前进方向为x轴构建的。其中,方位角q表示清洁装置前进方向与基站所在直线之间的夹角。由于清洁装置需要垂直进入基站,因此,ωO是在q的基础上补充90°,表示清洁装置当前的姿态与基站之间的关系,当前相对位姿ωO如附图5所示。
优选地,可根据第一红外发射模块和第二红外发射模块所发射红外信号的差异性,判断清洁装置位于第一红外区还是第二红外区。例如,第一红外发射模块和第二红外发射模块分别输出不同频率或不同强度的红外信号,便于进行区分。
基于当前相对位姿和目标点位姿规划移动方案,输出清洁装置移动的线速度和角速度,即可实现清洁装置从雷达区到达基站的过程。基本原理为:先经过全局路径规划规划出一条大致可行的路线,然后调用局部路径规划器根据这条路线及costmap的信息规划出机器人在局部时做出具体行动策略。
可通过DWA方法或曲率计算进行路径规划。DWA算法全称为dynamic windowapproach,其原理主要是在速度空间(v,w)中采样多组速度,并模拟这些速度在一定时间内的运动轨迹,再通过一个评价函数对这些轨迹打分,最优的速度被选择出来发送给下位机。
本实施例提供了一种回充路径的规划方案,具体包括:确定基站上用于对位清洁装置的目标位置;在目标位置正前方、距离为d处设定当前目标点;规划清洁装置从当前位置到当前目标点的第一移动方案,控制清洁装置执行该第一移动方案;当执行完第一移动方案后,判断清洁装置是否与基站完成对位;若否,则在目标位置正前方、距离为a*d处重新设定当前目标点,重新计算基站相对于清洁装置的当前相对位姿;其中,0<a<1。方案流程如说明书附图5所示。优选地,a=0.8。该移动方案通过逐渐逼近的方法,得到最合适的距离d。初始设定的距离为d,第二次设定的距离为a*d,第三次设定的距离为a2*d,依次类推,逐渐缩小当前位置与当前目标点之间的距离,直至实现对位。
本实施例提供了一种清洁装置的回充定位方法,通过红外收发寻位和雷达激光寻位相结合,实现清洁装置与基站的对位,准确率高、对位精度高,且基本能够覆盖基站的各个区域。将雷达激光寻位作为主要的对位手段,辅助以红外收发寻位进行边缘位置对位,弥补了激光雷达寻位至边缘位置由于几何构型不佳而难以准确对位的问题。
实施例2
本实施例提供了一种清洁系统,该清洁系统可用于实现实施例1的一种清洁装置的回充定位方法。具体方案如下:
一种清洁系统,包括:
清洁装置1,搭载有激光雷达11和红外接收模块12。如说明书附图2所示。
基站2,搭载有第一红外发射模块21、第二红外发射模块22、第一反光组件23和第二反光组件24,第一反光组件23和第二反光组件24都位于第一红外发射模块21和第二红外发射模块22之间,结构如说明书附图3所示。
第一红外发射模块21所发射红外信号的辐射区域构成第一红外区,第二红外发射模块22所发射红外信号的辐射区域构成第二红外区。
红外接收模块12以预设红外接收区接收红外信号,且红外接收区朝向清洁装置的移动方向;当第一红外发射模块21位于红外接收区,且红外接收模块12位于第一红外区时,清洁装置可接收来自第一红外发射模块21的红外信号;当第二红外发射模块22位于红外接收区,且红外接收模块12位于第二红外区时,清洁装置可接收来自第二红外发射模块22的红外信号。
第一红外区和第二红外区之间预设有雷达区;激光雷达11在雷达区可感知到第一反光组件23和第二反光组件24,以实现清洁装置1对基站2位置的感知。
本实施例提供了一种清洁系统,能够实现实施例1的回充定位方法。
本发明提供了一种清洁装置的回充定位方法及清洁系统,通过红外收发寻位和雷达激光寻位相结合,实现清洁装置与基站的对位,准确率高、对位精度高,且基本能够覆盖基站的各个区域。将雷达激光寻位作为主要的对位手段,辅助以红外收发寻位进行边缘位置对位,弥补了激光雷达寻位至边缘位置由于几何构型不佳而难以准确对位的问题。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中,也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。
Claims (8)
1.一种清洁装置的回充定位方法,其特征在于,所述方法包括:
通过清洁装置接收来自基站的红外信号,并基于激光雷达感知基站位置;
在清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置的情况下:获取激光雷达数据;基于所述激光雷达数据计算所述清洁装置与所述基站之间的当前相对位姿;基于所述当前相对位姿规划在当前位置下所述清洁装置与所述基站之间的回充路线;
