CN116113904A - 具有自行式清洁机器人和充电站的清洁系统以及清洁机器人移动到充电站的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及清洁系统(1)，其具有自行式清洁机器人(2)和充电站(3)，充电站具有参考标记(4)，而清洁机器人(2)具有光学检测装置(5)，清洁机器人通过该光学检测装置检测参考标记(4)，其中清洁机器人(2)具有计算机装置(6)，计算机装置与检测装置(5)和用于控制所述清洁机器人(2)的控制装置(7)通信连接。在此对于本发明重要的是，该计算机装置(6)取决于距离以及取决于检测地通过方向梯度直方图(HOG)以及通过参考标记(4)来控制清洁机器人(2)到充电站(3)的移动过程。由此可以为了经改进的导航而结合使用HOG方法和参考标记方法。

Description

具有自行式清洁机器人和充电站的清洁系统以及清洁机器人移动到充电站的方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的具有自行式清洁机器人和充电站的清洁系统。本发明此外涉及用于将自行式清洁机器人移动到这种清洁系统的充电站的方法。

背景技术

已知的清洁系统通常具有自行式的，即自主的清洁机器人，例如吸尘机器人，和充电站，清洁机器人临时驶入所述充电站或在那里对接以便为其电池充电。

从US 2016/0091899A1中已知具有自行式清洁机器人和用于为清洁机器人的电池充电的充电站的这种清洁系统，其中充电站具有可见地布置的参考标记并且清洁机器人具有光学检测装置，清洁机器人可以通过所述光学检测装置检测到这些参考标记。清洁机器人还具有与检测装置和控制装置通信连接的计算机装置，所述控制装置用于控制清洁机器人的、例如驱动装置的移动过程，并且所述计算机装置能够获得由光学检测装置提供的两个参考标记的图像，并且这样控制所述控制装置或清洁机器人的驱动系统，使得其基于所接收图像中两个参考标记的表示与第一和第二参考标记间的预定相对距离之间的差异而行驶到充电站。因此经由用于检测两个参考标记的基于摄像机的检测装置来驶向充电站。

EP 3185096A1中公开了一种用于自主清洁设备的充电站，其包括带有电源接口的站主体。电源接口布置在站主体的侧面，以便为自主清洁设备供应能量。还设置了一种标识结构，该标识结构也布置在站主体的侧面并且可以通过自主清洁设备上的检测装置识别出电源接口的位置并且相应地操控自主清洁设备。在此，标识结构包括至少一个凸起和至少一个凹陷，它们形成表面结构，当光入射时，该表面结构能够实现反射光的不同强度并由此实现标识。这也使得自主清洁设备、例如自行式清洁机器人可以驶向充电站。

从US 8，749，196B2中已知由自主机器人、充电站和用于控制机器人的移动和运行的导航控制系统构成的组合。在充电站处设置用于向机器人投射信号的信号发射器。机器人具有至少一个信号检测器，其设计用于检测由充电站的发射器投射的至少一个红外对接信号，其中为此而在使用充电站和/或墙壁和大型物体作为参考点的情况下使用空间映射程序。

现有技术中已知的清洁系统或充电站的缺点在于，它们不仅结构相对较大和技术复杂并因此昂贵，而且如果不存在清洁机器人与充电站之间的视觉或信号连接的话则还存在由清洁机器人找到充电站方面的困难性。

发明内容

因此，本发明致力于如下问题：针对这种类型的清洁系统而说明一种经改进的或至少替代性的实施方式，其尤其是克服了现有技术中已知的缺点并且特别是使得自主清洁机器人能够以经改进的方式找到充电站。

