CN1876336A - 使自行机器人自动返回到充电站的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了使自行机器人(300)自动地返回到充电站(100)的系统和方法。充电站(100)响应通过无线收发器(110)从机器人(300)接收的充电请求信号，通过红外模块(120)发射红外光，并根据红外光发射输出红外发射信号。自行机器人(300)与充电站(100)进行各类数据通信，当它的电池电平低于参考电平时，输出充电请求信号到充电站(100)，并响应来自充电站(100)的红外发射信号，使用从照相机模块(310)输入的图像信息移动回到充电站(100)。机器人(300)包括微处理器(360)，如果在从照相机模块(310)输入的画面中检测到红外光，使用在从照相机模块(310)输入的画面中的红外光的位置信息，控制机器人(300)的移动以便返回到充电站(100)。

Description

使自行机器人自动返回到充电站的系统和方法
技术领域
本发明涉及自行机器人，尤其涉及使自行机器人自动地返回到充电站的系统和方法，其中通过充电站上提供的红外模块的红外图像信息，自行机器人能快速的和准确的返回到充电站，该红外图像信息已经从自行机器人上提供的照相机模块被输入。
背景技术
已经开发机器人用于工业目的并作为工厂自动化的一部分。此外，已经用机器人代替人来在人们不能进入的极端环境中收集信息。随着应用到最先进的空间开发工业领域，机器人技术已经被快速地发展。近来，甚至已经开发了与人友善的家庭机器人。与人友善的家庭机器人的一个典型例子是自行清洁机器人。
自行清洁机器人是这样一种设备，吸收灰尘或杂质粒子，同时在如住宅或办公室的特定清洁区域内自动地移动。除了吸收灰尘或其它杂质粒子的普通真空清洁器的部件外，自行清洁机器人包括：用于移动机器人的推进单元；许多检测传感器，用于检测各种障碍物以便机器人移动时不与清洁区域内的障碍物碰撞；用于对机器人的每个部件供电的电池；和微处理器，用于控制机器人的每个部件。
利用检测传感器，清洁机器人确定到各类障碍物比如清洁区域中的家具和墙壁的距离，并打扫清洁区域，同时使用确定的信息移动而不会与障碍物碰撞。
近来，已经引入了一种自行清洁机器人，具有照相机模块以检测清洁区域的位置，以便打扫清洁区域而不忽略它的任何部分。
这种自行机器人不仅能检测它自身的位置而且通过照相模块捕获的周围图像能获得清洁区域的精确信息，以便能更精确的打扫清洁区域而不忽略它的任何部分。
另一方面，当通过上述的电池驱动自行清洁机器人时，出于对用户的方便性，它具有自动电池充电功能。通过自动充电功能，自行机器人检测它的电池电平，而且，如果电池电平低于参考电平，自行机器人自动地返回到清洁区域中特定位置上提供的充电站，并通过充电站对电池充满电后恢复清洁操作。
在使自行清洁机器人自动地返回到充电站常规的方法中，自行机器人通过使用自行机器人上提供的红外传感器，来检测从充电站上提供的红外发射器发射的红外光，以确定充电站的位置，以便返回到充电站。
然而，在常规的方法中，自行机器人上提供的红外传感器要花费很长时间来检测从红外发射器所发射的红外光，这是由于红外传感器不仅具有较窄的光接收范围，而且当自行机器人距离红外发射器大于特定距离时不能检测到红外信号。如果花费长时间来检测从红外发射器发射的红外光，电池会放电，而且自行机器人会在回到充电站的路上停止。
发明内容
因此，本发明针对上述问题，而且本发明的目的是提供使自行机器人自动地返回到充电站的系统和方法，其中自行机器人基于充电站上提供的红外模块的红外图像信息，快速地检测充电站的位置，该红外图像信息已经从自行机器人上提供的照相机模块被输入，由此允许自行机器人更快速和准确的返回到充电站。
根据本发明，通过提供一种系统来实现上述的和其他的目的，该系统：包括自行机器人和充电站，用于使自行机器人自动地返回到充电站，其中充电站从红外模块发射红外光以响应通过无线收发器从自行机器人接收的充电请求信号，和根据红外光的发射输出红外发射信号，并且自行机器人与充电站通信各种数据，当自行机器人的电池电压低于参考电压时，输出充电请求信号到充电站，和响应从充电站接收的红外发射信号，使用从照相机模块输入的图像信息移动回到充电站，该照相机模块捕获从镜头输入的图像，并且自行机器人还包括微处理器，如果在从照相机模块输入的画面中检测到红外光，使用从照相机模块输入的画面中的红外光的位置信息，控制自行机器人的移动以使自行机器人返回到充电站。
