TW201444515A - 清掃機器人及清掃機器人的定位方法 - Google Patents

Abstract

一種清掃機器人及清掃機器人的定位方法，該定位方法包含以下步驟：藉由一個第一定位裝置發出一個具有第一發射強度的第一導引信號，藉由一個第二定位裝置發出一個具有第二發射強度的第二導引信號，且該第一導引信號的發射範圍和該第二導引信號的發射範圍交疊；該清掃機器人運動，以找尋該第一導引信號和該第二導引信號的交疊區；及該清掃機器人在位於發射範圍交疊處時，根據關於該第一定位裝置的一個第一定位座標，且根據關於該第二定位裝置的一個第二定位座標，來決定該清掃機器人目前所在的定位座標。

Description

清掃機器人及清掃機器人的定位方法

本發明是有關於一種清掃機器人，特別是指一種能校正定位的清掃機器人。

習知技術中，清掃機器人通常會先對一活動空間進行環境探索，以做為後續行走於該空間的參考。例如其會先偵測活動空間範圍，以獲知空間內的障礙物位置和特定地標位置，如此在接下來的清掃過程中就能適時地規劃路徑以避開障礙物或接近地標，以及最佳化清掃效率行進路線。

常見環境探索的方式有兩種。一種方式係清掃機器人藉由一攝像裝置記錄行走路徑景色，且同時記錄清掃機器人座標位置，然後組合行走過的景色和座標來拼湊出整個活動空間的地圖。另一種方式則為清掃機器人藉由一雷射掃描裝置發出固定強度的雷射光，而使障礙物反射一信號，然後根據障礙物反射信號的強度換算出與障礙物之間的距離，進而獲取整個活動空間的地圖資訊。

然而，攝像裝置和雷射掃描裝置都屬於精密電子產品，造價不斐，尤其配置有攝像裝置的清掃機器人還需配置高階處理器進行多張景色影像的比對。前述該些高成本因素將使清掃機器人難以在市場上占有價格競爭優勢。

此外，清掃機器人於移動過程中可能會遇有路面不平或緩陡坡、緩降坡等的情況，所以需適時調整馬達轉速來控制清掃機器人左、右輪子的轉動，以改變清掃機器人的行走方向。然而，即使清掃機器人已根據路面情況提供期望的馬達運轉資訊，但馬達運轉的實際精確度和輪子損耗都可能造成清掃機器人無法轉動到所期望的行走方向，因而逐漸累積形成路徑誤差，導致所獲取的地圖資訊和實際活動空間無法匹配。

因此，本發明之目的，即在提供一種清掃機器人及清掃機器人的定位方法，使清掃機器人能適時地校正定位，降低路徑誤差。

於是本發明清掃機器人的定位方法，包含以下步驟：藉由一個第一定位裝置發出一個具有第一發射強度的第一導引信號，藉由一個第二定位裝置發出一個具有第二發射強度的第二導引信號，且該第一導引信號的發射範圍和該第二導引信號的發射範圍交疊；該清掃機器人運動，以找尋該第一導引信號和該第二導引信號的交疊區；及該清掃機器人在位於發射範圍交疊處時，根據關於該第一 定位裝置的一個第一定位座標，且根據關於該第二定位裝置的一個第二定位座標，來決定該清掃機器人目前所在的定位座標。

且本發明的清掃機器人，適用於根據一個第一定位裝置和一個第二定位裝置進行定位校正，該第一定位裝置發出一個具有一第一發射強度的第一導引信號，該第二定位裝置發出一個具有一第二發射強度的第二導引信號，且該第一導引信號的發射範圍和該第二導引信號的發射範圍交疊，該清掃機器人包含：一殼體；一運動模組，設置於該殼體內，用於使該殼體運動；一導引偵測器，設置於該殼體內，用於偵測該第一導引信號和該第二導引信號；一處理器，設置於該殼體內，並電連接該運動模組和該導引偵測器；該處理器令該運動模組使該殼體運動，直到該導引偵測器偵測出該第一導引信號達到該第一發射強度，就記錄該殼體位置為關於該第一定位裝置的一個第一定位座標；該處理器令該運動模組使該殼體運動，直到該導引偵測器偵測出該第二導引信號達到該第二發射強度，就記錄該殼體位置為關於該第二定位裝置的一個第二定位座標；該殼體在位於發射範圍交疊處時，該處理器根據該第一定位座標、該第二定位座標、一第一可辨識角和一第二可辨識角，決定該殼體目前所在的定位座標；其中，該第一可辨識角是該導引偵測器可偵測到該第一導引信號的最廣角度範圍，該第二可辨識角是該導引偵測器可偵測到該第二導引信號的最廣角度範圍。

