专利名称：单目家用清洁机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及清洁机器人，特别是用图像处理技术来实现家用清洁机器人的避 障功能，并能对特殊物品进行拍摄、贮存、显示的单目家用清洁机器人。
背景技术：
清洁机器人又称自动吸尘器，它融合了多项人工智能技术，广泛应用于家庭、宾 馆、写字楼等环境下的半自动或全自动清洁。目前，家用清洁机器人的结构包括控制系统、感知系统、吸尘系统等，其中控制系 统以处理器芯片为中心，感知系统大多由感应探测器组成包括超声波传感器、红外传感器 和防碰撞传感器等。感知系统的各传感器分别与处理器芯片连接，处理器芯片通过驱动电 路与驱动电机连接，驱动电机与移动机构连接。现有技术对家用清洁机器人的移动机构、控制系统、吸尘系统等的研究已经具备 了良好的基础，但在障碍物检测、自主避障以及路径规划等方面还有很大不足，这也是制约 清洁机器人自动化程度和清洁效率的主要因素。现在市面上大多数家用清洁机器人可以对 房间做出测量，自动清洁房间的每个角落、记录理想设置，躲避墙壁和楼梯。虽然它们大部 分都写明具有躲避障碍物的能力，但实际效果并不很好。原因是其中的避障系统大都采用 传感器避障，而运用最多的还是超声波传感器和红外传感器，它们设置在清洁机器人的前 半个端面上，通过检测反射回来的信号来判别障碍物的远近，从而躲避障碍物。首先，虽然超声波传感器有环境适应能力强，价格便宜，不容易损坏等优点，也被 广泛应用于避障系统中。但这种传感器的缺点也是很明显的，比如波束角大、方向性差、在 非垂直的反射下测距很不稳定，当移动机器人偏离平行墙面时，探测系统往往很难得到实 际的距离；另外，超声波这种发散特性在应用与测量障碍物的时候，只能提供目标障碍物的 距离信息，而不能提供目标的方向和边界信息，所以存在着一定的局限性，虽然在实际应用 中采用其他一些传感器来弥补，但效果并不是很好。特别对于运动物体的检测，问题就更加 突出，致使清洁机器人缺乏足够的自我防卫功能，因为清洁机器人工作时的环境是不确定 的，而且它们的个头一般又很小，很容易就出现被踢到、被撞到的问题，特别是在家人走动 频繁、有小孩、有宠物的情况下，问题就更加突出，而且清洁机器人属于较精密器件，稍有不 慎就会损坏，所以应该尽量避免这样的事情发生。此外，清洁机器人对每一个可以清洁的地方都要走到，所以对房间的每个角落都 很熟悉，现在的清洁机器人没能很好的利用这一点开发出它的潜在价值，造成清洁机器人 功能较单一，不方便查看各个角落的清洁情况，如果能开发出更新更人性化的功能将对这 类机器人提供更大的发展空间，也更容易走进千万百姓家。
发明内容本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种具有较好的避障功 能、便于用户查看清洁信息的单目家用清洁机器人。[0008]本实用新型的目的是通过下述的技术方案来实现的一种单目家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的处理器芯片、存储器、以及 分别与处理器芯片连接的超声波传感器、红外传感器和防碰撞传感器，与现有技术不同的 是增设有分别与处理器芯片连接的摄像头和显示屏。所述的摄像头的像素为30万，设置在清洁机器人的顶端靠前处与壳体固接。所述 的显示屏设置在壳体上。所述的处理器芯片为ARM9、ARMlO或ARMll系列芯片。还设有与处理器芯片连接的报警器。还设有分别与处理器芯片连接的一组LED灯和光敏传感器。所述的LED灯和光敏传感器设置在清洁机器人的前端与壳体固连。由于涉及到图像处理，所以对处理器芯片的处理速度有更高要求，现有技术中所 采用的如AVR单片机、PIC单片机中的处理器芯片无法完成这类工作，出于价格和空间的考 虑本实用新型采用ARM9系列处理器芯片，或者ARM9以上系列芯片，如ARM10、ARM11系列芯 片。这些芯片的特点是价格低、功耗低、性能高，能和嵌入式操作系统很好结合并且在这方 面的研究也较成熟。出于图像处理速度考虑，摄像头不宜选用太高像素，像素为30万就可以了。显示屏用于显示图片信息。报警器用于提醒人们小心不要碰到清洁机器人。光敏传感器用于检测光线强度，当光线不足时开启LED灯，方便摄像头拍摄图片。在避障系统方面，本实用新型采用超声波与摄像头传感器相融合的解决方案。平 时清洁机器人上的摄像头传感器是不工作的，检测障碍物由原有的超声波传感器来完成。 