根据本发明，该问题由独立权利要求1的主题解决。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

本发明基于的共同思想在于，说明一种具有充电站和自主的、也即自行式的清洁机器人的清洁系统，其有助于使用两种不同的方法，即所谓的HOG方法(方向梯度直方图)和参考标记方法(基准标记)来自主找到充电站。因此，根据本发明的清洁系统首次将这两种方法结合起来，从而产生了充电站本身可以构造得更紧凑且更不显眼的巨大优点，并且因此使得即使在清洁机器人如此远离充电站、例如在要清洁的寓所的另一个房间里以至于不存在与充电站的直接视线接触并且因此没有直接的信号连接的情况下清洁机器人也能找到充电站。因此，根据本发明的清洁系统具有上述自行式清洁机器人和用于为清洁机器人的电池充电的充电站，其中充电站具有可见地布置的参考标记，并且清洁机器人具有光学检测装置，清洁机器人通过所述光学检测装置可以检测到充电站侧的参考标记和周围环境。此外，根据本发明的清洁机器人具有计算机装置，例如微处理器，所述计算机装置与检测装置及控制装置通信连接以控制清洁机器人的移动过程。控制装置在此优选还包括驱动装置，清洁机器人通过该驱动装置被驱动。替代性地，当然也可以设想，控制装置与驱动装置仅仅是通信连接的。根据本发明，计算机装置现在被设计成，如果清洁机器人与充电站之间的距离大于预定义的距离或者清洁机器人的检测装置未检测到参考标记，则所述计算机装置通过上述HOG方法(方向梯度直方图)控制清洁机器人到充电站的移动过程。这例如是如下情况：清洁机器人距离其充电站太远，以至于其光学检测设备无法清楚地识别充电站侧的参考标记。当充电站和清洁机器人之间的距离大于3米时，这种状态是可以设想的，因为在此对于清洁机器人上的光学检测装置而言难以检测参考标记。此外，根据本发明的计算机装置被设计成，如果清洁机器人与充电站之间的距离小于或等于预定义的距离或者清洁机器人的检测装置检测到参考标记，则所述计算机装置通过参考标记控制清洁机器人到充电站的移动过程。因此，如果清洁机器人处于充电站周围附近，则只能通过参考标记方法使清洁机器人移动，而在充电站和清洁机器人之间的距离较大时根据本发明的清洁系统则首先使用HOG方法，直到清洁机器人移动到如此接近于充电站的位置，以至于可以通过充电站上的参考标记进行进一步导航。因此，根据本发明的清洁系统首次结合了两种不同的导航方法，用于使清洁机器人向相关联的充电站移动，并且由此使得充电站在结构上不那么复杂并且更小。通过HOG方法，还可以实现自学习效果，所述自学习效果使得能够在不同的角度、照明条件和到充电站的距离的情况下找到充电站。

参考标记适宜地具有至少两个图像和/或形状。这两个图像或形状在此可以以彼此间的预定义距离来布置，并形成边、线或点，这些边、线或点对于清洁机器人的光学检测装置而言是可清楚标识的，并且可以被计算机装置转换成对清洁机器人的控制装置或驱动装置的相应控制命令。参考标记或其图像和/或形状在此设计成，使得导航所需的固定点或线能够明确地并且容易地被检测装置检测到。然后，带有各个点的参考标记与由检测装置所检测的图像重叠，并用作测量单位或参考点。

参考标记适宜地具有三个并排布置的矩形，其中中间的矩形具有与旁边的这两个矩形不同的颜色和/或形状。在此情况下，特别可以设想的是，中间的矩形高7.5cm，宽8cm，而旁边的这两个矩形则都是边长为7.5cm的正方形。结果，可以使用参考标记上的总共八个固定点、即正方形矩形的相应角点以用于导航。为了容易找到或检测这些参考标记，中间的矩形也可以是白色的，而旁边的这两个矩形则是红色的。结果，以颜色来强调旁边的矩形的相应角点。

在根据本发明的解决方案的另一有利实施方式中，所述预定义距离d大约为3米。在本发明的开发过程中，已表明：用于可靠识别参考标记或用于可靠地将清洁机器人导航至充电站的最大距离约为3米。在该距离d内，对于光学检测装置、例如USB摄像机而言可以毫无问题地识别出参考标记的各个固定点或线/边并且仅通过它们就可以驶向充电站。在距离d大于3米的情况下，在某些情况下会出现困难，从而在这种情况下在本发明中使用根据本发明的HOG方法。通过所述HOG方法，可以创建一个特征分类器，所述特征分类器被构造用于识别图像处理中的对象并且由此生成包含参考标记的所谓感兴趣区域(ROI)。创建这样的特征分类器的情况下的最大挑战在于，所述特征分类器必须应对图像中关于充电站的照明、位置和遮挡的变化。为了实现这一点，有必要训练分类器，例如以不同的取向、背景、照明情况和充电站的不同遮挡来训练。

