一种扫地机器人室内导航系统及方法与流程

本发明涉及智能家居清洁设备技术领域，涉及一种扫地机器人，具体是指一种扫地机器人室内导航系统及方法。

背景技术：

目前，人们通过扫地机器人以减轻或替代人工清扫地面。随着室内扫地机器人的层出不穷，日新月异的扫地机器人正在走进人们的生活，不同行业、不同用途的扫地机器人在移动算法上各有差异。对于大型空间室内清洁来说，室内扫地机器人的移动轨迹不仅需要尽可能将室内面积覆盖，同时，还需要具有智能避障、绕障等功能，然而现有室内扫地机器人来说，其还不能完全的实现智能避障、绕障功能。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种扫地机器人室内导航系统及方法，其通过区域路径导航轨迹方式和动态导航轨迹方式，以解决现有扫地机器人的无法智能避障、绕障的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种扫地机器人室内导航系统：包括定位导航模块和与其通信连接的超声波传感器、防跌落传感器、触边传感器、红外传感器、安全激光扫描仪及激光扫描仪；其中，

超声波传感器，用于检测扫地机器人周边障碍物距离状况，并将障碍物距离状况信息传输到所述的定位导航模块；

防跌落传感器，用于监测扫地机器人悬空状态，并将悬空状态信息传输到所述的定位导航模块；

触边传感器，用于检测扫地机器人触碰障碍物，并将触碰障碍物信息传输到所述的定位导航模块；

安全激光扫描仪，用于检测扫地机器人周边障碍物的安全等级区域，并将安全等级区域信息传输到所述的定位导航模块；

激光扫描仪，用于检测机器人周围环境状况，并输出点云数据地图到所述的定位导航模块；

红外传感器，用于检测扫地机器人周围一定范围内障碍物状况，并将障碍物状况信息传输到所述的定位导航模块；

定位导航模块，用于接收各传感器和扫描仪的信息后进行处理，并输出定位轨迹移动信息。

上述的一种扫地机器人室内导航系统还包括轮子，所述的轮子与定位导航模块通信连接，所述的定位轨迹移动信息传输到所述的轮子。定位导航模块通过输出位轨迹移动信息给轮子的驱动电机，驱动电机驱动轮子向自定方向移动。

上述的超声波传感器包括20-40超声波探头分布于扫地机器人的全身。

上述的防跌落传感器安装在扫地机器人地盘的四个角上、所述的触边传感器包裹在扫地机器人的四边上；所述的红外传感器安装在扫地机器人的四边上；所述的激光扫描仪设置在扫地机器人的前方，所述的安全激光扫描仪分别设置在扫地机器人的前、后方。