超声波传感器采用间断式发出信号并接收信号的方式，由于间断的时间非常短暂，相对于 清洁机器人的行进速度来说，可以将超声波传感器看作是连续工作的，所以，当出现固定障 碍物时也是连续存在的，要消失也是越来越远或者是越来越近，然后离开传感器的工作范 围，通常不太可能出现突然消失的现象，这里的消失不包括障碍物甲被障碍物乙挡住而障 碍物甲突然消失的情况，而是障碍物突然检测不到了。出现这种情况就可能说明，障碍物是 存在的，只是超声波传感器没有检测出来，这时是不能确定障碍物是固定的还是运动的。所 以，一旦出现这种问题，处理器检测到以后，即控制清洁机器人停止前进，处理器立即启动 摄像头传感器，连续拍摄三幅图片，时间间隔应该尽可能短，最好在0. Is左右。然后对前两 幅图片进行分析，处理。处理的方法是先将两幅图片进行灰度化处理，化成灰度图像，让前 一幅图片按像素点逐一的减去后一幅图片，对小于0的像素取绝对值。由于两幅图片拍摄 的地点相同，时间很短，因此可以认为两幅图片的明暗程度是一样的，如果不存在运动的物 体时，那么相减后得到的图片将是一幅全黑的图片，也就是像素为0的图片，当然这时可能 出现图片的噪声干扰，会使像素点不全为0，针对这个问题我们设定一个阈值，处理器对相 减后的灰度图片进行二值化，对于低于阈值的全给0，对于高于阈值的全给1，这个阈值可 以给的很小，但正是有了这个阈值会使得图片中不为0的像素点大为减少，可以认为几乎 没有了，然后再计算这个二值图片中像素为1的点的个数。这时可以再设定一个阈值，当计 算个数小于这个阈值时，就判定两幅图片的变化可以忽略，判定前方没有运动的物体；当计 算个数大于阈值时，说明两幅图片存在很大的变化，从而也说明前方有运动的物体。这时清洁机器人在处理器芯片的控制下立即后退一段距离。这里需要说明的是，就看两幅图片是 不能判断物体是靠近还是远离的，这样做也是出于安全考虑，因为图像处理是需要时间的， 为了防止清洁机器人在数据处理时就碰上运动的物体，所以不管是靠近还是远离，先后退 一段距离。在处理完前两幅图片后，这时就需要第三幅图片了，用第三幅图片与第二幅图片 进行相同的处理，处理后同样计算数值为1的像素个数，用这个值和开始1、2幅图片得到的 值相比较，当2、3幅图得到的数值大时就判断物体在靠近，如果小就判定在远离。因为如果 远离，虽然也会引起像素变化，但变化是越来越小的，而靠近则相反。除了避障系统上的改进外，本实用新型还创新了特殊物品图片记录功能。家用清 洁机器人由于体积、清洁机构的制约，清除的垃圾种类有限，这些垃圾主要包括灰尘、碎纸 屑、毛发等碎而小的东西，不可能清除房间里所有的垃圾，当出现较大或较重的垃圾时，清 洁机器人一般是无法清洁干净的。当出现这种情况时，本设计将通过处理器控制清洁机器 人后退到垃圾前，对垃圾进行拍摄并保存，然后执行下一块区域的清洁。等用户有空时再查 看清洁机器人，这时清洁机器人上的显示屏将显示之前拍摄到的图片，用户就可以手动清 理那些清洁机器人无法清理的垃圾了。此功能还有另外一个用处，就是清洁机器人无法清 洁的垃圾可能是垃圾也可能不是，换句话说就是当一些小东西不慎掉到地上，但人们又没 及时捡起时，如果清洁机器人无法清洁干净也会当垃圾来拍摄，只是用户见到时就不是去 清理垃圾，而是去拾取物品了。比如珍珠、项链、耳环等物品，当他们掉到地上，特别是掉到 桌子底下、床底下时，人们一时难以发现，但清洁机器人每次都要对房间的各个角落进行清 洁，相当于一次地毯式搜索，像珍珠、项链、耳环等贵重物体清洁机器人是无法清洁的，它会 当成垃圾来拍摄图片，事后用户就可以根据图片信息准确的找到这些物品的位置，这将会 省去我们的很多麻烦。本实用新型的优点是在超声波传感器失灵的情况下，运用图像处理技术使清洁 机器人具有良好的避障功能，特别是躲避运动障碍物的功能；对于清洁机器人无法清洁的 垃圾或物品，机器人能自动拍摄图片信息，方便用户查看清洁信息，及时进行清理或拾取。
