清潔機(jī)器人室內(nèi)場景地圖建模方法及機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及室內(nèi)清潔機(jī)器人的場景地圖建模方法，特別涉及一種基于超聲波傳感器的室內(nèi)環(huán)境下清潔機(jī)器人進(jìn)行地圖建模的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]智能清潔機(jī)器人是家用服務(wù)機(jī)器人的一種，具有掃地省時、省力，功能多樣化，輕便小巧等特點(diǎn)，可大大減輕人的勞動負(fù)擔(dān)，正成為機(jī)器人研宄的熱點(diǎn)，它具有較高的科研價值。同時，智能清掃機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人的一個特殊的應(yīng)用，繼承了智能移動機(jī)器人的若干關(guān)鍵性技術(shù)，比如傳感器技術(shù)、定位技術(shù)等等；同時也有其自身的特殊性，如無需理解三維環(huán)境，需要全部路徑的覆蓋等新的特點(diǎn)。能夠代替重復(fù)性的體力勞動，降低人工勞動強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于家庭、公共場所、學(xué)校等諸多復(fù)雜環(huán)境，因此具有廣闊的市場前景。
[0003]雖然目前國內(nèi)在清潔機(jī)器人方面的研宄已經(jīng)取得一定的成果，但仍然有很多關(guān)鍵性技術(shù)值得研宄，定位技術(shù)就是其中之一。為了最大范圍內(nèi)的清掃室內(nèi)地面，需要機(jī)器人能夠自主感知場景地圖，確定墻壁、障礙物以及自身在室內(nèi)的位置信息，在建立室內(nèi)場景地圖后，才能在不觸碰障礙物的前提下最大范圍的清掃地面，從而提高清掃效率?，F(xiàn)有的清潔機(jī)器人多采用以下兩種方法:一、利用機(jī)器人自身攜帶的激光雷達(dá)隨機(jī)在室內(nèi)環(huán)境移動，由于激光雷達(dá)返回值較精確、誤差小，經(jīng)過一段時間后，就能準(zhǔn)確建立起室內(nèi)場景地圖。二、在室內(nèi)墻壁及障礙物上標(biāo)記，通過機(jī)器人攜帶的紅外傳感器等感測裝置來感知障礙物的位置，以此來建立室內(nèi)場景地圖。第一種方法優(yōu)點(diǎn)是所建立的場景地圖較精確，誤差較小；缺點(diǎn)是激光雷達(dá)價格昂貴，難以普及普通家庭。第二種方法優(yōu)點(diǎn)是成本較低，能夠粗略建立起室內(nèi)環(huán)境模型；缺點(diǎn)是需要人為設(shè)置標(biāo)記，使用不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種清潔機(jī)器人室內(nèi)場景地圖建模方法及機(jī)器人，以解決低成本室內(nèi)場景地圖建模的技術(shù)問題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種清潔機(jī)器人室內(nèi)場景地圖建模方法，包括如下步驟:
[0006]步驟SI，清潔機(jī)器人在室內(nèi)沿室內(nèi)邊界繞行一周，以獲得室內(nèi)邊界位置信息；以及
[0007]步驟S2，通過清潔機(jī)器人隨機(jī)行走，獲得孤島障礙物信息；
[0008]步驟S3，建立室內(nèi)場景地圖。
[0009]進(jìn)一步，所述步驟SI中清潔機(jī)器人在室內(nèi)沿室內(nèi)邊界繞行一周獲得室內(nèi)邊界位置信息的方法包括:
[0010]步驟S101，先確定室內(nèi)場景坐標(biāo)系，即，根據(jù)機(jī)器人起始位置及起始朝向確定所述室內(nèi)場景坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置及X軸、Y軸；
[0011]步驟S102，通過航位推測法推算清潔機(jī)器人在繞行時，所述清潔機(jī)器人的中心點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置及當(dāng)前清潔機(jī)器人的朝向，并根據(jù)該坐標(biāo)位置、朝向及清潔機(jī)器人的自身坐標(biāo)系計算出位于清潔機(jī)器人的且斜向分布的超聲波傳感器所對應(yīng)的邊界測量點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)；所述清潔機(jī)器人在室內(nèi)沿室內(nèi)邊界繞行一周，以獲得相對于室內(nèi)場景坐標(biāo)系的室內(nèi)邊界位置信息。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟S102中根據(jù)所述坐標(biāo)位置、朝向及清潔機(jī)器人的自身坐標(biāo)系計算出位于所述位置坐標(biāo)的方法包括:
[0013]設(shè)邊界測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)E (X1, Y1)；
[0014]其中，X1=XQ+(D+a) Xsin(Th+Θ );
[0015]Y1= Y 0+ (D+a) X cos (Th+ θ )；
[0016]式中，X0, Ytl為清潔機(jī)器人的中心點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置，D為超聲波傳感器與所述邊界測量點(diǎn)的直線距離，a為所述中心點(diǎn)到超聲波傳感器的距離，Th為所述自身坐標(biāo)系中X’軸與室內(nèi)場景坐標(biāo)系X軸的夾角，所述Θ為所述超聲波傳感器的斜向夾角，即相對于所述自身坐標(biāo)系中Y’軸的安裝夾角。
[0017]進(jìn)一步，所述步驟S2中還包括孤島障礙物的判斷方法包括:
[0018]當(dāng)遇到障礙物時，根據(jù)所述室內(nèi)邊界位置信息判斷是否是邊界；