本发明还基于的共同思想在于，说明一种用于使自行式清洁机器人移动到前几段中描述的清洁系统的充电站的方法，在所述方法中，如果清洁机器人与充电站之间的距离大于预定义的距离d或者清洁机器人的检测装置未检测到参考标记，则所述计算机装置通过方向梯度直方图(HOG)控制清洁机器人到充电站的移动过程。如果清洁机器人与充电站之间的距离小于或等于预定义的距离d或者清洁机器人的检测装置通过光学检测装置检测到参考标记，则在所述检测装置方法中通过参考标记控制清洁机器人到充电站的移动过程。因此，根据本发明的方法使用取决于检测以及取决于距离而不同的导航方法，即一方面使用参考标记方法，而另一方面使用HOG方法。借助于根据本发明的方法，因此可以指明：精确且可靠地找到充电站，这同时是成本有效的并且使得充电站能够以结构空间优化和成本有效的方式被设计。

如果检测装置检测到参考标记，则计算机装置适宜地计算清洁机器人距参考标记的中心点的距离d、坐标和角度α。这可以例如通过将由检测装置所检测的图像与包含在其中的参考标记叠加来进行。通过距离d、坐标和角度a以及由此计算出的参考标记的中心点，可以通过计算机装置和与其通信连接的控制装置而使清洁机器人目标精确地驶到充电站。

适宜地，计算机装置在角度α≤10度的情况下使清洁机器人直接驶向充电站，因为在该区域中鉴于清洁机器人和充电站之间的d方面存在最佳值。调节器、例如比例调节器在接近充电站期间确保：在偏离上一段中检测的参考标记的中心点的情况下相应地采取纠正措施。因此，对由于测距传感器的测量误差而可能出现的机器人位置估计中的不准确性做出反应。这使得清洁机器人能够目标精确地驶向充电站。

对于大于10度的角度α，为了找到充电站，得出根据本发明的方法的如下另外有利实施方式：首先，在角度α≥10度时，计算机装置发动清洁机器人逆时针旋转角度β＝(90度-α)，并且然后使其移动距离d₁＝d×cos(β)。若清洁机器人移动了距离d₁，则计算机装置通过控制装置发动清洁机器人进一步以顺时针旋转90度，并且然后使其移动距离d₂＝d×sin(β)。在驶过距离d₂之后，清洁机器人通常已经到达相对于充电站更有利的位置，从而现在可以使用上述方法更好找到它。

在根据本发明的方法的另一有利实施方式中，如果清洁机器人距充电站的距离d小于100cm并且同时角度α大于10度，则计算机装置使清洁机器人向后移动。在距离d小于100cm，角度α小于10度时，清洁机器人可以直接驶到充电站，而当角度α＞10度时，清洁机器人先逆时针旋转，沿距离d1移动，然后顺时针旋转，并且与上段相对应地移动距离d₂。总而言之，通过根据本发明的方法能够以相对简单但可靠的方式找到充电站。

本发明的其他重要特征和优点由从属权利要求、附图和参考附图的相关附图描述得出。

应理解：上述特征和下文仍将解释的那些特征不仅可以以分别指定的组合的方式来应用，而且可以以其他组合或单独的方式来应用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的优选实施例在附图中示出并且在下面的描述中更详细地解释，其中相同的附图标记表示相同或相似的或功能相同的部件。在此，分别示意性地：

