清潔機器人室內場景地圖建模方法及機器人的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及室內清潔機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環(huán)境下清潔機器人進行地圖建模的方法。
【背景技術】
[0002]智能清潔機器人是家用服務機器人的一種，具有掃地省時、省力，功能多樣化，輕便小巧等特點，可大大減輕人的勞動負擔，正成為機器人研宄的熱點，它具有較高的科研價值。同時，智能清掃機器人作為智能移動機器人的一個特殊的應用，繼承了智能移動機器人的若干關鍵性技術，比如傳感器技術、定位技術等等；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。能夠代替重復性的體力勞動，降低人工勞動強度，廣泛應用于家庭、公共場所、學校等諸多復雜環(huán)境，因此具有廣闊的市場前景。
[0003]雖然目前國內在清潔機器人方面的研宄已經取得一定的成果，但仍然有很多關鍵性技術值得研宄，定位技術就是其中之一。為了最大范圍內的清掃室內地面，需要機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的位置信息，在建立室內場景地圖后，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有的清潔機器人多采用以下兩種方法:一、利用機器人自身攜帶的激光雷達隨機在室內環(huán)境移動，由于激光雷達返回值較精確、誤差小，經過一段時間后，就能準確建立起室內場景地圖。二、在室內墻壁及障礙物上標記，通過機器人攜帶的紅外傳感器等感測裝置來感知障礙物的位置，以此來建立室內場景地圖。第一種方法優(yōu)點是所建立的場景地圖較精確，誤差較??；缺點是激光雷達價格昂貴，難以普及普通家庭。第二種方法優(yōu)點是成本較低，能夠粗略建立起室內環(huán)境模型；缺點是需要人為設置標記，使用不方便。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種清潔機器人室內場景地圖建模方法及機器人，以解決低成本室內場景地圖建模的技術問題。
[0005]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種清潔機器人室內場景地圖建模方法，包括如下步驟:
[0006]步驟SI，清潔機器人在室內沿室內邊界繞行一周，以獲得室內邊界位置信息；以及
[0007]步驟S2，通過清潔機器人隨機行走，獲得孤島障礙物信息；
[0008]步驟S3，建立室內場景地圖。
[0009]進一步，所述步驟SI中清潔機器人在室內沿室內邊界繞行一周獲得室內邊界位置信息的方法包括:
[0010]步驟S101，先確定室內場景坐標系，即，根據機器人起始位置及起始朝向確定所述室內場景坐標系的原點位置及X軸、Y軸；
[0011]步驟S102，通過航位推測法推算清潔機器人在繞行時，所述清潔機器人的中心點在室內場景坐標系的坐標位置及當前清潔機器人的朝向，并根據該坐標位置、朝向及清潔機器人的自身坐標系計算出位于清潔機器人的且斜向分布的超聲波傳感器所對應的邊界測量點在室內場景坐標系的位置坐標；所述清潔機器人在室內沿室內邊界繞行一周，以獲得相對于室內場景坐標系的室內邊界位置信息。
[0012]進一步，所述步驟S102中根據所述坐標位置、朝向及清潔機器人的自身坐標系計算出位于所述位置坐標的方法包括:
[0013]設邊界測量點的位置坐標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為清潔機器人的中心點在室內場景坐標系的坐標位置，D為超聲波傳感器與所述邊界測量點的直線距離，a為所述中心點到超聲波傳感器的距離，Th為所述自身坐標系中X’軸與室內場景坐標系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系中Y’軸的安裝夾角。
[0017]進一步，所述步驟S2中還包括孤島障礙物的判斷方法包括:
[0018]當遇到障礙物時，根據所述室內邊界位置信息判斷是否是邊界；
[0019]若為邊界，則轉180°后，再次隨機移動；
[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場景地圖建模的清潔機器人，包括:呈圓餅形的機器人本體，沿所述機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器人本體的兩側；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器人沿室內邊界繞行一周，以獲得室內邊界位置信息；以及還控制清潔機器人通過隨機行走，獲得孤島障礙物信息，以建立室內場景地圖。
[0022]進一步，所述室內邊界位置信息的建立包括:
[0023]先確定室內場景坐標系，即，根據機器人起始位置及起始朝向確定所述室內場景坐標系的原點位置及X軸、Y軸；
[0024]再獲取一斜向分布的超聲波傳感器所對應的邊界測量點在所述室內場景坐標系的位置坐標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為清潔機器人的中心點在室內場景坐標系的坐標位置，D為超聲波傳感器與所述邊界測量點的直線距離，a為中心點到超聲波傳感器的距離，Th為所述自身坐標系中X’軸與室內場景坐標系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)明通過清潔機器人自身攜帶的多傳感器陣列記錄室內障礙物和墻壁位置信息，從而對簡單室內場景進行地圖建模。由于普通家庭室內環(huán)境較簡單，清潔機器人通過航位推算法推算出清潔機器人的中心點在室內場景坐標系的坐標位置及當前清潔機器人的朝向，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；并結合超聲波傳感器探測到的障礙物距離，推算出室內邊界(障礙物，例如但不限于墻壁、柜體等能夠影響室內邊界的物品)，從而建立起概略的室內環(huán)境地圖，基本能夠滿足家用清潔機器人的定位需要。
【附圖說明】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0030]圖1為清潔機器人的各超聲波傳感器分布及自身坐標系圖；
[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為機器人行走探測流程圖；
[0033]圖4為機器人探測室內環(huán)境示意圖。
【具體實施方式】
[0034]現在結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。
[0035]本發(fā)明的工作原理是:本發(fā)明采用一種利用室內清潔機器人自身攜帶的多傳感器陣列記錄室內障礙物和墻壁位置信息，從而對簡單室內場景進行地圖建模的方法。由于普通家庭室內環(huán)境較簡單，清潔機器人通過航位推算法推算出清潔機器人的中心點在室內場景坐標系的坐標位置及當前清潔機器人的朝向，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；并結合超聲波傳感器探測到的障礙物距離，推算出室內邊界(障礙物，例如但不限于墻壁、柜體等能夠影響室內邊界的物品)，從而建立起概略的室內環(huán)境地圖，基本能夠滿足家用清潔機器人的定位需要。
[0036]實施例1
[0037]圖1為清潔機器人的各超聲波傳感器分布及自身坐標系圖。
[0038]具體的，圖1中機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。機器人的自身坐標系是以俯視圖圓心為坐標原點O’，機器人正前方為X’軸正方向，垂直于X’軸且指向機器人左側為Y’軸正方向。規(guī)定機器人俯視圖的圓半徑為a，因此原點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是機器人自身坐標系中V軸與室內場景坐標系的X軸的夾角，取值范圍為[-90°，90° ]，且規(guī)定當機器人自身坐標系中X’軸正方向(順時針方向)偏向邊界測量點方向時Th為負，遠離則Th為正。圖2所示為偏向邊界測量點方向，此時的Th取負值。圖2中的D表示超聲波傳感器dl測得到邊界測量點(圖中E點)的距