基于先進路徑規劃技術的智能清潔機器人及其清潔方法
【專利說明】基于先進路徑規劃技術的智能清潔機器人及其清潔方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能車領域，具體涉及一種基于先進路徑規劃技術的智能清潔機器人 及其清潔方法。 【【背景技術】】
[0002] 目前，公知的掃地機器的機身為無線機器，以圓盤型為主。使用充電電池為電源運 作，操作方式以遙控器、機器上的操作面板為主。一般能設定時間預約打掃，自行充電。機 器人前方設置有傳感器，可偵測障礙物，如偵測到墻壁或其他障礙物，會自行轉彎，依據不 同廠商設定，而按不同的判斷機制行駛，有規劃的清掃地區。（部分較早期機型可能缺少其 中部分功能）。一般的掃地機器人采用的是隨機路徑清掃方式，其清掃面積覆蓋率低，容易 發生部分房間與角落的漏掃和重復清掃，且清潔耗時長。 【
【發明內容】
】
[0003] 本發明的目的在于克服現有技術中存在的問題，提供一種基于先進路徑規劃技術 的智能清潔機器人及其清潔方法，該機器人能夠自動完成地板清理工作，能自動記錄環境 地圖判斷自己的位置并規劃出清潔路徑進行清潔。
[0004] 為了達到上述目的，本發明清潔機器人采用如下技術方案：
[0005] 包括安裝在機器人機身上的外部環境信息探測系統、實時定位系統、主控制系統、 電機驅動模塊以及電源，其中：
[0006] 外部環境信息探測系統用于探測外部環境信息；實時定位系統用于獲取機器人自 身所在的實時位置；主控制系統用于獲取外部環境信息探測系統探測的外部環境信息，并 建立柵格地圖，通過結合柵格地圖和實時位置，用先進路徑規劃算法規劃出清掃路徑；電機 驅動模塊用于驅動機器人按規劃出的清掃路徑運行并進行清掃；電源用于給主控制系統和 電機驅動模塊供電。
[0007] 進一步地，外部環境信息探測系統包括均勻布置在機器人機身前側的若干個紅外 反射傳感器，以及均勻布置在機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] 進一步地，實時定位系統包括用于獲取機器人角速度的陀螺儀、用于采集機器人 加速度的三軸加速度計以及用來采集機器人實時速度的增量型旋轉編碼器。
[0009] 進一步地，主控制系統還用于調整機器人的運行模式和行駛速度。
[0010] 進一步地，機器人的機身側面安裝有用來檢測障礙的避障傳感器，以及用于記錄 突發碰撞情況的碰撞傳感器。
[0011] 進一步地，機器人的機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] 進一步地，電機驅動模塊包括與主控制器相連的驅動電路，驅動電路同時連接用 于控制機器人運動的第一無刷直流電機和用于控制機器人清潔的第二無刷直流電機。
[0013] 本發明清潔方法采用如下技術方案，包括以下步驟：
[0014] 步驟一，對機器人進行初始化；
[0015] 步驟二，用戶對機器人進行功能選擇；
[0016] 步驟三：以充電基座為坐標原點，并在機器人工作平面上建立直角坐標系，通過機 器人機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 器人是否位于充電基座及電量是否充足，在機器人位于充電基座且電量充足時，進入步驟 四，否則返回充電基座并在電量不足時進行充電，然后進入步驟四；
[0017] 步驟四：探測機器人外部環境信息，建立柵格地圖；
[0018] 步驟五：在柵格地圖中將待清潔的區域分割成單元區域，先找出單元區域的邊界 作為清掃路徑的第一步，然后在整塊的矩形區域中橫坐標不變，沿著縱坐標從小到大方向 移動，到達頂端后，再沿著水平方向移動一個柵格，然后縱坐標從大到小方向移動，依次進 行，直至規劃出清掃路徑；
[0019] 步驟六：按規劃出的清掃路徑運行，進行清掃，并完成航跡推算定位；
[0020] 步驟七：在清掃過程中，進行路障掃描，遇到障礙時進行避障同時把障礙物所在位 置信息記錄進地圖數據中；
[0021] 步驟八：判斷是否打掃完全部可清潔柵格，若清掃完成則進入步驟九；若沒有結 束，返回步驟三；
[0022] 步驟九：結束。
[0023] 進一步地，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的單位時間，通過陀螺儀獲取一次機器人的加速度 ，通過三軸加速度計采集一次機器人的角速度I，其中參數角標i表示第i次測量，計算 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表示機器人的實時速度，Sla表示在第i個Δt時間內的位移，Θia表示 通過式（3)計算得到的單位時間內機器人所轉過的角度；并由以上式（1)~（3)得到：
[0029] AXia=SlacosΘia(4)
[0030] ΔYia=SlasinΘia (5)
[0031] 其中，AXia表示X坐標的增量，AYia表示Y坐標的增量；并由以上式⑷~（5) 得到機器人當前坐標（Xa，Ya):
[0032] (Xa,Ya) = (Xlal+AXla,Ylal+AYia) (6);
[0033] 602、機器人行駛的左輪和右輪分別連接第一無刷直流電機，第一無刷直流電機上 均安裝有增量型旋轉編碼器；在清掃過程中，在每個At的單位時間內，分別獲取左輪側的 增量型旋轉編碼器發出的脈沖數nLi和右輪側的增量型旋轉編碼器發出的脈沖數nRi，得 到單位時間內左輪所走過的路程du和單位時間內右輪所走過的路程dRl:
[0034]
[0035] 其中，m為增量型旋轉編碼器轉一圈所發出的脈沖數，R表示左輪和右輪的半徑， 從而，單位時間內左輪和右輪的路程差Idu-c^l(9);
[0036]由此，
（10);Slb= 0.5(dLl+dRl) (11)；
[0037] 其中，Θib表示通過式（10)計算得到的單位時間內機器人所轉過的角度，r為左 輪和右輪之間的距離；Slb為單位時間內左輪和右輪的路程平均值；
[0038]同時AXib= S ibcos Θ ib (12) ; Δ Yib= S ibsin Θ ib (13)；
[0039]結合上式（10)~（13)，得到機器人當前坐標（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（Xa，Ya)和（Xb，Yb)，獲得機器人的精確 坐標為（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為機器人機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，機器人和充電基座與X軸之間的實時夾角。
[0047] 進一步地，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，機器人遇到小型障礙時，在距離小型障礙5cm處，環繞 小型障礙清掃一圈，繼續沿原清掃路線前進；
[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