本發明之功效在於清掃機器人找尋第一導引信號和第二導引信號的交疊區來校正清掃機器人目前所在的座標，以降低路徑誤差。

10‧‧‧清掃機器人

11‧‧‧殼體

12‧‧‧處理器

13‧‧‧運動模組

15‧‧‧導引偵測器

151‧‧‧傳輸模組

20‧‧‧空間平面

30‧‧‧定位裝置

30a‧‧‧定位裝置

30b‧‧‧定位裝置

31‧‧‧傳輸模組

71~76‧‧‧步驟

81~87‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的較佳實施例詳細說明中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明第一實施例的清掃機器人和定位裝置；圖2是一方塊圖，說明清掃機器人和定位裝置；圖3是一示意圖，說明清掃機器人以導引偵測器朝前前進；圖4是一示意圖，說明偵測到的導引信號強度變化關係；圖5是一流程圖，說明清掃機器人的定位方法的第一實施例；圖6是一示意圖，說明導引偵測器的波束場型；圖7是一示意圖，說明第二實施例的清掃機器人和定位裝置；圖8是一流程圖，說明清掃機器人的定位方法的第二實施例；及圖9是一示意圖，說明第一偵測角和第一導引信號的關係。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的 說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明清掃機器人10之第一實施例適用於行走於一個設置有一個定位裝置30的空間平面20上，該清掃機器人10能藉由定位裝置30發出的一導引信號進行定位校正。本例的清掃機器人10在其行走期間，定位裝置30的設置位置固定，並且，定位裝置30的實施態樣可以是充電座、用以界定出虛擬牆的燈塔，或其他可發出導引信號的裝置。

請同時參閱圖2，清掃機器人10包含一殼體11，以及設置於殼體11中的一處理器12、一運動模組13及一導引偵測器15。其中，處理器12分別電連接運動模組13和導引偵測器15。

導引偵測器15用以偵測定位裝置30所發出的導引信號。處理器12根據導引偵測器15的偵測資訊而令運動模組13使殼體11運動，即移動及旋轉。當運動模組13驅使殼體11移動時，清掃機器人10的其他元件會和殼體11同步移動。當運動模組13驅使殼體11轉動時，清掃機器人10的其他元件會和殼體11同步轉動。

更詳細地，運動模組13包括多個輪子(圖未示)，且如圖3所示，殼體11例如可以為具有一環形側面和一底面大致呈扁平圓柱狀的殼體，導引偵測器15沿著殼體11的部分環形側面而設置。假設清掃機器人10剛被啟動時導引偵測器15是朝向一參考方向，那麼下文將會述及的”朝向角”，指的是導引偵測器15目前的朝向與該參考方向的 差異，且下文所提及的”清掃機器人10前行”，是指維持朝向角而以導引偵測器15朝前移動。

清掃機器人10執行本發明清掃機器人的定位方法之第一實施例，而使用導引偵測器15偵測定位裝置30發出的導引信號來實現清掃機器人10的定位校正。本例主要是偵測導引信號的接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)，但也可以是偵測導引信號的其他特性。值得注意的是，定位裝置30所發出的導引信號發射強度可由外部控制，且會將導引信號的發射強度通知清掃機器人10。參閱圖1，通常導引信號強度在定位裝置30處最強且隨著與定位裝置30的距離拉大而梯度式且指數式地遞減，更明確地，「偵測到的導引信號強度」會如圖4般指數式地負相關於「清掃機器人10與定位裝置30的距離」。

定位方法包含圖5的步驟：

步驟71：殼體11受運動模組13驅動而於空間平面20上運動(移動與轉動)，直到導引偵測器15偵測到導引信號。

步驟72：殼體11前行一段取樣距離。

步驟73：處理器12判斷導引偵測器15偵測到的導引信號是否達到發射強度。若是，進行步驟76；否則，進行步驟74。

步驟74：處理器12判斷導引偵測器15偵測到的導引信號是否有增強趨勢。若是，回到步驟72；否則， 繼續步驟75。

步驟75：處理器12令運動模組13驅使殼體11轉動一角度。然後，回到步驟72。

較佳地，第一次執行步驟75是使殼體11順時針轉動90°，之後第N次執行步驟75是使殼體11以相反於第N-1次執行步驟75的方向轉動180°，N≧2。當然，在其他應用中，第一次執行步驟75也可以使殼體11逆時針轉動90°。此第一次執行步驟75所轉動的順時針或逆時針的角度並不限定為90°，也可以是15°、30°、45°、60°、75°或任何其他設定的轉動角度，其均不脫本發明請求專利保護的範圍。