图1为实施例连接框图；图2为实施例避障系统工作流程图；图3为实施例图片记录系统工作流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型 的限定。实施例参照图1，一种单目家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的处理器芯片1、存 储器10、以及分别与处理器芯片1连接的超声波传感器5、红外传感器6和防碰撞传感器7， 此外，还增设有分别与处理器芯片1连接的摄像头3和显示屏12。摄像头3的像素为30万，设置在清洁机器人的顶端靠前处与壳体固接，该摄像头 采用USB接口和处理器芯片1相连，利用驱动程序来驱动摄像头3，并保存图片于存储器10液晶显示屏。处理器芯片1为ARM9系列芯片如三星公司生产的S3C2440芯片，主频到达 400MHz，最高可达533MHz，处理器芯片还可采用ARMlO或ARMll系列芯片。还设有与处理器芯片1连接的报警器11，用于提醒人们小心不要碰到清洁机器 人。还设有分别与处理器芯片1连接的一组LED灯2和光敏传感器4。LED灯2和光敏传感器4设置在清洁机器人的前端与壳体固连。光敏传感器4用 于检测光线强度，当光线不足时开启LED灯2，方便摄像头3拍摄图片。工作时，由处理器芯片1通过驱动电路8驱动驱动电机9带动清洁机器人的机械 行走部分，如图2所示，在步骤S101，当超声波检测障碍物突然消失时，则启动步骤S102，清 洁机器人立即停止前进；在步骤S103，启动摄像头，连续拍摄三幅图片，进行上述的图像处理；在步骤S104，处理前两幅看结果是否有明显变化，当处理结果显示没有明显变化 时，则启动步骤S109，回到原来位置继续工作；当处理完前两幅图片，显示变化很大时，则 启动步骤S105，后退一段距离，等待第三幅图的处理结果；然后到步骤S106，判断障碍物是否靠近，如果判断的结果是远离，则启动步骤 S109，回到原来位置继续工作；如果判断的结果是靠近，则启动步骤S107，再次后退，并响 起警报；然后到步骤S108，后退一段距离后再次停止，继续从步骤S103开始，直到两幅图 像没有变化或者变化很小为止。出现较大或较重的垃圾，如图3所示，机器人清洁通过红外传感器进行检测，在步 骤S201，当检测到地面没有清洁干净时，则启动步骤S202，清洁机器人将后退一段距离，继 续进行清洁；在步骤S203，是否有后退3次，如果不到3次，垃圾还没有清洁干净，则到步骤 S204,再次对垃圾进行清洁，然后到步骤S205，检测是否清洁干净，如果已干净，则到步骤 S206，继续前进；如果还未干净，则回到步骤S202继续进行；在步骤S203，如果判断已后退3次，则启动步骤S207，开启光敏传感器；在步骤S208，检测是否太暗，如果光线足够，则到步骤S210，开启摄像头，拍摄一 幅图片并保存；然后到步骤S206，继续前进；在步骤S208中，如果光线太暗，则到步骤S209，开启LED灯，然后从步骤S210继续进行。
权利要求1.一种单目家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的处理器芯片、存储器、以及分 别与处理器芯片连接的超声波传感器、红外传感器和防碰撞传感器，其特征在于增设有分 别与处理器芯片连接的摄像头和显示屏。
2.根据权利要求1所述的单目家用清洁机器人，其特征在于所述的摄像头的像素为 30万，设置在清洁机器人的顶端靠前处与壳体固接。
3.根据权利要求1所述的单目家用清洁机器人，其特征在于所述的显示屏设置在壳 体上。
4.根据权利要求1所述的单目家用清洁机器人，其特征在于所述的处理器芯片为 ARM9、ARMlO 或 ARMll 系列芯片。
5.根据权利要求1所述的单目家用清洁机器人，其特征在于还设有与处理器芯片连 接的报警器。
6.根据权利要求1所述的单目家用清洁机器人，其特征在于还设有分别与处理器芯 片连接的一组LED灯和光敏传感器。
7.根据权利要求6所述的单目家用清洁机器人，其特征在于所述的LED灯和光敏传 感器设置在清洁机器人的前端与壳体固连。
专利摘要本实用新型公开了一种单目家用清洁机器人，包括壳体、设置在壳体内的处理器芯片、存储器、以及分别与处理器芯片连接的超声波传感器、红外传感器和防碰撞传感器，其特征在于增设有分别与处理器芯片连接的摄像头和显示屏，还设有与处理器芯片连接的报警器、分别与处理器芯片连接的一组LED灯和光敏传感器。本实用新型的优点是在超声波传感器失灵的情况下，运用图像处理技术使清洁机器人具有良好的避障功能，特别是躲避运动障碍物的功能；对于清洁机器人无法清洁的垃圾或物品，机器人能自动拍摄图片信息，方便用户查看清洁信息，及时进行清理或拾取。
文档编号A47L9/00GK201905823SQ20102069285
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者何少佳, 何湘艳, 刘子扬, 陈勇钢 申请人:桂林电子科技大学