專利名稱：一種清掃機器人和清掃機器人的行走控制方法
技術領域：
本發明涉及自動控制技術領域，特別是涉及一種清掃機器人和清掃機器人的行走 控制方法。
背景技術：
目前，全自動室內清掃機器人在市場上已經廣泛推廣使用。為了控制成本，多數 清掃機器人依靠紅外或超聲波探頭探測障礙物，識別距離，再結合一些算法程序，以制定在 室內行走控制策略，達到基本覆蓋所需清掃的區域。現有技術的方法所帶來的最大問題在 于工作效率低，表現為清掃機器人行走看似沒有規律，通常室內的每個區域會被重復清掃4 至5次，而經常個別區域1次也沒有被清掃。有些清掃機器人，使用諸如高精度GPRS全球衛 星定位技術、激光投影結合CCD數字光電圖像傳感器技術、高精度電子羅盤等技術，雖然實 現了清掃行程的高效規劃，但其造價呈幾倍甚至十幾倍增長，市場的接受能力也大大降低。總之，需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何能夠提供一種清 掃機器人的行走控制技術，進行高效率的清掃行程規劃，且成本較低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種清掃機器人的行走控制方法，在保證適當 成本的前提下，實現高效率的清掃任務。為了解決上述問題，本發明公開了一種清掃機器人，包括車輪、車輪驅動電機、清 掃部件、兩個激光發射器、六個光電轉換接收頭和控制模塊；所述清掃部件設置在機身運動方向前端；與運動方向垂直的機身兩側分別對稱的安裝一個激光發射器以及三個光電轉換 接收頭；所述激光發射器為LED點狀激光發射器，激光發射方向與運動方向垂直；在機身一 側上，其中兩個光電轉換接收頭用于檢測漫反射激光，安裝在機身上LED點狀激光發射器 出瞳位置的兩側；另一個光電轉換接收頭用于標定行走方向，安裝在激光發射器出瞳位置 的正上方與激光發射方向平行的狹縫后端，當機身運動方向與平面反光鏡平行時，接收到 入射到平面反光鏡的反射激光；所述控制模塊，用于對清掃機器人的行走進行控制。此外本發明還公開了一種清掃機器人的行走控制方法，所述清掃機器人為如權利 要求1所述的清掃機器人；所述方法包括在清掃室內的墻面上安裝一平面反光鏡，安裝高度保證激光入射到鏡面上；其中， 所述平面反光鏡中央設有一條豎向的不反光面；不反光面處的法線方向為χ軸正方向，與 平面反光鏡平行的水平方向為Y軸方向，豎向不反光面的中心點為X、Y平面的原點；依據光電轉換接收頭接收的激光發射器入射到平面反光鏡的反射激光的變化，標 定清掃機器人的行走方向和原點的位置；所述行走方向包括χ方向和Y方向；通過清掃機器人的控制模塊計算清掃機器人在X、Y方向的行走距離，在室內地坪對清掃機器人進行定位；清掃機器人在X、Y平面內進行正交行走清掃，依據行走過程中的定位，記錄已完 成清掃覆蓋的區域，并識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋。優選的，所述標定清掃機器人的行走方向，包括Al，清掃機器人由任意位置進入室內開始行走；A2，當用于檢測漫反射的光電轉換接收頭接收到反射激光時，判斷激光發射器發 射的激光入射到平面反光鏡上，則控制清掃機器人停止前進；A3，清掃機器人在原地以小角度旋轉機身；A4，當用于標定行走方向的光電轉換接收頭通過機身上的狹縫接收到反射激光 時，判斷激光垂直入射到平面反光鏡，確定當前行走的方向為Y方向，與Y方向垂直的方向 為X方向。進一步，平面反光鏡面上的入射激光與入射點法線的夾角為進入角，鏡面邊緣兩 側的法線與鏡面圍成的區域為角度判斷區；如果激光發射器出瞳位置尚未進入角度判斷 區，則該進入角為負；如果激光發射器出瞳位置進入角度判斷區，則稱該進入角為正；如果進入角為正，則所述步驟A3為清掃機器人直接在原地以小角度旋轉機身，直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到 鏡面反射激光而被觸發；如果進入角為負，則所述步驟A3為清掃機器人在原地以小角度旋轉機身，當用于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭 丟失信號時，控制清掃機器人反向旋轉一角度；再次行走至檢測漫反射激光的光電轉換接收頭接收到反射激光，當前的進入角為 正；清掃機器人在原地以小角度旋轉機身，直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到鏡面 反射激光而被觸發。優選的，所述標定原點的位置包括Bi，確定當前行走的方向為Y方向之后，清掃機器人再次沿該方向前進；B2,當機身一側三個光電轉換接收頭接收的反射激光均丟失時，將清掃機器人在Y 軸上的位置清零；B3，清掃機器人向平面反光鏡方向作90度轉向，之后前進直至行走至墻面端頭， 確定該點為X、Y平面的原點。優選的，所述在室內地坪對清掃機器人進行定位，包括Cl，清掃機器人沿著與X方向或Y方向的方向前進或后退，依據清掃機器人驅動車 輪的步進電機或伺服電機的轉動步數，計算在X軸和Y軸方向上的行走距離；C2，依據X軸和Y軸方向上的行走距離，確定清掃機器人在X、Y平面上的坐標，對 清掃機器人進行定位。優選的，所述清掃機器人在X、Y平面內進行正交行走清掃，包括D1，從原點開始沿X軸正向前進預置距離后，向左/右做90度轉向；所述預置距離 為清掃面的寬度；D2，進行行走方向的標定和Y軸的位置清零；