步驟76：處理器12記錄殼體11目前所在位置座標，當作關於發出該導引信號的定位裝置30的定位座標。

之後，如果清掃機器人10行走於空間平面20上而從沒有偵測到導引信號，變成有偵測到導引信號，那麼清掃機器人10將再次執行前述定位方法的步驟72~75，直到偵測到的導引信號達發射強度，就使殼體11位置校正為步驟76得到的定位座標。

因此，即使清掃機器人10反覆行走於空間平面20上，基於種種自身因素和環境因素造成路徑誤差的累積，只要再次執行前述定位方法，就可以根據步驟76的定位座標校正所在位置資訊。

較特別的是，本例中，定位裝置30如圖2般包括一個設置有全向性天線(圖未示)的ZigBee(群蜂)傳輸模組31，導引偵測器15包括一個設置有指向性天線(圖未示)的ZigBee傳輸模組151，指向性天線的波束場型可參考圖6的粗實線，其只會在一特定方向(即圖中0°)具有最大強度。如熟悉本技藝者所知，ZigBee傳輸協定主要操作於中心頻率為2.45GHz的頻帶，支援250kbps的資料傳輸率，有效通訊距離高達100~400公尺，是一種兼具電路體積小、低成本和低耗電的通訊標準。因此，本實施例清掃機器人10藉由ZigBee傳輸模組151、31實現清掃機器人10和定位裝置30間的通訊，可以有效降低電路成本。當然，在其他應用中，也可以使用RFID(radio frequency identification,無線射頻識別)或bluetooth(藍芽)等低成本的傳輸模組來取代ZigBee傳輸模組151、31。

參閱圖7，相較於第一實施例，本發明清掃機器人10之第二實施例的差異在於：空間平面20上設置有一個第一定位裝置30a和一個第二定位裝置30b。第一定位裝置30a用以發出一個具有第一發射強度的第一導引信號，第二定位裝置30b發出一個具有第二發射強度的第二導引信號。值得注意的是，在發射範圍內，第一導引信號強度在第一定位裝置30a處最強且隨著與第一定位裝置30a的距離增大而指數式且梯度式地遞減，第二導引信號強度在第二定位裝置30b處最強且隨著與第二定位裝置30b的距離增大而指數式且梯度式地遞減。

較特別的是，第二實施例會以外部控制該兩個定位裝置30a、30b發出的導引信號，而使兩個導引信號的發射範圍交疊，且利用清掃機器人10位於交疊區的偵測資訊以及關於該兩個定位裝置30a、30b的定位座標來進行定位校正和朝向角校正。

詳細來說，清掃機器人10所執行的本發明清掃機器人10的定位方法之第二實施例包含圖8的以下步驟：

步驟81：清掃機器人10執行前述於圖5中的步驟71~76來分別獲取關於第一定位裝置30a的第一定位座標(x1,y1)和關於第二定位裝置30b的第二定位座標(x2,y2)。

其中，清掃機器人10於第一定位座標(x1,y1)偵測到的第一導引信號達第一發射強度，於第二定位座標(x2,y2)偵測到的第二導引信號達第二發射強度。

步驟82：殼體11於空間平面20上運動，直到導引偵測器15從沒有偵測到任何導引信號變成僅偵測到其中一個導引信號，此時清掃機器人10應該是位於所偵測導引信號強度最弱且為最外圍的那個梯度上。

步驟83：殼體11沿著該最外圍梯度運動，直到碰到兩個導引信號發射範圍的交疊區，就記錄目前的朝向角。

步驟84：處理器12令運動模組13驅使殼體11在一固定取樣時間內轉動，且記錄目前偵測資訊、第一偵測角與第二偵測角。

目前偵測資訊例如為是否偵測到第一導引信號 或第二導引信號。當殼體11在一固定取樣時間內轉動而使導引偵測器15偵測到不同的第一導引信號強度，處理器12會將取樣時間內偵測到第一導引信號平均強度的那個方向記錄成第一偵測角，並記錄此平均強度。同理，處理器12也記錄取樣時間內關於第二導引信號的第二偵測角，並記錄對應的第二導引信號平均強度。

值得注意的是，用以決定出第一偵測角的平均強度不同於第一定位裝置30a所能發出的第一導引信號最大強度(即第一發射強度)。此外，隨著殼體11轉動，導引偵測器15於取樣時間內偵測到第一導引信號平均強度的方向也會跟著改變，所以殼體11的每一次轉動都會對應到一個特定第一偵測角。同理，殼體11的每一次轉動也都會對應到一個特定第二偵測角。