一种扫地机器人室内导航方法，其特征在于：所述的扫地机器人在清扫区域内按”弓”字形轨迹移动。

上述一种扫地机器人室内导航方法，还包括下述步骤：

1)扫地机器人向前方移动，遇到障碍物时，如可通过，则绕障碍物外边沿行走，执行步骤3)；如不能通过，则执行步骤2；

2)扫地机器人向后方移动，探测到向右侧移动的缺口，执行步骤3；如探测不到向右侧移动的缺口，执行步骤4；

3)扫地机器人向右侧移动一个滚刷宽度的距离；

4)扫地机器人向后方移动，遇到障碍物时预备向右侧移动，如不能通过，则执行步骤5；如能通过执行步骤6；

5)扫地机器人向前方移动，探测到向右侧移动的缺口，执行步骤6；如探测不到缺口，执行步骤7；

6)扫地机器人向右侧移动一个滚刷宽度的距离；

7)扫地机器人向前方移动；

8)重复1-7步骤，直到向右侧和后方不能移动。

上述一种扫地机器人室内导航方法，还包括下述步骤：

1)扫地机器人向前方移动，遇到动态障碍物时停止运动；

2)判断障碍物后路线距离；路线距离近；则预备右侧移动一个滚刷宽度的距离；可以通行，执行步骤3，不能通过，执行步骤4；

3)则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离后；扫地机器人向后方移动；

4)扫地机器人向后方移动，探测到向右侧移动的缺口，执行步骤4；如探测不到向右侧移动的缺口，执行步骤5；

5)则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离；扫地机器人向后方移动；

6)扫地机器人向后方移动；

7)遇到动态障碍物后停止运动；

8)重复步骤2-7，直到不能探测到向右移动的缺口。

上述一种扫地机器人室内导航方法，还包括下述步骤：

1)扫地机器人向前方移动，遇到动态障碍物时停止运动；

2)判断障碍物后路线距离；路线距离远；则预备向右侧移动并探测向前侧移动的缺口；

3)探测到向前侧移动缺口，则往右行驶一个滚刷宽度的距离，继续向前行驶并探测向左移动的缺口；

4)探测向左移动缺口，则往前行驶一个滚刷宽度的距离，继续向左行驶并回上一个向前行驶的轨迹上继续向前行驶；

5)重复步骤1-4。

上述一种扫地机器人室内导航方法，还包括下述步骤：

1)扫地机器人向前方移动，遇到动态障碍物时停止运动；

2)判断障碍物后路线距离；路线距离远；则预备向左侧移动并探测向前侧移动的缺口；

3)探测到向前侧移动缺口，则往左行驶一个滚刷宽度的距离，继续向前行驶并探测向右移动的缺口；

4)探测向右移动缺口，则往前行驶一个滚刷宽度的距离，继续向右行驶并回上一个向前行驶的轨迹上继续向前行驶；

5)重复步骤1-4。

上述一种扫地机器人室内导航方法，还包括下述步骤：

1)所述扫地机器人的超声波传感器检测到距离障碍物距离小于1.5m时，所述的扫地机器人开始减速，当距离障碍物距离小于0.5m时，所述的扫地机器人停止运动；

2)所述扫地机器人的的防跌落传感器检测到悬空状态时，所述的扫地机器人停止运动；

3)所述扫地机器人的触边传感器检测到障碍物时，所述的扫地机器人停止运动；

4)所述扫地机器人的安全激光扫描仪检测到障碍物在安全激光等级3区域内时，所述的扫地机器人进行减速预处理；检测到障碍物在安全激光等级2区域内时，所述的扫地机器人进行减速处理，测到障碍物在安全激光等级1区域内时，所述的扫地机器人停止运动。

上述的扫地机器人停止运动后，转向后退20cm再进行运动。当扫地机器人的急停按钮按下后，扫地机器人不能再运动。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、本发明通过在扫地机器人上设置的各种传感器、扫描仪及导航模块，可以检测扫地机器人周围的环境状况，用于扫地机器人的清扫行走，使扫地机器人智能的绕障行走，实现地面的智能、有效清洁。

2、本发明通过扫地机器人上设置的各种传感器、扫描仪及导航模块，可使机器人按“弓”字清扫轨迹行走，当遇到障碍物时可绕过障碍物沿原路径方向行驶，实现了地面空白区域的完全清洁，清扫覆盖面积率高。

附图说明

图1是本发明扫地机器人室内导航系统结构框图。

图2是本发明实施例1清洁示意图。

图3是本发明实施例2清洁示意图。

图中，1-定位导航模块，2-超声波传感器，3-防跌落传感器，4-激光扫描仪，5-触边传感器，6-红外传感器，7-安全激光扫描仪，8-轮子，9-清洁区域，10-块状区域，11-移动轨迹，12-空白区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参见图1。一种扫地机器人室内导航系统，包括定位导航模块1和与其通信连接的超声波传感器2、防跌落传感器3、触边传感器5、红外传感器6、安全激光扫描仪7及激光扫描仪4。同时，所述的定位导航模块1还与扫地机器人的轮子8通信连接，定位导航模块1通过控制左、右电机的转动带动轮子转动，使扫地机器人可以向不同方向移动。

所述的超声波传感器2，用于检测扫地机器人周边障碍物距离状况，并将障碍物距离状况信息传输到所述的定位导航模块1。超声波传感器2可根据不同类型的扫地机器人，根据各类型的机器人大小，遍布整个扫地机器人的全身安装有20-40个超声波探头，全方位检测扫地机器人周边20-30cm之外的障碍物状况。

所述的防跌落传感器3，用于监测扫地机器人的悬空状态，并将悬空状态信息传输到所述的定位导航模块1。防跌落传感器3包括四个传感器模块，四个传感器模块分别设置在扫地机器人地盘的四个角上，实时监测机器人悬空状态，一旦某一个方位的传感器模块检测到悬空状态，则将该方位的悬空状态信息传输到定位导航模块1，供定位导航模块1做出指令。

所述的触边传感器5，用于检测扫地机器人触碰障碍物，并将触碰障碍物信息传输到所述的定位导航模块1。在扫地机器人的四个方位上设置有四个，分别包裹着机器人的前、后、左、右四边，实时检测扫地机器人触碰到障碍物，一旦某一个边的触边传感器触碰到障碍物，则将该边障碍物信息传输到定位导航模块1，供定位导航模块1做出指令。

所述的安全激光扫描仪7，用于检测扫地机器人周边安全等级区域，并将安全等级区域信息传输到所述的定位导航模块1。安全激光扫描仪7分别设置在扫地机器人的前、后方，实时检测扫地机器人四周的障碍物情况，安全激光扫描仪设置有三个安全等级区域，将监测到不同安全区域的障碍物信息传输到定位导航模块，使定位导航模块1做出不同的避障措施。

所述的红外传感器6，用于检测扫地机器人周围一定范围内障碍物状况，并将障碍物状况信息传输到所述的定位导航模块1。在扫地机器人的四个方位上设置有四个，分别设置在扫地机器人的前、后、左、右四边，实时检测扫地机器人方圆20-30cm范围内的障碍物状况，并将障碍物信息传输到所述的定位导航模块1，供定位导航模块做出指令。