D3，以當前X軸上位置為出發點，沿Y方向前進進行清掃，直至遇到障礙物停止；D4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回至X軸上的出發點；D5，向右/左做90度轉向，并返回步驟Dl ；D6，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸一側區域的清 掃，退回至X軸上的正向邊界點；D7，向左/右旋轉90度，沿X軸負向前進，直至到達原點；D8，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸另一側區域的 清掃；其中，角度轉向與上一側區域的清掃相反。優選的，所述依據行走過程中的定位，記錄已完成清掃覆蓋的區域，包括清掃機器人每次沿Y方向清掃完成退回至X軸時，記錄當次清掃工作完成的清掃 區域；其中，所述清掃區域為與清掃機器人清掃面寬度等寬的，垂直于X軸的長條形區 域；所述清掃區域的記錄包括在X軸正方向的位置和在Y軸正方向或負向上前進停止的位置。優選的，所述清掃機器人機身上的兩側設置有紅外或超聲波探頭；則所述識別未 清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋，包括E1，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到上一清掃區域 方向有可進入空間、且該空間區域無清掃記錄時，清掃機器人停止前進，該停止點作為覆蓋 停止點；E2，在當前覆蓋停止點處原地向上一清掃區域方向做90度轉向；E3，前進行走，直至到達障礙物或某一清掃記錄的區域邊界而停止；E4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點；E5，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行El E5步驟，直至探頭探測到上一清掃區域方向無可進入空間，完成對 未清掃區域覆蓋。優選的，所述識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋，還包括F1，對室內地坪完成一次正交行走清掃，在下一次清掃過程中沿Y方向行走時，調 用上一次正交行走清掃中的與當前清掃區域對應的下一清掃區域的記錄；F2，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到所述下一清掃 區域方向有可進入空間，且上一次正交行走清掃中無對應清掃記錄時，清掃機器人停止前 進，該停止點作為覆蓋停止點；F3，在當前覆蓋停止點處原地向下一清掃區域方向做90度轉向；F4，前行走進，直至到達障礙物或上一次正交行走中某一記錄的清掃區域邊界而
停止；F5，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點；F6，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行Fl F5步驟，直至探頭探測到下一清掃區域方向無可進入空間，完成對 未清掃區域覆蓋。與現有技術相比，本發明具有以下優點
本發明提出的清掃機器人行走控制方法，使用低價的LED激光發射器、光電轉換 接收頭、平面反光鏡，與有自主控制能力，由步進/伺服電機驅動車輪行走的現有清掃機器 人結合，解決了清掃機器人行走時的方向控制和定位參考的難題。通過執行正交行走工作 過程，清掃機器人可對室內絕大部分區域進行覆蓋。通過高效的路徑規劃控制，顯著提高了 單位時間清掃機器人的工作效率，避免了重復清掃的區域和遺漏的區域。進一步，所述清掃機器人機身上的兩側設置有紅外或超聲波探頭，用于發現可進 入空間，通過在該空間內的行走，可實現室內障礙物遮擋空間后的區域清掃。