步驟85：處理器12根據所有已記錄的偵測資訊，判斷是否滿足以下四要件。也就是說，已記錄偵測資訊所形成的聯集是否滿足以下四要件。若是，繼續步驟86；否則，回到步驟84。

要件一：殼體11轉動，而從沒有偵測到第一導引信號變成偵測到第一導引信號。

要件二：殼體11轉動，而從有偵測到第一導引信號變成沒有偵測到第一導引信號。

要件三：殼體11轉動，而從沒有偵測到第二導引信號變成偵測到第二導引信號。

要件四：殼體11轉動，而從有偵測到第二導引 信號變成沒有偵測到第二導引信號。

步驟86：處理器12計算要件一和要件二的第一偵測角差異而得到關於第一定位裝置30a的第一可辨識角ψ1，計算要件三和要件四的第二偵測角差異而得到關於第二定位裝置30b的第二可辨識角ψ2。

更具體地，第一可辨識角ψ1是指可偵測到第一導引信號的最廣偵測角範圍，第二可辨識角ψ2是指可偵測到第二導引信號的最廣偵測角範圍。

步驟87：處理器12將第一定位座標(x1,y1)、第二定位座標(x2,y2)、第一可辨識角ψ1和第二可辨識角ψ2代入下列式(1)，而得到殼體11目前位置的定位座標(X,Y)。

之後，如果清掃機器人10再度從沒有偵測到任何導引信號變成僅偵測到其中一個導引信號，那麼在沿著最外圍梯度運動而碰到導引信號交疊區時，就可以將清掃機器人10所在位置校正為步驟87算出的定位座標(X,Y)。並且，因為步驟84有記錄轉動期間第一偵測角和對應第一導引信號強度以及第二偵測角和對應第二導引信號強度，所以清掃機器人10還可以將目前所偵測到的第一導引信號強度和第二導引信號強度相比於所記錄資訊，而校正此時的朝向角。

以下詳細說明朝向角的校正。清掃機器人10首次進入交疊區時(與座標校正行為可同時發生)，殼體11立 即原地逆時針旋轉，且殼體11轉動的同時清掃機器人10會蒐集偵測的第一導引信號強度，據以計算於最近的取樣時間內的第一導引信號的平均強度，進而決定對應到的第一偵測角。而機器人首次進入交疊區的第一偵測角和第一導引信號的關係，可參考圖9的實線。

之後，清掃機器人10第二次回到交疊區時，會進行原地逆時針旋轉，以取得第一導引信號的平均強度和對應第一偵測角(如圖9的虛線)，直到無法取得第一導引信號，就將此次回到交疊區的資訊相比於第一次於交疊區的資訊。

更具體地，為了比較這兩次於交疊區的資訊，處理器12會觀察第一導引信號平均強度為一特定值Ri的情況下，這兩次於交疊區決定出的第一偵測角的差異di，其中i=1,2...N。然後，求取一補償角度，再使清掃機器人10目前的朝向角扣去該補償角度，以得到校正後的朝向角。類似地，清掃機器人10首次進入交疊區時，也會計算於最近的取樣時間內的第二導引信號的平均強度，進而決定對應到的第二偵測角，以做為之後再次進入交疊區校正朝向角的依據。

較佳地，在一實施例中，可以藉由這兩次於交疊區決定出的第一偵測角的差異，並藉由這兩次於交疊區決定出的第二偵測角的差異，來校正朝向角。但其他實施例也可以僅藉由這兩次於交疊區決定出的第一偵測角的差 異或第二偵測角的差異。

雖然，第二實施例是以兩個定位裝置30a、30b來加以說明，但是其他應用也可以使用更多個定位裝置，且使兩兩定位裝置的導引信號交疊，如此清掃機器人10於空間平面20上運動時就可以更頻繁地校正座標和朝向角，使路徑誤差降低。

綜上所述，前述較佳實施例中，清掃機器人10可以透過較低成本的傳輸模組實現和定位裝置30間的通訊，而循著導引信號增強的方向走到定位裝置30來校正座標，或找尋兩導引信號交疊區來校正座標和朝向角，以降低路徑誤差，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

10‧‧‧清掃機器人

11‧‧‧殼體

12‧‧‧處理器

13‧‧‧運動模組

15‧‧‧導引偵測器

151‧‧‧傳輸模組

30‧‧‧定位裝置

31‧‧‧傳輸模組

Claims (10)