在根据本发明的使自行机器人自动地返回到充电站的系统和方法中，基于从自行机器人上提供的照相机模块输入的红外光图像信息来检测充电站的位置，而不使用已经常规用于使自行机器人返回到充电站的单独安装的红外线或超声波传感器。这使自行机器人更快速的返回到充电站。
附图说明
通过下面结合参考附图的详细描述，本发明的上述和其他的目的、特点和其他的优点将更加显而易见，其中：
图1是根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统的示意方框图；和
图2是根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的方法的流程图。
具体实施方式
现在，将结合参考附图详细描述本发明的优选实施例，以便本领域技术人员容易地理解和实现本发明。
在下述中，本发明中的自行机器人被示例为清洁机器人。然而，不限于清洁机器人，本发明中的自行机器人包括任何机器人，当它的电池几乎被耗尽时自动地返回到充电站，并在充满电后被启动。
图1是根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统的示意方框图。
如图1所示，根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统主要包括充电站100和自行机器人300。当需要充电自行机器人300时，充电站100诱导自行机器人300返回到充电站100，和当它已经返回到充电站100时，对自行机器人300供电。自行机器人300根据来自用户的命令执行清洁操作，同时使用从照相机模块输入的周围图像信息在特定区域内移动。
根据本发明的自动化机器人返回系统的充电站100发送数据到自行机器人300和从自行机器人300接收数据，并诱导自行机器人返回到充电站100。如图1所示，充电站100包括：无线收发器110，用于无线地发送数据到自行机器人300和从自行机器人300接收数据；和红外模块120，用于发射红外光。尽管图中未显示，充电站100还包括电源端，当自行机器人300已经停靠于充电站100时，通过电源端向自行机器人300供电。
在该实施例中，无线收发器110通过其是无线局域通信模块的蓝牙模块、无线LAN模块和Zigbee模块的其中之一，发送和接收无线信号。在另一个实施例中，可以根据使用红外信号的红外通信方案实现无线收发器110。在此情况下，充电站100通过红外模块120执行与自行机器人300的数据通信，红外模块120包括红外发射器，用于把给定的信号调制成红外光并发射红外光，和红外接收器，用于解调所接收的红外光。
红外模块120响应通过无线收发器110从自行机器人300接收的充电请求信号，驱动光发射元件来发射红外光。当红外模块120通过光发射元件发射红外光时，充电站100通过无线收发器110发送表示光发射元件的操作状态的红外发射信号到自行机器人300。
换句话说，在本发明的实施例中，基于通过无线收发器110接收充电请求信号，如上配置的充电站100启动红外模块120来发射红外光以诱导自行机器人300返回到充电站100，并且还通过无线收发器110发送表示红外发射状态的红外发射信号到自行机器人300。
现在将给出自行机器人的描述，其是根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统的一个组件，并根据如上述配制的充电站的操作状态控制其移动。
根据本发明实施例的自行机器人300包括照相机模块310，存储器320，电池330，电池计量器340，无线收发器350，微处理器360，和马达驱动单元370。照相机模块310捕获通过镜头接收的图像。存储器320存储用于自行机器人300操作的操作程序和从照相机模块310输入的图像信息。电池330对自行机器人300的每个部件供电。电池计量器340测量电池330的电压电平。无线收发器350发送数据到充电站100和从充电站100接收数据。微处理器360控制自行机器人300的每个部件。
照相机模块310捕获自行机器人300移动时前面的各类图像。尽管图中未显示，照相机模块310包括透镜系统，成像单元，变换单元，和照相机模块控制器。成像单元把来自透镜系统的光学信号变换成模拟电信号。变换单元处理并把从成像单元输出的信号变换成具有适于输入到微处理器360的格式的数字信号。照相机模块控制器控制照相机模块的整体操作。具有这些部件的照相机模块在现有技术中是公知的，因此在此省略它的详细描述。