圖1是本發明一種清掃機器人實施例的結構示意圖；圖2是是本發明一種清掃機器人的行走控制方法實施例的流程圖；圖3是本發明實施例所述的一種平面反光鏡的正視圖；圖4是本發明實施例所述的一種平面反光鏡的俯視圖；圖5是進入角的原理示意圖；圖6是標定清掃機器人的行走方向的原理圖；圖7是清掃機器人在Y軸上的位置清零過程的示意圖；圖8是清掃機器人在室內定位的示意圖；圖9是清掃機器人進行正交行走清掃的示意圖；圖10是按照本發明實施例所述的行走控制方法可覆蓋的室內區域圖；圖11是本發明實施例中清掃機器人進行正交行走清掃所記錄的清掃區域圖；圖12是本發明實施例中清掃機器人在正交行走中對遮擋區域完成的清掃區域 圖；圖13是本發明實施例中清掃機器人完成室內地坪的全面清掃覆蓋的區域圖；圖中1、平面反光鏡的反光鏡面部分；2、平面反光鏡的不反光面；3、不反光面的 垂直法線方向；4、與平面反光鏡平行的水平方向；5、LED點狀激光發射器；6、光電轉換接 收頭；7、車輪；8、步進電機/伺服電機；9、電動毛刷輥子；10、清掃機器人；11、狹縫；12、入 射激光；13、反射激光；14、進入角；15、清掃機器人前進方向；16、入射激光向前進方向的偏 轉；17、正交行走清掃工作過程完成的清掃區域；18、針對未清掃的遮擋區域完成的清掃區 域。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。清掃機器人要實現高效有序的室內清掃，關鍵在于機器人在室內定位時需要參照 物，行走時需要高精度的方向指導，還有對已完成和未完成清掃區域的識別。為了在市場較 易接受的成本區間內解決行走控制問題，本發明提出一種清掃機器人行走控制方法，采用 相對價廉的傳感系統和更有效的算法程序，使清掃機器人能夠在室內有高精度方向指引， 精確的定位，能對工作區域識別記錄。從而高效完成室內清掃工作。參見圖1，示出了本發明一種清掃機器人實施例的結構示意圖；其中，圖1(a)為清掃機器人的整體結構圖；圖1(b)為清掃機器人的一側的放大結構示意圖。所述機器人包 括車輪、車輪驅動電機、清掃部件、兩個激光發射器、六個光電轉換接收頭和控制模塊。所述清掃部件設置在機身運動方向前端，本實施例中所述清掃部件為電動毛刷棍 子9 ；與運動方向垂直的機身兩側分別對稱的安裝一個激光發射器5以及三個光電轉 換接收頭6 ；所述激光發射器為LED點狀激光發射器，激光發射方向與運動方向垂直；在機 身一側上，其中兩個光電轉換接收頭用于檢測漫反射激光，安裝在機身上激光發射器出瞳 位置的兩側；另一個光電轉換接收頭用于標定行走方向(以下簡稱定向)，安裝在激光發射 器出瞳位置的正上方與激光發射方向平行的狹縫后端，當機身運動方向與平面反光鏡平行 時，接收到入射到平面反光鏡的反射激光；所述控制模塊，用于對清掃機器人的行走進行控制。具體的，所述清掃機器人10的車輪7由驅動清掃機器人車輪的步進電機或伺服電 機8驅動，車輪7既可以使清掃機器人10沿直線前進或后退，也可以使清掃機器人在原地 以兩輪距中心為圓心旋轉。清掃機器人上安裝的同機身寬度的電動毛刷輥子9用于在清掃 機器人前進時，通過高速旋轉清掃地面。進一步，所述激光發射器為點光束LED激光發射器；所述光電轉換接收頭與激光 發射器的發射光同波長。所述用于檢測漫反射激光的接收頭安裝在車體表面，與激光發射 器出瞳位置保持一定間距即可。用于定向的接收頭在清掃機器人機身上激光發射器出瞳位 置正上方的狹縫后，接收頭透鏡正中正對狹縫中央。具體實施時，可以開設一寬3毫米，深 度為3厘米狹縫。需要說明的是，安裝激光發射器時要對出瞳激光，即經過發射器透鏡聚焦后向外 投射的激光，與清掃機器人機身上開出的狹縫11，進行平行度的校準。假定清掃機器人機身 上開出的狹縫11的走向，與機身的垂直度在加工上是有保證的。則狹縫與出瞳激光平行度 的校準的方法是，首先選取一地面平整度誤差在千分之一以內，長度10米的室內環境，即 鋪裝地面后平整度達標的住宅即可。在10米長度一端設置一面垂直地面的平面反光鏡，另 一端在地面彈線與平面反光鏡面平行。將光電轉換接收頭6的透鏡中央對準清掃機器人機 身上開出的狹縫11中央安裝，此接收頭用于定向，清掃機器人10放置在地面彈線位置，其 前進方向與地面彈線平行。可上下左右微調LED點狀激光發射器5的出瞳方向，直至用于 定向的接收頭被平面反光鏡反射的激光觸發，此時出瞳激光與狹縫的平行度校準完成。用 于檢測漫反射激光的接收頭，安裝在LED點狀激光發射器5出瞳位置兩側的機身表面，與出 瞳位置的間隔距離，以投射激光與鏡面法線夾角在2度以內，漫反射激光可觸發任意一側 的接收頭為準來設置。參照圖2，示出了本發明一種清掃機器人的行走控制方法實施例的流程圖，所述方 法包括步驟201，在清掃室內的墻面上安裝一平面反光鏡，安裝高度保證激光入射到鏡面 上；其中，所述平面反光鏡中央設有一條豎向的不反光面，不反光面處的法線方向為X軸正 方向，與平面反光鏡平行的水平方向為Y軸方向，豎向不反光面的中心點為X、Y平面的原占.
