CN207164586U - 一种扫地机器人导航系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型适用于扫地机器人技术领域，提供了一种扫地机器人导航系统，包括扫地机器人，扫地机器人包括机身和驱动轮；用于采集扫地机器人周围环境信息的激光雷达；用于检测扫地机器人旋转角度的陀螺仪；用于检测驱动轮转速的编码器；设于机身的微处理器，微处理器分别与激光雷达、陀螺仪以及编码器通讯连接；以及与微处理器相连接的碰撞开关。本实用新型实施例提供的扫地机器人导航系统通过激光雷达采集扫地机器人周围环境信息并构建室内环境地图，从而可根据室内环境地图规划有效的清扫路线进行导航，使不留清扫死角，且激光雷达实时采集扫地机器人周围环境信息，不断校正更新扫地机器人的实时预测位置和室内环境地图，使扫地机器人的定位精度高。
Description
技术领域
本实用新型属于扫地机器人技术领域，尤其涉及一种扫地机器人导航系统。
背景技术
随着社会经济的发展，智能机器人已经开始代替人们进行一些家务劳动，如室内扫地机器人，由于其智能化以及便捷性，越来越受到人们的喜爱，但由于家庭环境的复杂性和多变性，这就要求扫地机器人具有实时定位、感知环境以及自动导航实现避障完成清扫等相关功能。
现有技术中，扫地机器人通常采用里程计、红外二极管或超声波较为低廉的传感器进行定位导航避障，虽然上述各传感器价格低廉，但是定位精度和障碍物识别精度低，因此，现有技术的扫地机器人存在定位精度低、导航效果差，从而使清扫效率较低的问题。
实用新型内容
本实用新型提供一种扫地机器人导航系统，旨在解决现有技术的扫地机器人存在定位精度低、导航效果差，从而清扫效率较低的问题。
本实用新型是这样实现的，一种扫地机器人导航系统，包括：
扫地机器人，所述扫地机器人包括机身和固定于所述机身底端的驱动轮；
设于所述机身并用于采集所述扫地机器人周围环境信息的激光雷达；
固定于所述机身并用于检测所述扫地机器人旋转角度的陀螺仪；
固定于所述驱动轮并用于检测所述驱动轮转速的编码器；
设于所述机身的微处理器，所述微处理器分别与所述激光雷达、所述陀螺仪以及所述编码器通讯连接；以及
固定于所述机身的碰撞开关，所述碰撞开关与所述微处理器相连接。
优选的，所述扫地机器人导航系统还包括固定于所述机身的红外避障传感器，所述红外避障传感器与所述微处理器相连接。
优选的，所述红外避障传感器和所述碰撞开关的数量均为多个，且分别等间距设置于所述机身周侧。
优选的，所述驱动轮连接驱动电机，所述驱动电机与所述微处理器电性连接。
优选的，所述扫地机器人导航系统还包括与所述微处理器网络连接并用于远程控制所述扫地机器人的控制设备。
优选的，所述控制设备为智能手机或平板电脑。
优选的，所述扫地机器人导航系统包括与所述微处理器相连的无线通信模块，所述控制设备通过所述无线通信模块与所述微处理器无线连接。
本实用新型提供的扫地机器人导航系统通过设置激光雷达采集扫地机器人周围环境信息，并根据激光雷达采集的扫地机器人周围环境信息构建室内环境地图，从而可根据室内环境地图规划有效的清扫路线以对扫地机器人准确导航，使不留清扫死角。通过设置编码器检测扫地机器人驱动轮转速和设置陀螺仪获得扫地机器人的方向转角信息，从而航位推算出扫地机器人在构建的室内环境地图的实时位置，并通过对激光雷达实时扫描的环境信息进行SLAM算法处理，对扫地机器人的预测位置进行校正更新和更新室内环境地图，从而有效提高了扫地机器人的定位精度和实现准确导航。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种扫地机器人导航系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种扫地机器人导航系统的导航方法的流程图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供的扫地机器人导航系统通过设置激光雷达采集扫地机器人周围环境信息，并根据激光雷达采集的扫地机器人周围环境信息构建室内环境地图，从而可根据室内环境地图规划有效的清扫路线，使不留清扫死角。通过设置编码器检测扫地机器人驱动轮转速和设置陀螺仪获得扫地机器人的方向转角信息，从而航位推算出扫地机器人在构建的室内环境地图的实时位置，并通过对激光雷达实时扫描的环境信息进行SLAM算法处理，对扫地机器人的预测位置进行校正更新和更新室内环境地图，从而有效提高了扫地机器人的定位精度和实现准确导航。
