基于先進(jìn)路徑規(guī)劃技術(shù)的智能清潔機(jī)器人及其清潔方法
【專利說明】基于先進(jìn)路徑規(guī)劃技術(shù)的智能清潔機(jī)器人及其清潔方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能車領(lǐng)域，具體涉及一種基于先進(jìn)路徑規(guī)劃技術(shù)的智能清潔機(jī)器人 及其清潔方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 目前，公知的掃地機(jī)器的機(jī)身為無線機(jī)器，以圓盤型為主。使用充電電池為電源運(yùn) 作，操作方式以遙控器、機(jī)器上的操作面板為主。一般能設(shè)定時(shí)間預(yù)約打掃，自行充電。機(jī) 器人前方設(shè)置有傳感器，可偵測障礙物，如偵測到墻壁或其他障礙物，會自行轉(zhuǎn)彎，依據(jù)不 同廠商設(shè)定，而按不同的判斷機(jī)制行駛，有規(guī)劃的清掃地區(qū)。（部分較早期機(jī)型可能缺少其 中部分功能）。一般的掃地機(jī)器人采用的是隨機(jī)路徑清掃方式，其清掃面積覆蓋率低，容易 發(fā)生部分房間與角落的漏掃和重復(fù)清掃，且清潔耗時(shí)長。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種基于先進(jìn)路徑規(guī)劃技術(shù) 的智能清潔機(jī)器人及其清潔方法，該機(jī)器人能夠自動完成地板清理工作，能自動記錄環(huán)境 地圖判斷自己的位置并規(guī)劃出清潔路徑進(jìn)行清潔。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明清潔機(jī)器人采用如下技術(shù)方案：
[0005] 包括安裝在機(jī)器人機(jī)身上的外部環(huán)境信息探測系統(tǒng)、實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、 電機(jī)驅(qū)動模塊以及電源，其中：
[0006] 外部環(huán)境信息探測系統(tǒng)用于探測外部環(huán)境信息；實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)用于獲取機(jī)器人自 身所在的實(shí)時(shí)位置；主控制系統(tǒng)用于獲取外部環(huán)境信息探測系統(tǒng)探測的外部環(huán)境信息，并 建立柵格地圖，通過結(jié)合柵格地圖和實(shí)時(shí)位置，用先進(jìn)路徑規(guī)劃算法規(guī)劃出清掃路徑；電機(jī) 驅(qū)動模塊用于驅(qū)動機(jī)器人按規(guī)劃出的清掃路徑運(yùn)行并進(jìn)行清掃；電源用于給主控制系統(tǒng)和 電機(jī)驅(qū)動模塊供電。
[0007] 進(jìn)一步地，外部環(huán)境信息探測系統(tǒng)包括均勻布置在機(jī)器人機(jī)身前側(cè)的若干個紅外 反射傳感器，以及均勻布置在機(jī)身頂部的若干個超聲波測距傳感器，超聲波測距傳感器還 與充電基座相配合。
[0008] 進(jìn)一步地，實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)包括用于獲取機(jī)器人角速度的陀螺儀、用于采集機(jī)器人 加速度的三軸加速度計(jì)以及用來采集機(jī)器人實(shí)時(shí)速度的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器。
[0009] 進(jìn)一步地，主控制系統(tǒng)還用于調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行模式和行駛速度。
[0010] 進(jìn)一步地，機(jī)器人的機(jī)身側(cè)面安裝有用來檢測障礙的避障傳感器，以及用于記錄 突發(fā)碰撞情況的碰撞傳感器。
[0011] 進(jìn)一步地，機(jī)器人的機(jī)身底部安裝有用于判斷是否脫離地面的紅外近距傳感器。
[0012] 進(jìn)一步地，電機(jī)驅(qū)動模塊包括與主控制器相連的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路同時(shí)連接用 于控制機(jī)器人運(yùn)動的第一無刷直流電機(jī)和用于控制機(jī)器人清潔的第二無刷直流電機(jī)。
[0013] 本發(fā)明清潔方法采用如下技術(shù)方案，包括以下步驟：
[0014] 步驟一，對機(jī)器人進(jìn)行初始化；
[0015] 步驟二，用戶對機(jī)器人進(jìn)行功能選擇；
[0016] 步驟三：以充電基座為坐標(biāo)原點(diǎn)，并在機(jī)器人工作平面上建立直角坐標(biāo)系，通過機(jī) 器人機(jī)身上均勻分布的若干個超聲波測距傳感器接收來自充電基座的超聲波信號，判斷機(jī) 器人是否位于充電基座及電量是否充足，在機(jī)器人位于充電基座且電量充足時(shí)，進(jìn)入步驟 四，否則返回充電基座并在電量不足時(shí)進(jìn)行充電，然后進(jìn)入步驟四；