图1示出根据本发明的清洁系统，

图2示出带有参考标记的检测装置的可能实施方式，

图3示出了用于执行根据本发明的用于将自行式清洁机器人移向充电站的方法的流程图。

具体实施方式

根据图1，根据本发明的清洁系统1具有自行式的、即自主的清洁机器人2和充电站3。如果清洁机器人2在充电站3处对接并进行电接触，则清洁机器人2的蓄电池可在充电站3中被充电。充电站3具有可见地布置的参考标记4(也参照图2)，而清洁机器人2还具有光学检测装置5，例如摄像机。清洁机器人2可以通过检测装置5来不仅检测参考标记4而且检测清洁机器人2的周围环境，以便例如避开障碍物。除了检测装置5之外，清洁机器人2还具有与检测装置5和控制装置7通信连接的计算机装置6，例如计算机或微处理器，其中所述控制装置7用于控制清洁机器人2的移动过程。例如，控制命令通过控制装置7被传送到驱动装置，清洁机器人2通过该驱动装置被驱动。检测装置现在是计算机装置6，其被设计成，使得该计算机装置取决于距离以及取决于检测地借助于HOG方法(方向梯度直方图)和参考标记方法来执行清洁机器人2到充电站3的移动过程。因此，根据本发明，如果清洁机器人2与充电站3之间的距离d大于预定义的距离、例如大于3米，或者如果清洁机器人2的检测装置5未识别或检测到充电站3上的参考标记4，则所述计算机装置6通过HOG方法控制清洁机器人2到充电站3的移动过程。如果清洁机器人2与充电站3之间的距离小于或等于预定义的距离，例如小于或等于3米，或者如果清洁机器人2的检测装置5检测到参考标记4，则计算机装置6通过参考标记4控制清洁机器人2到充电站3的移动过程。因此，根据本发明的清洁系统1使用由HOG方法和参考标记方法所组合的方法来控制移动过程。

参考标记4例如可以具有两个图像8、8′(参照图2)和/或两个形状9、9′，它们彼此间隔开地布置。根据图2所示的参考标记4具有这三个并排布置的矩形10a、10b和10c，其中中间的矩形10b具有与旁边的这两个矩形10a和10c不同的颜色和形状。在图2的具体情况下，中间的矩形10b高7.5cm，宽8cm，而旁边的这两个矩形10a和10c分别是边长为7.5cm的正方形。此外，在所示的情况下，中间的矩形10b是白色的，而旁边的这两个矩形10a和10c是红色的。因此，根据图2所示的参考标记4在旁边的这两个矩形10a和10c处分别具有四个角点和四个边，它们使得能够在参考标记方法中进行明确的分配。

这种根据本发明的用于使自行式清洁机器人2移动到充电站3的方法例如根据图3被示出并在下面描述。

开始根据本发明的方法，接着检测装置5寻找参考标记4。如果检测装置例如因为到参考标记4的距离d、也即清洁机器人2和充电站3之间的距离d太大而没有识别出所述参考标记，则借助HOG方法检测到充电站3。如果借助HOG方法检测到充电站3，则确定并横穿感兴趣区域(ROI)，于是再次尝试使用光学检测装置5检测参考标记4。如果使用HOG方法无法检测到充电站3，则清洁机器人2来回旋转正/负120度，并重新尝试使用检测装置5检测参考标记4。

尤其是在清洁机器人2与充电站3之间有很大距离，例如大于3米的情况下，那么可发生最后提及的那些方法步骤。

如果借助清洁机器人2的检测装置5识别出参考标记4，则计算机装置6通过参考标记4控制清洁机器人2到充电站3的移动过程。这是如下情况：例如清洁机器人2与充电站3之间的距离小于或等于预定义的距离或检测装置5检测到参考标记4。

计算机装置6在检测到参考标记4后计算出距离d、清洁机器人2的坐标以及清洁机器人2与参考标记4的中心点M的夹角α。如果现在夹角α≤10度，则控制装置7通过调节器、例如比例调节器使清洁机器人2直接驶向充电站3，其方式在于，(比例)调节器如此移动清洁机器人2，使得参考标记的中心点M表示摄像机图像的预给定框的中心点。如果参考标记4的中心或中心点M不在检测装置5所检测的图像或图像框的框中心，则(比例)调节器通过校正清洁机器人2的运动方向来将参考标记4的中心调节到框中心。

若由计算机装置6计算出且由检测装置5检测到的角度α大于10度，则清洁机器人先逆时针旋转角度β＝(90度-α)，然后移动距离d₁＝d×cos(β)。这对应于图1中的点B。然后通过计算机装置5、控制装置7和驱动装置将清洁机器人2相反地、在当前情况下顺时针地旋转角度90度，并且然后使其移动距离d₂＝d×sin(β)。之后，清洁机器人2应该能够对接到充电站3。如果不是这种情况，则清洁机器人2必须重新对准或移动。

如果例如角度α＞10度并且同时距充电站3的距离d小于100cm，则清洁机器人2首先向后移动，以便能够可靠地执行上述方法步骤，并因此执行移动过程。

借助根据本发明的方法和根据本发明的清洁系统1，首次可以通过结合HOG方法和参考标记方法而实现清洁机器人2到充电站3的准确且可靠的移动，由此而可以实现：充电站3可以构造得总体上更紧凑并且可以更成本有效。此外，在较大距离的情况下或者在参考标记4没有被检测装置5直接检测到的情况下，也可以保证可靠的移动。在此当然清楚的是：HOG方法通过预给定或导入具有不同背景和照明情况或位置的充电站3的不同图像来增加自学习效果，并由此使清洁机器人2能够更好地找到充电站3。