1. 一種清掃機器人的定位方法，包含以下步驟：藉由一個第一定位裝置發出一個具有第一發射強度的第一導引信號，藉由一個第二定位裝置發出一個具有第二發射強度的第二導引信號，且該第一導引信號的發射範圍和該第二導引信號的發射範圍交疊；該清掃機器人運動，以找尋該第一導引信號和該第二導引信號的交疊區；及該清掃機器人在位於發射範圍交疊處時，根據關於該第一定位裝置的一個第一定位座標，且根據關於該第二定位裝置的一個第二定位座標，來決定該清掃機器人目前所在的定位座標。
2. 如請求項1所述的清掃機器人的定位方法，其中，該清掃機器人循著偵測到該第一導引信號強度增強的方向運動，直到所偵測的該第一導引信號強度達到該第一發射強度，就將該清掃機器人目前位置記錄為關於該第一定位裝置的第一定位座標；該清掃機器人循著偵測到該第二導引信號強度增強的方向運動，直到所偵測的該第二導引信號強度達到該第二發射強度，就將該清掃機器人目前位置記錄為關於該第二定位裝置的第二定位座標。
3. 如請求項1所述的清掃機器人的定位方法，其中，該清掃機器人在位於發射範圍交疊處時記錄目前朝向角，接著轉動並記錄一偵測角以及關於該第一導引信號和該第二導引信號的偵測資訊； 其中，該清掃機器人具有一個用以偵測該等導引信號的導引偵測器，該清掃機器人的朝向角是指該導引偵測器目前朝向與該清掃機器人剛被啟動時該導引偵測器朝向的差異。
4. 如請求項3所述的清掃機器人的定位方法，其中，該清掃機器人將可偵測到第一導引信號的最廣偵測角範圍當作一個第一可辨識角，將可偵測到第二導引信號的最廣偵測角範圍當作一個第二可辨識角；且該清掃機器人根據該第一定位座標、該第二定位座標、該第一可辨識角和該第二可辨識角，來決定該清掃機器人目前所在的定位座標。
5. 如請求項4所述的清掃機器人的定位方法，其中，該清掃機器人決定目前所在的定位座標(X,Y)； 其中，(x1,y1)為該第一定位座標，(x2,y2)為該第二定位座標，ψ 1為該第一可辨識角，ψ 2為該第二可辨識角。
6. 如請求項3所述的清掃機器人的定位方法，其中，當該清掃機器人再次運動到發射範圍交疊處，便將該清掃機器人目前位置校正為該定位座標，且根據第一次運動到發射範圍交疊處所記錄的該偵測角以及本次運動到發射範圍交疊處所記錄的偵測角來校正該清掃機器人的朝向角。
7. 如請求項1所述的清掃機器人的定位方法，其中，該定 位裝置和該清掃機器人是使用ZigBee(群蜂)協定、RFID(無線射頻識別)協定或bluetooth(藍芽)協定進行通訊。
8. 一種清掃機器人，適用於根據一個第一定位裝置和一個第二定位裝置進行定位校正，該第一定位裝置發出一個具有一第一發射強度的第一導引信號，該第二定位裝置發出一個具有一第二發射強度的第二導引信號，且該第一導引信號的發射範圍和該第二導引信號的發射範圍交疊，該清掃機器人包含：一殼體；一運動模組，設置於該殼體內，用於使該殼體運動；一導引偵測器，設置於該殼體內，用於偵測該第一導引信號和該第二導引信號；一處理器，設置於該殼體內，並電連接該運動模組和該導引偵測器；該處理器令該運動模組使該殼體運動，直到該導引偵測器偵測出該第一導引信號達到該第一發射強度，就記錄該殼體位置為關於該第一定位裝置的一個第一定位座標；該處理器令該運動模組使該殼體運動，直到該導引偵測器偵測出該第二導引信號達到該第二發射強度，就記錄該殼體位置為關於該第二定位裝置的一個第二定位座標； 該殼體在位於發射範圍交疊處時，該處理器根據該第一定位座標、該第二定位座標、一第一可辨識角和一第二可辨識角，決定該殼體目前所在的定位座標；其中，該第一可辨識角是該導引偵測器可偵測到該第一導引信號的最廣角度範圍，該第二可辨識角是該導引偵測器可偵測到該第二導引信號的最廣角度範圍。
9. 如請求項8所述的清掃機器人，其中，該處理器決定目前所在的定位座標(X,Y)； 其中，(x1,y1)為該第一定位座標，(x2,y2)為該第二定位座標，ψ 1為該第一可辨識角，ψ 2為該第二可辨識角。
10. 如請求項8所述的清掃機器人，其中，該導引偵測器具有一個傳輸模組，且是採用ZigBee(群蜂)協定、RFID(無線射頻識別)協定或bluetooth(藍芽)協定。