^ \\\ 如圖3所示，為本發明實施例所述的一種平面反光鏡的正視圖。在該實施例中，平
9面反光鏡的反光鏡面部分1，寬度為10厘米，高度為7厘米。將裁減成3毫米寬，7厘米高 的不反光材料粘貼在鏡面正中央，形成平面反光鏡的不反光面2。如圖4所示，為本發明實施例所述的一種平面反光鏡的俯視圖。不反光鏡面的垂 直法線方向3，即室內地坪虛擬2維平面的X軸正方向，與平面反光鏡面平行的水平方向4， 即室內地坪虛擬2維平面的Y軸方向。具體的，將室內地坪虛擬為2維平面，在室內長度或寬度方向上，選取室內端頭墻 面，與清掃機器人高度相仿一點作為虛擬2維平面的X軸和Y軸的原點，在該點垂直地面安 裝一面向室內的平面反光鏡，可以使平面反光鏡安裝高度中心與清掃機器人上所安裝激光 發射器出瞳(激光發射器透鏡)位置等高。確定X軸的方向和位置時，應注意在自零點開 始至另一端墻面之間，沿軸線都需要有足夠清掃機器人進行180度旋轉的空間。步驟202，依據光電轉換接收頭接收的激光發射器入射到平面反光鏡的反射激光 的變化，標定清掃機器人的行走方向和原點的位置；所述行走方向包括x方向和Y方向；本步驟對清掃機器人行走的方向和原點進行確定，該方法是一種利用激光準直度 和鏡面反射給定方向的方法。具體的，所述標定清掃機器人的行走方向包括如下子步驟Al，清掃機器人由任意位置進入室內開始行走；一般的，可以設置清掃機器人的初始方向行走，使其沿著與X軸垂直的方向，即Y 方向，以任意位置進入室內。A2，當用于檢測漫反射的光電轉換接收頭接收到反射激光時，判斷激光發射器發 射的激光入射到平面反光鏡上，則控制清掃機器人停止前進；當清掃機器人接近X軸位置時，所安裝的激光發射器發射激光，待激光照射至平 面反光鏡時，鏡面產生少量漫反射激光，則安裝在清掃機器人上與該激光發射器同側的，用 于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭將檢測到反射激光并輸出信號至清掃機器人內部的 控制系統，則控制清掃機器人停止行走。A3，清掃機器人在原地以小角度旋轉機身；A4，當用于標定行走方向的光電轉換接收頭通過機身上的狹縫接收到反射激光 時，判斷激光垂直入射到平面反光鏡，確定當前行走的方向為Y方向，與Y方向垂直的方向 為X方向。平面反光鏡面上的入射激光與入射點法線的夾角為進入角，鏡面邊緣兩側的法線 與鏡面圍成的區域為角度判斷區。清掃機器人從角度判斷區之外向角度判斷區行走，如果 激光發射器出瞳位置尚未進入角度判斷區，激光入射到反光鏡上，則該進入角為負；如果激 光發射器出瞳位置進入角度判斷區，激光入射到反光鏡上，則稱該進入角為正。清掃機器人由其他位置進入需要清掃的室內，或者在正交行走工作過程中，都會 由于地面平整度誤差、兩個或多個驅動車輪外徑誤差、各輪摩擦力不同等因素，導致無法非 常準確地保持方向，造成行走過程中前進方向的偏轉。通常這一偏差不超過1 %，約0. 57 度，即每行走1米，方向偏差1厘米，但持續行走會累積偏差。如圖5所示，為進入角的原理示意圖；其中，圖5(a)為整體原理示意圖；圖5(b)為 局部放大原理示意圖。當清掃機器人接近室內二維虛擬平面的X軸，即平面反光鏡面垂直 法線方向3位置時，入射激光12投射到平面反光鏡的反光鏡面部分1的邊緣，反射激光13 觸發安裝在清掃機器人機身上用于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭6。此時，清掃機器人10停止，入射激光12與平面反光鏡面垂直法線方向3形成的夾角稱為進入角14。隨后清掃機器人進入校正方向程序，目標是使激光發射器出瞳方向與平面反光鏡 法線方向平行，此時足夠強鏡面反射激光線進入機身上的狹縫，從而觸發用于定向的光電 接收頭。如果進入角為正，則所述步驟A3為清掃機器人直接在原地以小角度旋轉機身， 直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到鏡面反射激光而被觸發。也就是說在進入角為正的情況下，當機身旋轉至入射激光垂直入射鏡面時，足夠 強的反射激光將進入機身上的狹縫并觸發光電轉換接收頭，此時清掃機器人停止旋轉，行 走的方向確定，清掃機器人行走方向與虛擬X軸方向垂直。此后清掃機器人在室內只會按 照此方向和與之垂直的方向，即沿著與虛擬X、Y軸平行或重合的方向前進或后退。如果進入角為負，則所述步驟A3為清掃機器人在原地以小角度旋轉機身，當用 于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭丟失信號時，控制清掃機器人反向旋轉一角度；再次 行走至檢測漫反射激光的光電轉換接收頭接收到反射激光，當前的進入角為正；清掃機器 人在原地以小角度旋轉機身，直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到鏡面反射激光而被觸 發。