请参照图1，图1是本实用新型实施例提供的一种扫地机器人导航系统的结构示意图。该扫地机器人导航系统包括：扫地机器人1，扫地机器人1包括机身(未图示)和固定于机身底端的驱动轮11；设于机身并用于采集扫地机器人1周围环境信息的激光雷达2；固定于机身并用于检测扫地机器人1旋转角度的陀螺仪3；固定于驱动轮11并用于检测驱动轮11转速的编码器4；设于机身的微处理器5，微处理器5分别与激光雷达2、陀螺仪3以及编码器4通讯连接；以及固定于机身的碰撞开关6，碰撞开关6与微处理器5相连接。
本实用新型提供的扫地机器人导航系统可将扫地机器人的实时预测位置进行校正更新和更新室内环境地图，从而有效提高了扫地机器人的定位精度和实现准确导航，且该扫地机器人导航系统可根据室内环境地图规划有效的清扫路线，完成扫地机器人的清扫任务并不留清扫死角。
本实用新型实施例中，扫地机器人1包括机身和固定于机身底端的驱动轮11，驱动轮11连接驱动电机12，驱动电机12驱动该驱动轮11转动并带动扫地机器人1行走从而完成室内的清扫工作。
作为本实用新型的一个实施例，驱动电机12与微处理器5电性连接。编码器4用于检测驱动轮11的转速，编码器4通过检测该扫地机器人1的驱动轮11的转速并结合驱动轮11的直径便可计算出扫地机器人1相对于初始状态走过的距离。
本实用新型实施例中，激光雷达2用于采集扫地机器人1的周围环境信息。其中，该周围环境信息为扫地机器人1周围的障碍物信息。激光雷达2基于飞行时间法，通过计算调制激光发射和返回的时间差得到光程进而得到障碍物的信息。激光雷达2扫描的数据通过微处理器5进行数据处理，并提取出扫地机器人1周围环境中各障碍物的距离、角度以及方位信息。同时，该微处理器5根据激光雷达2扫描得到的扫地机器人1周围环境中障碍物的距离、角度以及方位信息构建出室内环境地图。由于激光雷达2检测的精度不易受距离和光照影响，其探测距离、扫描范围、扫描频率、角度分辨率、测量距离精度高，因此其能精确地探测到室内障碍物的信息，可构建出精确的室内环境地图，从而可根据室内环境地图规划扫地机器人1清扫路线实现准确导航，以避开障碍物进行智能高效的清扫任务，使扫地机器人1的清扫效率高。
本实用新型实施例中，激光雷达2进行360度扫描检测扫地机器人1的周围环境信息，使全面探测室内的障碍物信息，保证构建的室内环境地图的准确性。其中，激光雷达2采用单线激光雷达，为进一步以提高检测精度，也可以采用多线激光雷达。
本实用新型实施例中，陀螺仪3用于测量扫地机器人1在转弯过程中的角速率信息，通过将该角速率信息进行积分就可获得扫地机器人1旋转角度的数据。
微处理器5通过采集陀螺仪3获得的旋转角度的数据和编码器4获得的驱动轮11的转速数据，根据驱动轮11的转速数据推算出扫地机器人1的行走距离数据，再将旋转角度的数据和行走距离数据融合进行航位推算，预测出扫地机器人1在构建的室内环境地图中的实时位置，同时微处理器5根据室内环境地图预测出实时预测环境特征。
在实际应用时，先设定陀螺仪3和编码器4的初始参数以及扫地机器人1的初始位置，扫地机器人1开始工作时，激光雷达2采集扫地机器人1的周围环境信息，微处理器5根据激光雷达2扫描得到的扫地机器人1周围环境中的障碍物的距离、角度以及方位信息构建出室内环境地图，微处理器5根据构建出室内环境地图进行路径规划从而控制扫地机器人1进行避障清扫工作。扫地机器人1在运动过程中，微处理器5根据编码器4和陀螺仪3分别获取的转角数据和行走距离进行航位推算，得到扫地机器人1在室内环境地图某一时刻的预测位置信息，并保存。如：扫地机器人1从k时刻到k+1时刻运动过程中，微处理器5根据k时刻陀螺仪3检测的转角数据，再根据编码器4获得驱动轮11的转速并结合驱动轮11的直径计算出扫地机器人1从k时刻到k+1时刻运动的距离，从而可推算出k+1时刻扫地机器人1处于室内环境地图中的具体位置。k时刻时，该微处理器5根据室内环境地图预测出扫地机器人1在k+1时刻时所处的预测环境特征，该预测环境特征则为k时刻时室内环境地图的所反映的室内环境特征。