附图标记列表

1 清洁系统

2 清洁机器人

3 充电站

4 参考标记

5 光学检测装置

6 计算机装置

7 控制装置

8 图像

9 形状

10 矩形

Claims (10)

1.一种清洁系统(1)，所述清洁系统具有自行式的清洁机器人(2)和充电站(3)，所述充电站用于为清洁机器人(2)的蓄电池充电，其中所述充电站(3)具有可见地布置的参考标记(4)并且所述清洁机器人(2)具有光学检测装置(5)，所述清洁机器人通过所述光学检测装置检测所述参考标记(4)和周围环境，其中所述清洁机器人(2)具有计算机装置(6)，所述计算机装置与所述检测装置(5)和控制装置(7)通信连接，其中所述控制装置用于控制所述清洁机器人(2)的移动过程，其特征在于，所述计算机装置(6)被设计成，

-如果所述清洁机器人(2)与所述充电站(3)之间的距离d大于预定义的距离或者所述检测装置(5)未检测到所述参考标记(4)，则所述计算机装置通过方向梯度直方图(HOG)控制所述清洁机器人(2)到所述充电站(3)的移动过程，

-如果所述清洁机器人(2)与所述充电站(3)之间的距离d小于或等于预定义的距离或者所述检测装置(5)检测到所述参考标记(4)，则所述计算机装置通过所述参考标记(4)控制所述清洁机器人(2)到所述充电站(3)的移动过程。

2.如权利要求1所述的清洁系统，其特征在于，所述参考标记(4)具有至少两个图像(8、8′)和/或形状(9，9′)。

3.如权利要求2所述的清洁系统，其特征在于，所述参考标记(4)具有三个并排布置的矩形(10a、10b、10c)，其中中间的矩形(10b)具有与旁边的两个矩形(10a，10c)不同的颜色和/或形状。

4.如权利要求3所述的清洁系统，其特征在于，所述中间的矩形(10b)高7.5cm且宽8cm，而旁边的两个矩形(10a，10c)为边长7.5cm的正方形和/或中间的矩形(10b)是白色的，而旁边的两个矩形(10a，10c)是红色的。

5.如前述权利要求中任一项所述的清洁系统，其特征在于，所述预定义的距离为3m。

6.用于将自行式清洁机器人(2)移动到如前述权利要求中任一项所述的清洁系统(1)的充电站(3)的方法，其中：

-如果所述清洁机器人(2)与所述充电站(3)之间的距离d大于清洁机器人(2)的预定义的距离或者所述清洁机器人(2)的所述检测装置(5)未检测到所述参考标记(4)，则所述计算机装置(6)通过方向梯度直方图(HOG)控制所述清洁机器人(2)到所述充电站(3)的移动过程，

-如果所述清洁机器人(2)与所述充电站(3)之间的距离d小于或等于预定义的距离或者所述清洁机器人(2)的所述检测装置(5)检测到所述参考标记(4)，则所述计算机装置(6)通过所述参考标记(4)控制所述清洁机器人(2)到所述充电站(3)的移动过程。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，如果所述检测装置(5)检测到所述参考标记(4)，则所述计算机装置(6)计算出所述清洁机器人(2)的距离d、坐标和相对于所述参考标记(4)的中心点(M)的角度α。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在角度α≤10°的情况下，所述计算机装置(6)通过比例调节器使所述清洁机器人(2)直接驶向所述充电站(3)，其方式在于，所述比例调节器如此移动所述清洁机器人(2)，使得所述参考标记(4)的中心点(M)构成所述检测装置(5)的预给定框的中心点。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在角度α＞10°的情况下，所述计算机装置(6)将所述清洁机器人(2)：

-逆时针旋转角度β＝(90°-α)并且然后移动距离d₁＝d×cos(β)。

-顺时针旋转角度90°并且然后移动距离d₂＝d×sin(β)。

10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，在角度α＞10°且与所述充电站(3)之间的距离d＜100cm的情况下，所述计算机装置(6)使所述清洁机器人(2)向后移动。

Images