也就是說在進入角為負的情況下，當機身旋轉至激光入射鏡面中的3毫米寬不反 光面時，用于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭丟失信號，清掃機器人控制系統判定出進 入角為負，則控制清掃機器人反向旋轉一小角度以調整進入角至正。再次行走至檢測漫反 射激光的光電轉換接收頭接收到反射激光，按照入射角為正的方法進行方向校正。如圖6所示，為標定清掃機器人的行走方向的原理圖。該圖以進入角為正進行說 明。清掃機器人10原地緩慢轉動機身，使入射激光12在平面反光鏡面上的入射點繼續沿 機身前進方向15移動，入射激光向前進方向進行偏轉，直至入射激光12垂直入射鏡面時， 足夠強的反射激光13將進入清掃機器人機身上開出的狹縫11并觸發光電轉換接收頭6，此 時清掃機器人10停止旋轉，行走的方向確定。進一步，所述標定原點的位置包括如下子步驟Bi，確定當前行走的方向為Y方向之后，控制清掃機器人再次沿該方向前進；此時，用于定向的和用于檢測漫反射的光電轉換接收頭均能接受到反射激光。B2，當機身一側的三個光電轉換接收頭接收的反射激光丟失時，將清掃機器人在Y 軸上的位置清零；如圖7所示，為清掃機器人在Y軸上的位置清零過程的示意圖。當清掃機器人10 行走方向確定后，繼續前進，直至入射激光12平移至平面反光鏡中央不反光面2。此時用于 檢測漫反射激光和定向的光電轉換接收頭6會同時丟失信號，清掃機器人10停車，在此位 置LED點狀激光發射器5出瞳位置與虛擬X軸重合，該過程稱為Y軸方向距離清零程序。B3，清掃機器人向平面反光鏡方向作90度轉向，之后前進直至行走至墻面端頭， 確定該點為為X、Y平面的原點。轉向完成后前進直至行走至墻面端頭，即為平面反光鏡處的原點位置，此時清掃 機器人控制系統中關于行走距離的相關記錄置零。步驟203，通過清掃機器人的控制模塊計算清掃機器人在X、Y方向的行走距離，在 室內地坪對清掃機器人進行定位；
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清掃機器人在室內定位的方法是在行走方向和原點給定完成的基礎上，通過計算 清掃機器人在虛擬X、Y軸方向上行走距離來定位的方法。清掃機器人由步進或伺服電機驅 動車輪行走，由于步進或伺服電機轉動使用單片機給定驅動步數以旋轉相應的角度，因此 可根據步進或伺服電機轉動步數計算行走距離。具體的，所述在室內地坪對清掃機器人進 行定位具體包括如下子步驟Cl,清掃機器人沿著與X方向或Y方向的方向前進或后退，依據清掃機器人驅動車 輪的步進電機或伺服電機的轉動步數，計算在X軸和Y軸方向上的行走距離；C2，依據X軸和Y軸方向上的行走距離，確定清掃機器人在X、Y平面上的坐標，對 清掃機器人進行定位。也就是說，行走方向標定后，清掃機器人在室內只會沿著與虛擬X、Y軸平行或重 合的方向前進或后退。而轉向都是在原地利用差速原理進行90度轉向。通過計算在X軸 和在Y軸方向上行走的距離，可確定清掃機器人在虛擬2維平面上的坐標，從而實現清掃機 器人在室內的定位。參見圖8，為清掃機器人在室內定位的示意圖。如圖所示，在一典型的室內環境中， 選取一側端頭墻面安裝平面反光鏡，平面反光鏡面垂直法線方向3為室內地坪虛擬二維平 面X軸方向，與反光鏡面平行方向4，為室內地坪虛擬2維平面的Y軸方向。清掃機器人10 在室內只會沿著與虛擬Χ、Υ軸平行或重合的方向前進或后退。而轉向都是在原地利用差速 原理進行90度轉向。如圖所示，通過計算在X軸和在Y軸方向上行走的距離，可確定清掃 機器人在虛擬2維平面上的坐標，從而實現清掃機器人在室內的定位。步驟204，清掃機器人在X、Y平面內進行正交行走清掃，依據行走過程中的定位， 記錄已完成清掃覆蓋的區域，并識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋。其中，所述清掃機器人在X、Y平面內進行正交行走清掃，具體包括如下子步驟D1，沿X軸正向前進預置距離后，向左/右做90度轉向；所述預置距離為清掃面的 寬度；根據清掃機器人清掃面寬度來設定每次前進的距離，可以保證清掃區域的連續 性。D2，進行行走方向的標定和Y軸的位置清零；D3，以當前X軸上位置為出發點，沿Y方向前進進行清掃，直至遇到障礙物停止；D4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回至X軸上的出發點；D5，向右/左做90度轉向，并返回步驟Dl ；D6，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸一側區域的清 掃，退回至X軸上的正向邊界點；D7，向左/右旋轉90度，沿X軸負向前進，直至到達原點；此時清掃機器人控制系統中關于行走距離的相關記錄置零。D8，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸另一側區域的 清掃；其中，角度轉向與上一側區域的清掃相反。需要說明的是，清掃機器人完成X軸一側區域的清掃后，也可以不退回至原點，而 是從X軸的正向邊界點向原點的方向進行行走清掃，則此時，執行完步驟D6后，向左/右旋 轉180度，再進行Y方向的行走清掃，此處不再贅述。