[0017] 步驟四：探測機(jī)器人外部環(huán)境信息，建立柵格地圖；
[0018] 步驟五：在柵格地圖中將待清潔的區(qū)域分割成單元區(qū)域，先找出單元區(qū)域的邊界 作為清掃路徑的第一步，然后在整塊的矩形區(qū)域中橫坐標(biāo)不變，沿著縱坐標(biāo)從小到大方向 移動，到達(dá)頂端后，再沿著水平方向移動一個柵格，然后縱坐標(biāo)從大到小方向移動，依次進(jìn) 行，直至規(guī)劃出清掃路徑；
[0019] 步驟六：按規(guī)劃出的清掃路徑運(yùn)行，進(jìn)行清掃，并完成航跡推算定位；
[0020] 步驟七：在清掃過程中，進(jìn)行路障掃描，遇到障礙時(shí)進(jìn)行避障同時(shí)把障礙物所在位 置信息記錄進(jìn)地圖數(shù)據(jù)中；
[0021] 步驟八：判斷是否打掃完全部可清潔柵格，若清掃完成則進(jìn)入步驟九；若沒有結(jié) 束，返回步驟三；
[0022] 步驟九：結(jié)束。
[0023] 進(jìn)一步地，步驟六中航跡推算定位采用如下公式：
[0024] 601、在清掃過程中，每隔At的單位時(shí)間，通過陀螺儀獲取一次機(jī)器人的加速度 ，通過三軸加速度計(jì)采集一次機(jī)器人的角速度I，其中參數(shù)角標(biāo)i表示第i次測量，計(jì)算 得到：
[0025] Via=0·5(ai-l+aJΔt(1)；
[0026] Sla= 0. 5(7,i+V,)At(2)；
[0027] Θia= 0. 5(ff,i+ff,)At(3)；
[0028] 其中，Vla表示機(jī)器人的實(shí)時(shí)速度，Sla表示在第i個Δt時(shí)間內(nèi)的位移，Θia表示 通過式（3)計(jì)算得到的單位時(shí)間內(nèi)機(jī)器人所轉(zhuǎn)過的角度；并由以上式（1)~（3)得到：
[0029] AXia=SlacosΘia(4)
[0030] ΔYia=SlasinΘia (5)
[0031] 其中，AXia表示X坐標(biāo)的增量，AYia表示Y坐標(biāo)的增量；并由以上式⑷~（5) 得到機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)（Xa，Ya):
[0032] (Xa,Ya) = (Xlal+AXla,Ylal+AYia) (6);
[0033] 602、機(jī)器人行駛的左輪和右輪分別連接第一無刷直流電機(jī)，第一無刷直流電機(jī)上 均安裝有增量型旋轉(zhuǎn)編碼器；在清掃過程中，在每個At的單位時(shí)間內(nèi)，分別獲取左輪側(cè)的 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)nLi和右輪側(cè)的增量型旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)nRi，得 到單位時(shí)間內(nèi)左輪所走過的路程du和單位時(shí)間內(nèi)右輪所走過的路程dRl:
[0034]
[0035] 其中，m為增量型旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)一圈所發(fā)出的脈沖數(shù)，R表示左輪和右輪的半徑， 從而，單位時(shí)間內(nèi)左輪和右輪的路程差I(lǐng)du-c^l(9);
[0036]由此，
（10);Slb= 0.5(dLl+dRl) (11)；
[0037] 其中，Θib表示通過式（10)計(jì)算得到的單位時(shí)間內(nèi)機(jī)器人所轉(zhuǎn)過的角度，r為左 輪和右輪之間的距離；Slb為單位時(shí)間內(nèi)左輪和右輪的路程平均值；
[0038]同時(shí)AXib= S ibcos Θ ib (12) ; Δ Yib= S ibsin Θ ib (13)；
[0039]結(jié)合上式（10)~（13)，得到機(jī)器人當(dāng)前坐標(biāo)（Xb，Yb)，
[0040] (Xb,Yb) = (Xlbl+AXib,Yibl+AYib) (14);
[0041]603、通過步驟601和步驟602所得的坐標(biāo)（Xa，Ya)和（Xb，Yb)，獲得機(jī)器人的精確 坐標(biāo)為（X，Y) = (AXa+BXb，AYa+BYb)，
[0042] 其中，A是陀螺儀的置信度值，B是增量型旋轉(zhuǎn)編碼器的置信度值，A和B是通過以 下方法分別獲得的：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 其中Θ為機(jī)器人機(jī)身上的超聲波測距傳感器在能夠收到來自充電基座的超聲波 信號范圍內(nèi)，機(jī)器人和充電基座與X軸之間的實(shí)時(shí)夾角。
[0047] 進(jìn)一步地，步驟七中的障礙物的邊長為L，包括小型障礙、大型障礙和墻形障礙，其 避障方法如下：
[0048] (1)L< 25cm的為小型障礙，機(jī)器人遇到小型障礙時(shí)，在距離小型障礙5cm處，環(huán)繞 小型障礙清掃一圈，繼續(xù)沿原清掃路線前進(jìn)；
[0049] (2)25 <L彡100cm的為大型障礙，在距離大型障礙5cm處清掃一圈，然后在距離 大型障礙物15cm處清掃一圈；通過