随着根据本发明的自行机器人300的移动，自行机器人通过照相机模块310捕获周围图像。利用捕获的图像信息，自行机器人300能更准确地确定是否存在障碍物。照相机模块310被安装在自行机器人300的前部，优选在与上述的充电站100上设置的红外模块120的光发射元件的相同的高度上。
如上所述，在根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统中，自行机器人300移动，同时通过照相机模块310捕获周围图像，而且，利用捕获的图像信息，自行机器人300不仅能当它处于移动时更准确地确定是否存在障碍物，而且通过检测从红外模块120发射的红外光的方向能返回到充电站100。
存储320，由非易失性存储器比如EEPROM或闪存构成，其存储用于自行机器人操作的操作程序。此外，存储器320还存储执行清洁所需的最小的电池信息，例如，电池的参考电压电平。存储器320还存储由照相机模块310捕获的各类型的图像信息。微处理器360控制对存储在存储器320中的数据的访问。
电池计量器340测量嵌入在自行机器人300中的电池330的电压。特别的是，电池计量器340通过特定的电阻比率划分从电池330输出的电压，并测量和输出划分的电压到微处理器360。
微处理器360根据从电池计量器340接收的所测量的电压电平，在电池电平指示条上显示当前的电池电平。
无线收发器350进行与充电站100的无线收发器110的数据通信。在本发明一个实施例中，无线收发器350通过其是无线局域通信模块的蓝牙模块、无线LAN模块和Zigbee模块的其中之一，发送和接收无线信号。
在另一个实施例中，可以根据使用红外信号的红外通信方案来实现无线收发器350。在该实施例中，如上所述，充电站100通过红外模块120与自行机器人300进行数据通信，该红外模块120包括：红外发射器，用于把给定的信号调制成红外光并发射红外光；和红外接收器，用于解调接收的红外光。而且自行机器人300通过相应于充电站100的红外模块120的红外通信模块发送和接收各类数据。具体地，自行机器人300的红外通信模块包括：红外发射器，用于把给定的信号调制成红外光并发射红外光；和红外接收器，用于解调所接收的红外光。这种红外通信是现有技术所公知的，因而在此省略它的详细描述。
马达驱动单元370根据从微处理器360接收的马达驱动信号(即移动控制信号)来驱动连接到左轮和右轮的左轮马达和右轮马达。
根据本发明实施例的自行机器人300的微处理器360基于存储在存储器320中的操作程序数据，控制自行机器人300的整体操作。根据本发明的一个方面，微处理器360参考从通过照相机模块310输入的图像信息中所获得的红外光位置信息，来控制自行机器人300的移动以返回到充电站100。
具体地，根据本发明的微处理器360包括充电控制器361，图像处理器362，位置计算器363，和移动控制器364，如图1所示。
当从电池计量器340接收的自行机器人电池电压低于参考电压时，充电控制器361输出充电请求信号到无线收发器350，请求充电站100对电池充电。当响应充电请求信号通过无线收发器350接收红外发射信号时，充电控制器361控制马达驱动单元370以便自行机器人300根据预置的移动算法在周围区域中移动以搜索从充电站100发射的红外光。
如上所述，根据充电控制器361的控制信号，自行机器人300捕获周围图像，同时在周围区域中移动以搜索红外光。
图像处理器362在存储器320中存储从照相机模块310接收的画面，并比较存储器320中先前存储的画面的图像信息与从照相机模块310输入的当前画面的图像信息，以检测从充电站100的红外模块120发射的红外光。
具体地，在本发明的实施例中，根据自行机器人300的操作程序数据，基于从照相机模块310输入的捕获的画面的图像信息(例如，色彩或亮度信息)之间的差，图像处理器362检测从安装在充电站100上的红外模块120发射的红外光。更为具体地，当本发明实施例中的照相机模块捕获包括上述的红外图像的画面时，由于该红外图像，画面在色彩或亮度上从先前的画面改变，因此图像处理器362检测色彩或亮度变化。