進一步，清掃機器人在室內行走的完全覆蓋控制方法是在行走的方向確定，并且 獲得有效定位的基礎上，在正交行走工作過程中，利用對已完成清掃工作的區域的記錄，識 別未完成清掃工作區域，從而達到清掃室內完全覆蓋的方法。具體的，所述依據行走過程中的定位，記錄已完成清掃覆蓋的區域，包括清掃機器人每次沿Y方向清掃完成退回至X軸時，記錄當次清掃工作完成的清掃 區域；其中，所述清掃區域為與清掃機器人清掃面寬度等寬的，垂直于X軸的長條形區域; 所述清掃區域的記錄包括在X軸正方向的位置和在Y軸正方向或負向上前進停止的位置。也就是說，對已完成清掃工作的區域的記錄，是指在清掃機器人行走工作的基本 程序中，清掃機器人每次沿與Y軸平行方向行走工作完成后返回X軸時，清掃機器人內部的 控制系統記錄當次清掃工作完成的區域。如圖9所示，為清掃機器人進行正交行走清掃的示意圖。圖中陰影部分表現的是 清掃機器人控制系統能夠每次記錄下的已完成清掃工作的區域，即與清掃機器人清掃面寬 度等同，垂直于虛擬X軸的長條形區域。需要說明的是，通常室內地坪是不規則的區域，通過步驟Dl D8進行室內清掃， 可能會使得有些區域因為障礙物的遮擋(在障礙物之后)，而不能使清掃機器人進入。則在 本發明的一個實施例中，所述清掃機器人機身上的兩側設置有紅外或超聲波探頭；則所述 識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋，包括E1，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到上一清掃區域 方向有可進入空間、且該空間區域無清掃記錄時，清掃機器人停止前進，該停止點作為覆蓋 停止點；E2，在當前覆蓋停止點處原地向上一清掃區域方向做90度轉向；E3，前進行走，直至到達障礙物或某一清掃記錄的區域邊界而停止；E4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點；E5，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行El E5步驟，直至探頭探測到上一清掃區域方向無可進入空間，完成對 未清掃區域覆蓋。可以理解的是，清掃機器人對于未清掃區域(被障礙物遮擋的區域)覆蓋工作完 成時，最后一次在退回覆蓋停止點，向上一清掃區域反相一側完成90度轉向，變為在Y軸方 向上的后退狀態后，則返回到清掃機器人正交行走清掃工作的基本程序中。上述子步驟完成了位于障礙物之后的，已清掃區域一側的遮擋區域的清掃，有些 情況下，遮擋區域位于未清掃區域一側，則在本發明的另一個優選實施例中，被所述識別未 清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋，還包括F1，對室內地坪完成一次正交行走清掃，在下一次清掃過程中沿Y方向行走時，調 用上一次正交行走清掃中的與當前清掃區域對應的下一清掃區域的記錄；F2，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到所述下一清掃 區域方向有可進入空間，且上一次正交行走清掃中無對應清掃記錄時，清掃機器人停止前 進，該停止點作為覆蓋停止點；F3，在當前覆蓋停止點處原地向下一清掃區域方向做90度轉向；F4，前行走進，直至到達障礙物或上一次正交行走中某一清掃記錄的區域邊界而
13停止；F5，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點；F6，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行Fl F5步驟，直至探頭探測到下一清掃區域方向無可進入空間，完成對 未清掃區域覆蓋。如圖10所示，為按照本發明實施例所述的行走控制方法可覆蓋的室內區域圖。其 圖中空白部分為清掃機器人控制系統記錄的正交行走工作過程完成清掃區域17，而陰影部 分為針對未清掃的遮擋區域完成的清掃區域18。圖11是本發明實施例中清掃機器人進行正交行走清掃所記錄的清掃區域圖。