其中，激光雷达2在扫地机器人1前行的过程中实时采集扫地机器人1周围环境的实际环境特征，微处理器5通过对激光雷达2实时扫描的环境信息进行SLAM算法处理，将k时刻的预测环境特征与k+1时刻的实际环境特征进行数据关联，然后判断预测特征和观测特征是否匹配，如果匹配成功则更新扫地机器人的定位信息，没有匹配成功则更新环境地图。如扫地机器人1在清扫过程中，从k时刻到k+1时刻扫地机器人周围的障碍物的方位、距离等信息发生了变化，在k+1时刻时，激光雷达2探测到扫地机器人的实际环境特征，微处理器5将激光雷达2将k+1时刻探测的实际环境特征与k时刻预测的预测环境特征进行匹配，微处理器5根据实际环境特征与预测环境特征没有匹配成功将室内环境地图进行更新，实现室内环境地图的更新；如从k时刻到k+1时刻扫地机器人周围的障碍物的方位、距离等信息均没有变化，则k+1时刻时，激光雷达2探测k+1时刻扫地机器人1的实际环境特征和k时刻预测的预测环境特征匹配，此时，微处理器5将k时刻预测的扫地机器人位置更新为扫地机器人的实时位置，实现扫地机器人1的定位。通过激光雷达2不断采集室内环境信息，从而每隔一段时间对扫地机器人1进行位置更新和室内环境地图更新，实现室内环境地图和扫地机器人1定位的纠正，从而微处理器5可根据准确的室内环境地图采用算法规划出最有效的清扫路线和导航避障，从而完成清扫任务，使清扫时不会留死角，保障扫地机器人进行智能高效的清扫任务。
碰撞开关6固定于机身上，碰撞开关6用于进一步提高扫地机器人的导航精度。在实际应用时，碰撞开关6在碰撞到障碍物时，碰撞开关6以电信号的形式反馈至微处理器5，微处理器5控制驱动轮11上的驱动电机12工作，驱动电机12带动驱动轮11转动，以实现扫地机器人1的避障，通过设置碰撞开关6，可进一步提高扫地机器人1避障的可靠性。
作为本实用新型的一个实施例，扫地机器人导航系统还包括固定于机身的红外避障传感器7，红外避障传感器7与微处理器5相连接。红外避障传感器7用于实时检测扫地机器人1周围的障碍物信息，红外避障传感器7检测的障碍物信息通过微处理器5处理，从而可确定扫地机器人1周围障碍物的位置，进而微处理器5根据障碍物的位置控制扫地机器人1避障，进一步提高避障的可靠性。
作为本实用新型的一个实施例，红外避障传感器7和碰撞开关6的数量均为多个，且分别等间距设置于机身周侧，使可全方位检测障碍物的方位信息，从而使扫地机器人1的避障性能好。
作为本实用新型的一个实施例，扫地机器人导航系统还包括与微处理器5网络连接并用于远程控制扫地机器人1的控制设备8。控制设备8为智能手机或平板电脑。用户可通过APP(Application，应用程序)远程控制扫地机器人1工作，比如用户在回家前或者出门后，可通过该控制设备8远程控制启动扫地机器人1清扫工作，从而避免扫地机器人1清扫时打扰用户。其中，扫地机器人导航系统包括与微处理器5相连的无线通信模块9，控制设备8通过无线通信模块9与微处理器5无线连接。控制设备8通过无线通信模块与9微处理器5无线连接，使用户可远程控制启动扫地机器人1清扫工作，用户体验效果好。
请参照图2，图2是本实用新型实施例提供的一种扫地机器人导航系统的导航方法的流程图。本实用新型提供一种扫地机器人导航系统的导航方法，包括以下步骤：
步骤S1，激光雷达2采集扫地机器人1周围环境信息，微处理器5根据检测的周围环境信息构建室内环境地图；
本步骤中，激光雷达2进行360度扫描检测扫地机器人1的周围环境信息，激光雷达2扫描的数据通过微处理器5进行数据处理，并提取出扫地机器人1周围环境中的各障碍物的距离、角度以及方位信息。该微处理器5根据激光雷达扫描得到的扫地机器人1周围环境中的障碍物的距离、角度以及方位信息构建出室内环境地图。室内环境地图包括清扫区域的形状以及各障碍物的方位、距离等信息。微处理器5根据室内环境地图采用算法规划出有效的清扫路线和导航避障，进行清扫任务。
步骤S2，通过陀螺仪3检测扫地机器人1旋转角度和编码器4检测扫地机器人1驱动轮11转速，微处理器5根据旋转角度和驱动轮11转速融合进行航位推算，预测出实时预测环境特征以及扫地机器人1在室内环境地图的实时位置；
在扫地机器人1启动工作之前，先设定陀螺仪3和编码器4的初始参数以及扫地机器人1的初始位置。