当图像处理器362检测捕获的画面中的红外光时，位置计算器363计算捕获的画面中的红外光的位置。例如，位置计算器363计算从捕获的画面的中心到检测的红外图像的中心的方向。
基于从位置计算器363输出的位置信息，自行机器人300中的微处理器360通过移动控制器364输出控制信号到左/右轮马达驱动单元370，以便自行机器人300根据控制信号移动。
在本发明实施例中，基于从位置计算器363输入的红外光位置信息，移动控制器364输出移动控制信号，以允许红外光的位置被定位在捕获画面的中心上，即在镜头的中心上。
每次根据本发明的自行机器人300移动特定的距离，自行机器人300比较存储在存储器320中先前的画面的图像信息与从照相机模块310输入的当前画面的图像信息，并基于通过比较获得的红外光位置信息，通过移动控制器361将用于自行机器人300的移动控制信号输出到马达驱动单元370，以允许红外光的位置被定位在画面的中心。
根据本发明的使自行机器人自动地返回到充电站的系统，使用从照相机模块310捕获的画面中获得的红外光位置信息，可以容易地检测充电站100的位置，因此自行机器人300可以更快速地返回到充电站100。
根据本发明的系统利用安装在自行机器人上的普通照相机模块可以检测红外光的事实。相比于已经常规地用于使自行机器人自动地返回到充电站的红外或超声波传感器来说，即使当充电站远离时，普通照相机模块可以容易地检测从充电站发射的红外光，这是由于普通照相机模块具有宽的光接收范围(即，通过镜头输入到照相机模块的图像的宽的图像捕获范围)。
如上所述，当从照相机模块输入的所捕获的画面中检测到红外光时，计算在捕获的画面中红外光的位置，并基于计算的红外光的位置来控制自行机器人的移动，因此自行机器人能更快速地返回到充电站。
现在，将结合参考图1和2描述根据本发明的使自行机器人自动地返回充电站的方法。
图2是根据本发明的使自行机器人自动地返回到充电站的方法流程图。如图1和2所示，根据本发明的自行机器人300按照来自用户的命令在特定的区域内执行清洁操作(S100)。当执行清洁操作时，自行机器人300通过电池计量器340以特定的时间间隔测量电池电平(S110)。
当从电池计量器340接收的电池电平低于存储器320中设置的参考电平时(S120)，自行机器人300中的微处理器360切换到充电模式(即返回模式)，以使自行机器人300返回到充电站100。然而，如果从电池计量器340接收的电池电平高于存储器320中设置的参考电平，微处理器360返回到步骤S100，以根据用户命令执行清洁操作。
当从电池计量器340接收的电池电平低于存储器320中设置的参考电平，使得微处理器360切换到充电模式时，自行机器人300中的微处理器360通过充电控制器361输出充电请求信号到充电站100(S130)。响应于通过无线收发器350从充电站100接收的红外发射信号，自行机器人300根据存储在存储器320中的移动算法在特定区域内移动来搜索红外光，以搜索充电站100(S140和S150)。可以使用其是无线局域通信模块的蓝牙模块、无线LAN模块和Zigbee模块的其中之一，来进行充电站100和自行机器人300之间的数据通信，也可以使用红外光来执行。
当根据从充电站100发送的红外发射信号进行移动来搜索充电站100时，自行机器人300获得通过照相机模块310输入的周围区域的画面，并在存储器320中存储所获得的画面(S160)。
微处理器360接着从照相机模块310输入的画面中检测从充电站100的红外模块120所发射的红外光(S170)。具体的，在本发明实施例中，自行机器人300的微处理器360通过图像处理器362，比较存储器中存储的先前图像与从照相机模块310输入的当前画面的图像信息，以检测从充电站100的红外模块120发射的红外光。
当照相机模块310捕获包括从充电站100的红外模块120发射的红外光的任何部分图像的画面时，存储在存储器320中的先前画面的色彩或亮度信息(或值)，不同于包括从照相机模块310输入的红外图像的所捕获的画面的色彩或亮度信息，从而自行机器人300的图像处理器362基于该差别检测红外光。
如果图像处理器362通过先前的和输入的画面之间的比较没有检测到红外光，自行机器人300返回到步骤S150来移动搜索充电站100。另一方面，如果图像处理器362在步骤S170检测到红外光，自行机器人300的微处理器360通过位置计算器363计算在捕获的画面中红外图像的位置(S180)。例如，位置计算器363计算从捕获的画面的中心到红外图像的中心的方向。