也 即剔除家具后，清掃機器人控制系統記錄的正交行走清掃工作過程完成的清掃區域17所 圍合形成的區域，該區域實際由圖9中所示的連續的、垂直于虛擬X軸的長條形區域構成。圖12是本發明實施例中清掃機器人在正交行走中對遮擋區域完成的清掃區域 圖；剔除家具后，針對未清掃的遮擋區域完成的清掃區域18，由不連續的平行于虛擬X軸的 長條形區域構成。圖13是本發明實施例中清掃機器人完成對室內地坪的全面清掃覆蓋的區域圖。 也即，圖13是圖11和圖12所示區域的合成圖。以上對本發明所提供的一種清掃機器人和清掃機器人的行走控制方法，進行了詳 細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說 明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據 本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不 應理解為對本發明的限制。
權利要求
一種清掃機器人，其特征在于，包括車輪、車輪驅動電機、清掃部件、兩個激光發射器、六個光電轉換接收頭和控制模塊；所述清掃部件設置在機身運動方向前端；與運動方向垂直的機身兩側分別對稱的安裝一個激光發射器以及三個光電轉換接收頭；所述激光發射器為LED點狀激光發射器，激光發射方向與運動方向垂直；在機身一側上，其中兩個光電轉換接收頭用于檢測漫反射激光，安裝在機身上LED點狀激光發射器出瞳位置的兩側；另一個光電轉換接收頭用于標定行走方向，安裝在激光發射器出瞳位置的正上方與激光發射方向平行的狹縫后端，當機身運動方向與平面反光鏡平行時，接收到入射到平面反光鏡的反射激光；所述控制模塊，用于對清掃機器人的行走進行控制。
2.一種清掃機器人的行走控制方法，其特征在于，所述清掃機器人為如權利要求1所 述的清掃機器人；所述方法包括在清掃室內的墻面上安裝一平面反光鏡，安裝高度保證激光入射到鏡面上；其中，所述 平面反光鏡中央設有一條豎向的不反光面；不反光面處的法線方向為X軸正方向，與平面 反光鏡平行的水平方向為Y軸方向，豎向不反光面的中心點為X、Y平面的原點；依據光電轉換接收頭接收的激光發射器入射到平面反光鏡的反射激光的變化，標定清 掃機器人的行走方向和原點的位置；所述行走方向包括Χ方向和Y方向；通過清掃機器人的控制模塊計算清掃機器人在X、Y方向的行走距離，在室內地坪對清 掃機器人進行定位；清掃機器人在X、Y平面內進行正交行走清掃，依據行走過程中的定位，記錄已完成清 掃覆蓋的區域，并識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述標定清掃機器人的行走方向，包括 Al，清掃機器人由任意位置進入室內開始行走；Α2，當用于檢測漫反射的光電轉換接收頭接收到反射激光時，判斷激光發射器發射的 激光入射到平面反光鏡上，則控制清掃機器人停止前進； A3，清掃機器人在原地以小角度旋轉機身；Α4，當用于標定行走方向的光電轉換接收頭通過機身上的狹縫接收到反射激光時，判 斷激光垂直入射到平面反光鏡，確定當前行走的方向為Y方向，與Y方向垂直的方向為X方 向。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，平面反光鏡面上的入射激光與入射點法線的夾角為進入角，鏡面邊緣兩側的法線與鏡 面圍成的區域為角度判斷區；如果激光發射器出瞳位置尚未進入角度判斷區，則該進入角 為負；如果激光發射器出瞳位置進入角度判斷區，則稱該進入角為正； 如果進入角為正，則所述步驟A3為清掃機器人直接在原地以小角度旋轉機身，直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到鏡面 反射激光而被觸發；如果進入角為負，則所述步驟A3為清掃機器人在原地以小角度旋轉機身，當用于檢測漫反射激光的光電轉換接收頭丟失 信號時，控制清掃機器人反向旋轉一角度；再次行走至檢測漫反射激光的光電轉換接收頭接收到反射激光，當前的進入角為正； 清掃機器人在原地以小角度旋轉機身，直到狹縫內的光電轉換接收頭接收到鏡面反射 激光而被觸發。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述標定原點的位置包括 Bi，確定當前行走的方向為Y方向之后，清掃機器人再次沿該方向前進；B2，當機身一側三個光電轉換接收頭接收的反射激光均丟失時，將清掃機器人在Y軸 上的位置清零；B3，清掃機器人向平面反光鏡方向作90度轉向，之后前進直至行走至墻面端頭，確定 該點為X、Y平面的原點。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述在室內地坪對清掃機器人進行定位，包括Cl，清掃機器人沿著與X方向或Y方向的方向前進或后退，依據清掃機器人驅動車輪的 步進電機或伺服電機的轉動步數，計算在X軸和Y軸方向上的行走距離；C2，依據X軸和Y軸方向上的行走距離，確定清掃機器人在X、Y平面上的坐標，對清掃 機器人進行定位。