在清洁装置能接收到红外信号的情况下:控制所述清洁装置以预设方向原地旋转预设角度;旋转完毕后,使所述清洁装置沿当前方向直行,直至所述清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置;
在清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置的情况下:控制所述清洁装置原地旋转,直至所述清洁装置能够接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置。
2.根据权利要求1所述的回充定位方法,其特征在于,以基站为基准划定第一红外区、第二红外区和雷达区,所述第一红外区和所述第二红外区分别位于所述雷达区两侧;
若清洁装置无法接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述雷达区;
若清洁装置无法接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区或所述第二红外区,且所述清洁装置背对所述基站;
若清洁装置能接收到红外信号、且无法通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区或所述第二红外区,且所述清洁装置正对所述基站;
若清洁装置能接收到红外信号、且能通过激光雷达感知到基站位置,则所述清洁装置处于所述第一红外区与所述雷达区的交界区域或所述第二红外区与所述雷达区的交界区域。
3.根据权利要求2所述的回充定位方法,其特征在于,在基站的第一端设置第一红外发射模块,在基站的第二端设定第二红外发射模块;
基于所述第一红外发射模块所发射红外信号的辐射区域设定第一红外区,基于所述第二红外发射模块所发射红外信号的辐射区域设定第二红外区;
于所述第一红外区和所述第二红外区之间的区域设定雷达区。
4.根据权利要求1所述的回充定位方法,其特征在于,所述当前相对位姿的计算具体包括:
从激光雷达数据中检测出所有的直线;
遍历检测出的每一条直线,并找出第一直线,所述第一直线上包括两组反射值大于预设阈值的连续点;
分别对两组反射值大于预设阈值的连续点取中间点,得到第一点和第二点;
以清洁装置上的激光雷达为原点构建坐标系,计算所述第一点和所述第二点的坐标;
以所述第一点和所述第二点所构成线段的中点作为目标位置,基于所述第一点和所述第二点的坐标计算所述目标位置的坐标;
基于所述目标位置的坐标,计算得到所述目标位置相对于所述清洁装置的移动方向的方位角,得到当前相对位姿。
5.根据权利要求4所述的回充定位方法,其特征在于,所述当前相对位姿为:
其中,ωO为当前相对位姿,yA表示第一点的纵坐标,yB表示第二点的纵坐标,xA表示第一点的横坐标,xB表示第二点的横坐标。
6.根据权利要求1所述的回充定位方法,其特征在于,所述回充路线的规划包括:
确定所述基站上用于对位所述清洁装置的目标位置;
在所述目标位置正前方、距离为d处设定当前目标点;
规划清洁装置从当前位置到当前目标点的第一移动方案,控制所述清洁装置执行该第一移动方案;
当执行完第一移动方案后,判断清洁装置是否与基站完成对位;
若否,则在所述目标位置正前方、距离为a*d处重新设定当前目标点,重新计算预设基站相对于清洁装置的当前相对位姿;其中,0<a<1。
7.一种清洁系统,其特征在于,用于实现权利要求1-6任一项所述的一种清洁装置的回充定位方法,包括:
清洁装置,搭载有激光雷达和红外接收模块;
基站,搭载有第一红外发射模块、第二红外发射模块、第一反光组件和第二反光组件,所述第一反光组件和所述第二反光组件都位于所述第一红外发射模块和所述第二红外发射模块之间;
所述第一红外发射模块所发射红外信号的辐射区域构成第一红外区,所述第二红外发射模块所发射红外信号的辐射区域构成第二红外区;
所述第一红外区和所述第二红外区之间预设有雷达区;
所述激光雷达在所述雷达区可感知到所述第一反光组件和所述第二反光组件,以实现清洁装置感知基站位置。
8.根据权利要求7所述的清洁系统,其特征在于,所述红外接收模块以预设红外接收区接收红外信号,且所述红外接收区朝向清洁装置的移动方向;
当所述第一红外发射模块位于所述红外接收区,且所述红外接收模块位于所述第一红外区时,所述清洁装置可接收来自第一红外发射模块的红外信号;
当所述第二红外发射模块位于所述红外接收区,且所述红外接收模块位于所述第二红外区时,所述清洁装置可接收来自第二红外发射模块的红外信号。
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