此后，自行机器人300的微处理器360通过移动控制器364输出移动控制信号到马达驱动单元370，以使计算的红外图像的位置定位在通过镜头输入的画面的中央(S190)。
具体地，每次根据本发明的自行机器人300移动特定的距离，自行机器人300比较存储器320中存储的先前画面的图像信息与从照相机模块310输入的当前画面的图像信息，并基于通过比较所获得的红外光位置信息，通过移动控制器361输出用与自行机器人300的移动控制信号到马达驱动单元370，以使红外光定位在画面的中央。
从上述可见，在根据本发明的用于使自行机器人自动地返回到充电站的系统和方法中，基于从自行机器人上提供的照相机模块所输入的红外光图像信息来检测充电站的位置，而不使用已经常规用于使自行机器人返回到充电站的所单独安装的红外线或超声波传感器。这就使得自行机器人更快速地返回到充电站。
根据本发明的系统利用安装在自行机器人上的普通照相机模块可以检测红外光的事实。相比于已经常规的用于使自行机器人自动地返回到充电站的红外或超声波传感器来说，即使当充电站远离时，普通照相机模块可以容易地检测从充电站发射的红外光，这是由于普通照相机模块具有宽的光接收范围(即，通过镜头输入到照相机模块的图像的宽的图像捕获范围)。
当在从照相机模块输入的所捕获的画面中检测到红外光时，基于在捕获的画面中红外光的位置，控制自行机器人的移动，以使自行机器人可以更快速地返回到充电站。
尽管出于示例的目的已经公开了本发明的优选实施例，但本领域技术人员应该清楚，在不脱离所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、添加和替换是可能的。

Claims (16)

1.一种使自行机器人(300)自动地返回到充电站的系统，该系统包括：
充电站(100)，其包括红外模块(120)，用于响应通过无线收发器(110)从自行机器人(300)接收的充电请求信号发射红外光，并根据红外光的发射来输出红外发射信号；和
自行机器人(300)，当该自行机器人(300)的电池电压低于参考电压时，输出充电请求信号到充电站(100)，并响应从充电站(100)接收的红外发射信号，使用从照相机模块(310)输入的图像信息，移动回到充电站(100)，该自行机器人(300)包括微处理器(360)，用于如果在从照相机模块(310)输入的画面中检测到红外光，利用在从照相机模块(310)输入的画面中红外光的位置信息，控制自行机器人(300)的移动以使自行机器人(300)返回到充电站(100)。
2.根据权利要求1的系统，其中该微处理器(360)包括：
充电控制器(361)，用于在自行机器人(300)的电池电压低于参考电压时，通过无线收发器(350)输出充电请求信号到充电站(100)，并响应从充电站(100)接收的红外发射信号，控制自行机器人(300)的移动以搜索充电站(100)；
图像处理器(362)，用于在存储器(320)中存储从照相机模块(310)输入的画面，并将存储在存储器(320)中的先前的画面的图像信息与从照相机模块(310)输入的画面的图像信息进行比较，以检测从充电站(100)的红外模块(120)发射的红外光，先前的画面和输入的画面的图像信息包括其色彩或亮度信息；
位置计算器(363)，用于当图像处理器(362)检测红外光时，获得在从照相机模块(310)输入的画面中红外光的位置信息；和
移动控制器(364)，用于基于从位置计算器(363)输入的红外光位置信息，输出移动控制信号，以使红外光的位置定位在从照相机输入的画面的中心。
3.根据权利要求2的系统，其中使用蓝牙模块、无线LAN模块和Zigbee模块的其中之一，来执行充电站(100)和自行机器人(300)之间的无线数据通信。
4.根据权利要求2的系统，其中使用红外光来执行充电站(100)和自行机器人(300)之间的无线数据通信。
5.一种使自行机器人(300)自动地返回到充电站(100)的系统，该系统包括：
充电站(100)，其能够与自行机器人(300)进行数据通信，并发射红外信号；和
自行机器人(300)，其能够与充电站(100)进行数据通信，从外部接收图像信息，比较先前存储的图像信息和输入的图像信息，和计算发射红外光的充电站(100)的位置，并当从输入图像信息中检测到红外信号时返回到充电站(100)。