7.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述清掃機器人在X、Y平面內進行正交行 走清掃，包括Dl,從原點開始沿X軸正向前進預置距離后，向左/右做90度轉向；所述預置距離為清 掃面的寬度；D2，進行行走方向的標定和Y軸的位置清零；D3，以當前X軸上位置為出發點，沿Y方向前進進行清掃，直至遇到障礙物停止； D4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回至X軸上的出發點； D5，向右/左做90度轉向，并返回步驟Dl ；D6，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸一側區域的清掃，退 回至X軸上的正向邊界點；D7，向左/右旋轉90度，沿X軸負向前進，直至到達原點；D8，依次循環執行步驟Dl D5，直至到達X軸的正向邊界完成X軸另一側區域的清掃； 其中，角度轉向與上一側區域的清掃相反。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述依據行走過程中的定位，記錄已完成清 掃覆蓋的區域，包括清掃機器人每次沿Y方向清掃完成退回至X軸時，記錄當次清掃工作完成的清掃區域；其中，所述清掃區域為與清掃機器人清掃面寬度等寬的，垂直于X軸的長條形區域；所 述清掃區域的記錄包括在X軸正方向的位置和在Y軸正方向或負向上前進停止的位置。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述清掃機器人機身上的兩側設置有紅外或超聲波探頭；則所述識別未清掃的區域， 完成對室內地坪的全面清掃覆蓋，包括E1，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到上一清掃區域方向 有可進入空間、且該空間區域無清掃記錄時，清掃機器人停止前進，該停止點作為覆蓋停止E2，在當前覆蓋停止點處原地向上一清掃區域方向做90度轉向； E3，前進行走，直至到達障礙物或某一清掃記錄的區域邊界而停止； E4，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點； E5，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行El E5步驟，直至探頭探測到上一清掃區域方向無可進入空間，完成對未清 掃區域覆蓋。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述識別未清掃的區域，完成對室內地坪 的全面清掃覆蓋，還包括F1，對室內地坪完成一次正交行走清掃，在下一次清掃過程中沿Y方向行走時，調用上 一次正交行走清掃中的與當前清掃區域對應的下一清掃區域的記錄；F2，沿Y方向清掃完退回至X軸過程中，當紅外或超聲波探頭探測到所述下一清掃區域 方向有可進入空間，且上一次正交行走清掃中無對應清掃記錄時，清掃機器人停止前進，該 停止點作為覆蓋停止點；F3，在當前覆蓋停止點處原地向下一清掃區域方向做90度轉向；F4，前行走進，直至到達障礙物或上一次正交行走中某一記錄的清掃區域邊界而停止；F5，根據所記錄的該次前進的距離沿原路徑退回到覆蓋停止點； F6，反方向轉90度后，后退清掃面寬度的距離；循環執行Fl F5步驟，直至探頭探測到下一清掃區域方向無可進入空間，完成對未清 掃區域覆蓋。
全文摘要
本發明提供了一種清掃機器人和清掃機器人的行走控制方法；所述方法包括在清掃室內的墻面上安裝一平面反光鏡；平面反光鏡中央設有一條豎向的不反光面；不反光面處的法線方向為X軸正方向，與平面反光鏡平行的水平方向為Y軸方向，豎向不反光面的中心點為X、Y平面的原點；依據光電轉換接收頭接收的激光發射器入射到平面反光鏡的反射激光的變化，標定清掃機器人的行走方向和原點的位置；通過清掃機器人的控制模塊計算清掃機器人在X、Y方向的行走距離，在室內地坪對清掃機器人進行定位；依據行走過程中的定位，記錄已完成清掃覆蓋的區域，并識別未清掃的區域，完成對室內地坪的全面清掃覆蓋。本發明可實現高效率的清掃任務，且成本較低。
文檔編號G05D1/00GK101916110SQ201010251088
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者方正 申請人:方正