[0019]若為邊界，則轉(zhuǎn)180°后，再次隨機(jī)移動；
[0020]若不為邊界，則判斷其為孤島障礙物；并采用與所述室內(nèi)邊界位置信息相同的方法記錄該孤島障礙物的邊界位置信息。
[0021]又一方面，本發(fā)明還提供了一種適于自主室內(nèi)場景地圖建模的清潔機(jī)器人，包括:呈圓餅形的機(jī)器人本體，沿所述機(jī)器人本體的前半圓周均勻分布有至少5個超聲波傳感器，且一個位于正前方，兩個對稱斜向分布，以及兩個分別位于機(jī)器人本體的兩側(cè)；所述各超聲波傳感器分別與處理器模塊相連；所述處理器模塊適于控制清潔機(jī)器人沿室內(nèi)邊界繞行一周，以獲得室內(nèi)邊界位置信息；以及還控制清潔機(jī)器人通過隨機(jī)行走，獲得孤島障礙物信息，以建立室內(nèi)場景地圖。
[0022]進(jìn)一步，所述室內(nèi)邊界位置信息的建立包括:
[0023]先確定室內(nèi)場景坐標(biāo)系，即，根據(jù)機(jī)器人起始位置及起始朝向確定所述室內(nèi)場景坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置及X軸、Y軸；
[0024]再獲取一斜向分布的超聲波傳感器所對應(yīng)的邊界測量點(diǎn)在所述室內(nèi)場景坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)E (XI，Yl)；
[0025]其中，X1= X ?+ (D+a) Xsin (Th+ Θ )；
[0026]Y1= Y0+ (D+a) X cos (Th+ θ )；
[0027]式中，Χ0、Υ0為清潔機(jī)器人的中心點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置，D為超聲波傳感器與所述邊界測量點(diǎn)的直線距離，a為中心點(diǎn)到超聲波傳感器的距離，Th為所述自身坐標(biāo)系中X’軸與室內(nèi)場景坐標(biāo)系X軸的夾角，所述Θ為超聲波傳感器相對于所述自身坐標(biāo)系中Y’軸的安裝夾角。
[0028]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過清潔機(jī)器人自身攜帶的多傳感器陣列記錄室內(nèi)障礙物和墻壁位置信息，從而對簡單室內(nèi)場景進(jìn)行地圖建模。由于普通家庭室內(nèi)環(huán)境較簡單，清潔機(jī)器人通過航位推算法推算出清潔機(jī)器人的中心點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置及當(dāng)前清潔機(jī)器人的朝向，即通過左右輪增量式編碼器以及電子羅盤得到的自身位置信息；并結(jié)合超聲波傳感器探測到的障礙物距離，推算出室內(nèi)邊界(障礙物，例如但不限于墻壁、柜體等能夠影響室內(nèi)邊界的物品)，從而建立起概略的室內(nèi)環(huán)境地圖，基本能夠滿足家用清潔機(jī)器人的定位需要。
【附圖說明】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0030]圖1為清潔機(jī)器人的各超聲波傳感器分布及自身坐標(biāo)系圖；
[0031]圖2為利用超聲波傳感器推測障礙物位置信息的原理圖；
[0032]圖3為機(jī)器人行走探測流程圖；
[0033]圖4為機(jī)器人探測室內(nèi)環(huán)境示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
[0035]本發(fā)明的工作原理是:本發(fā)明采用一種利用室內(nèi)清潔機(jī)器人自身攜帶的多傳感器陣列記錄室內(nèi)障礙物和墻壁位置信息，從而對簡單室內(nèi)場景進(jìn)行地圖建模的方法。由于普通家庭室內(nèi)環(huán)境較簡單，清潔機(jī)器人通過航位推算法推算出清潔機(jī)器人的中心點(diǎn)在室內(nèi)場景坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置及當(dāng)前清潔機(jī)器人的朝向，即通過左右輪增量式編碼器以及電子羅盤得到的自身位置信息；并結(jié)合超聲波傳感器探測到的障礙物距離，推算出室內(nèi)邊界(障礙物，例如但不限于墻壁、柜體等能夠影響室內(nèi)邊界的物品)，從而建立起概略的室內(nèi)環(huán)境地圖，基本能夠滿足家用清潔機(jī)器人的定位需要。
[0036]實(shí)施例1
[0037]圖1為清潔機(jī)器人的各超聲波傳感器分布及自身坐標(biāo)系圖。
[0038]具體的，圖1中機(jī)器人本體的外形為圓餅形，前方半圓周上對稱分布著d0?d4共5個超聲波傳感器，可以為5個超聲波傳感器，也可以為8個超聲波傳感器分布。機(jī)器人的自身坐標(biāo)系是以俯視圖圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)O’，機(jī)器人正前方為X’軸正方向，垂直于X’軸且指向機(jī)器人左側(cè)為Y’軸正方向。規(guī)定機(jī)器人俯視圖的圓半徑為a，因此原點(diǎn)O’到超聲波傳感器dl距離也為a，且超聲波傳感器dl與原點(diǎn)O’的連線與Y’軸的夾角為Θ，即所述斜向夾角或安裝夾角。
[0039]圖2為利用超聲波傳感器推測障礙物位置信息的原理圖。
[0040]具體的，Th是機(jī)器人自身坐標(biāo)系中V軸與室內(nèi)場景坐標(biāo)系的X軸的夾角，取值范圍為[-90°，90° ]，且規(guī)定當(dāng)機(jī)器人自身坐標(biāo)系中X’軸正方向(順時針方向)偏向邊界測量點(diǎn)方向時Th為負(fù)，遠(yuǎn)離則Th為正。圖2所示為偏向邊界測量點(diǎn)方向，此時的Th取負(fù)值。圖2中的D表示超聲波傳感器dl測得到邊界測量點(diǎn)(圖中E點(diǎn))的距