6.根据权利要求5的系统，其中该充电站(100)包括：
无线收发器(110)，用于执行与自行机器人(300)的无线数据通信；和
红外模块(120)，用于根据经无线收发器(110)从自行机器人(300)接收充电请求信号，驱动光发射元件以发射红外光。
7.根据权利要求6的系统，其中该自行机器人(300)包括：
马达驱动单元(370)，用于控制驱动马达以驱动至少一个车轮；
电池计量器(340)，用于通过确定的电阻比率划分提供给电池(330)的电压，测量划分的电压，并输出测量的电平；
无线收发器(350)，用于执行与充电站(100)的无线数据通信；
照相机模块(310)，用于捕获从外部接收的图像；
存储器(320)，用于存储用于自行机器人(300)操作的操作程序和从照相机模块(310)输入的图像信息；和
微处理器(360)，用于控制自行机器人(300)的操作以控制电池(330)的充电，控制与充电站(100)的无线数据通信，处理输入的图像，计算充电站(100)的位置和控制自行机器人(300)的移动。
8.根据权利要求7的系统，其中该微处理器(360)包括：
充电控制器(361)，用于当从电池计量器(340)输入的测量电平低于参考电平时，产生和输出充电请求信号以请求对电池(330)充电；
图像处理器(362)，用于在存储器(320)中存储从照相机模块(310)输入的图像信息，和比较先前存储的图像信息和输入的图像信息，以检测是否存在红外信号，并输出该检测；
位置计算器(363)，用于当图像处理器(362)检测到在图像信息中包括红外信号时，从图像信息中计算红外光发射位置，并输出该红外光位置信息；和
移动控制器(364)，用于基于从位置计算器(363)输出的位置信息，来将控制信号输出到马达驱动单元(370)，以使自行机器人(300)返回到充电站(100)。
9.根据权利要求8的系统，其中该图像处理器(362)基于先前存储的图像信息的色彩或亮度信息与从照相机模块(310)输入的图像信息的色彩或亮度信息之间的差，来检测是否存在红外信号。
10.根据权利要求8或9的系统，其中该位置计算器(363)计算从其中检测到红外图像的捕获的画面的中心到该红外图像的中心的方向，和
其中该移动控制器(364)使用从位置计算器(363)输入的红外光位置信息，来输出移动控制信号，以使在捕获的画面中红外光的位置定位在捕获的画面的中心。
11.根据权利要求8或9的系统，其中该微处理器(360)响应来自充电控制器(361)的充电请求信号，通过无线收发器(350)发送充电请求信号到充电站(100)，并基于从充电站(100)接收红外发射信号，输出用于搜索充电站(100)的移动控制信号到移动控制器(364)。
12.根据权利要求11的系统，其中该移动控制器(364)根据接收用于搜索充电站(100)的移动控制信号，允许自行机器人(300)按照存储在存储器(320)中的移动算法，在特定区域内移动来搜索充电站(100)。
13.根据权利要求7至9的任一权利要求的系统，其中该照相机模块(310)位于与红外模块(120)的光发射元件相同的高度上。
14.一种使自行机器人(300)自动地返回到充电站(100)的方法，该方法包括：
当测量电池电平低于参考电压电平时，发送充电请求信号到充电站(100)；
响应来自充电站(100)的红外发射信号，开始自行机器人(300)的移动以搜索充电站(100)，并存储通过照相机模块(310)输入的图像信息；
在经照相机模块(310)输入的图像信息中检测从充电站(100)发射的红外光；和
当在该图像信息中检测到红外光时，从该图像信息计算红外光的位置，并输出移动控制信号以使自行机器人(300)返回到充电站(100)。
15.根据权利要求14的方法，其中检测红外光包括，将先前存储的图像信息的色彩或亮度信息与从照相机模块(310)输入的图像信息的色彩或亮度信息进行比较，以检测是否存在红外信号。
16.根据权利要求14或15的方法，其中输出移动控制信号以使自行机器人(300)返回到充电站(100)包括：
利用输入的红外光位置信息输出移动控制信号，以使在捕获的画面中红外光的位置位于捕获的画面的中心。
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