本步骤中，陀螺仪3检测扫地机器人1相对于初始时刻的旋转角度，编码器4检测扫地机器人1的驱动轮11的转速并结合驱动轮11的直径计算出扫地机器人1相对于初始时刻运动的距离，从而微处理器5根据旋转角度和驱动轮转速融合进行航位推算出扫地机器人1在室内环境地图的实时位置，同时，微处理器5根据构建的室内环境地图预测出实时预测环境特征，即预测出未来某一时刻清扫区域内的预测环境特征。
步骤S3，激光雷达2实时采集实际环境特征，微处理器5将预测环境特征与实际环境特征进行数据匹配，如预测环境特征与实际环境特征匹配成功，则更新扫地机器人1的定位信息，没有匹配成功则更新室内环境地图；
本步骤中，激光雷达1在扫地机器人1的运动过程中不断采集周围环境信息，并将实时检测的实际环境特征与上一时刻的预测环境特征进行匹配，如预测环境特征与实际环境特征匹配成功，则表示预测环境特征与实际环境特征相同，此时，更新扫地机器人1的定位信息；如预测环境特征与实际环境特征匹配不成功，则表示预测环境特征与实际环境特征不相同，则需要将激光雷达2实时检测到得实际环境特征构建新的室内环境地图并更新为最新的室内环境地图，从而不断对扫地机器人1进行实时定位与更新室内环境地图，保障扫地机器人进行智能高效的清扫任务。
步骤S4，微处理器根据扫地机器人1在室内环境地图中的当前位置和室内环境地图规划扫地机器人1的运动路线，并控制扫地机器人1避开障碍物运动。
本步骤中，微处理器5根据扫地机器人1在更新后的室内环境地图中的当前位置和更新后的室内环境地图，采用算法对扫地机器人1的运动路径进行规划，使避开障碍物并完成室内清扫区域的清扫，其中，路径规划算法可采用A star算法、迪杰斯特拉算法等。
本实用新型提供的扫地机器人导航系统通过设置激光雷达采集扫地机器人周围环境信息，并根据激光雷达采集的扫地机器人周围环境信息构建室内环境地图，从而可根据室内环境地图规划有效的清扫路线，使不留清扫死角。通过设置编码器检测扫地机器人驱动轮转速和设置陀螺仪获得扫地机器人的方向转角信息，从而航位推算出扫地机器人在构建的室内环境地图的实时位置，并通过对激光雷达实时扫描的环境信息进行SLAM算法处理，对扫地机器人的预测位置进行校正更新和更新室内环境地图，从而有效提高了扫地机器人的定位精度和实现准确导航。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种扫地机器人导航系统，其特征在于，包括：
扫地机器人，所述扫地机器人包括机身和固定于所述机身底端的驱动轮；
设于所述机身并用于采集所述扫地机器人周围环境信息的激光雷达；
固定于所述机身并用于检测所述扫地机器人旋转角度的陀螺仪；
固定于所述驱动轮并用于检测所述驱动轮转速的编码器；
设于所述机身的微处理器，所述微处理器分别与所述激光雷达、所述陀螺仪以及所述编码器通讯连接；以及
固定于所述机身的碰撞开关，所述碰撞开关与所述微处理器相连接。
2.如权利要求1所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述扫地机器人导航系统还包括固定于所述机身的红外避障传感器，所述红外避障传感器与所述微处理器相连接。
3.如权利要求2所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述红外避障传感器和所述碰撞开关的数量均为多个，且分别等间距设置于所述机身周侧。
4.如权利要求1所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述驱动轮连接驱动电机，所述驱动电机与所述微处理器电性连接。
5.如权利要求1所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述扫地机器人导航系统还包括与所述微处理器网络连接并用于远程控制所述扫地机器人的控制设备。
6.如权利要求5所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述控制设备为智能手机或平板电脑。
7.如权利要求6所述的扫地机器人导航系统，其特征在于，所述扫地机器人导航系统包括与所述微处理器相连的无线通信模块，所述控制设备通过所述无线通信模块与所述微处理器无线连接。
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