所述激光扫描仪4，用于检测机器人周围环境状况，并输出点云数据地图到所述的定位导航模块。激光扫描仪设置在扫地机器人的前方，定位导航模块1读取激光扫描仪的点云数据解析构成临时地图，读取并解析超声波传感器状态信息、防跌落传感器状态信息、碰边传感器状态信息及安全激光扫描仪安全等级状态信息并将状态信息传输到定位导航模块1，定位导航模块1对扫地机器人做出行驶状态的处理：

所述的定位导航模块1作为整个系统的中枢模块，用于接收超声波传感器2、防跌落传感器3、触边传感器5、红外传感器6、安全激光扫描仪7及激光扫描仪4信息并进行处理，然后输出定位轨迹移动信息到轮子8的电机，使电机带动轮子不同方向的移动，实现扫地机器人的运动。

本发明的扫地机器人在进行固定的区域(静态全局区域地图或静态块状区域地图)清洁时，扫地机器人按照预先设定好的运动轨迹移动，即以“弓”字形运动轨迹移动避开障碍物实现区域地面的清洁。

具体的说，所述的扫地机器人室内导航方法，包括下述步骤：

1)扫地机器人向前方移动，遇到障碍物时，如可通过，则绕障碍物外边沿行走，执行步骤3；如不能通过，则执行步骤2；

2)扫地机器人向后方移动，探测到向右侧移动的缺口，执行步骤3；如探测不到向右侧移动的缺口，执行步骤4；

3)扫地机器人向右侧移动一个滚刷宽度的距离；

4)扫地机器人向后方移动，遇到障碍物时预备向右侧移动，如不能通过，则执行步骤5；如能通过执行步骤6；

5)扫地机器人向前方移动，探测到向右侧移动的缺口，执行步骤6；如探测不到缺口，执行步骤7；

6)扫地机器人向右侧移动一个滚刷宽度的距离；

7)扫地机器人向前方移动；

8)重复1-7步骤，直到向右侧和后方不能移动。

扫地机器人在不固定的区域(也就是动态区域地图)进行清洁时扫地机器人要移动时，首先读取激光扫描仪点云数据区域地图，并解析超声波传感器状态信息、防跌落传感器状态信息、碰边传感器状态信息、安全激光扫描仪安全等级状态信息，然后将状态信息传输到定位导航模块，定位导航模块根据各个状态信息按“弓”字形的移动轨迹行走；当遇到障碍物时，定位导航模块根据以下其中任意一种状态情况下都必须作出扫地机器人行驶状态处理，即将移动定位信息传递轮子电机，使轮子移动，其中所述的状态情况包括：

1)扫地机器人的超声波传感器检测到距离障碍物距离小于1.5m时，所述的扫地机器人开始减速，当距离障碍物距离小于0.5m时，所述的扫地机器人停止运动；

2)扫地机器人的的防跌落传感器检测到悬空状态时，所述的扫地机器人停止运动；再根据悬空状态进行前进或退后处理，任意一方向的防跌落传感器检测到障碍物时，则扫地机器人往与该方向相反的方向后退20cm再根据周围障碍物进行转向行驶；

3)扫地机器人的触边传感器检测到障碍物时，所述的扫地机器人停止运动；再根据触边传感器检测到障碍物情况进行前进或退后处理，任意一方向的触边传感器检测到障碍物时，则扫地机器人往与该方向相反的方向后退20cm再根据周围障碍物进行转向行驶；

4)扫地机器人的安全激光扫描仪检测到障碍物在安全激光等级3区域内时，所述的扫地机器人进行减速预处理；检测到障碍物在安全激光等级2区域内时，所述的扫地机器人进行减速处理，检测到障碍物在安全激光等级1区域内时，所述的扫地机器人停止运动；

5)扫地机器人的急停开关按下时，扫地机器人立即停止运动。

除上述的状态情况后，所述的扫地机器人的导航方法，包括下述步骤：

从起点往前行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往右行驶再向下行驶，若不可以往右行驶则直接掉头往下行驶，并再一个能往右行驶的缺口，找到缺口后往右行驶一个滚刷宽度的距离再往下行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往右行驶再向上行驶，若不可以往右行驶则直接掉头往下行驶，并再一个能往右行驶的缺口，依次循环，直到不能再找到一个向右的缺口表示向右方向清扫完成，再回到起点。

实施例1

静态全局地图导航清洁。

参见图2。在室内清洁区域地图内，所述的扫地机器人以o点坐标作为起始位置点来清洁空旷区域的地面，在所述的空旷区域内有障碍物a、障碍物b和障碍物c依次成一列相互间隔位于空旷区域中部。扫地机器人预先设定好避障路线，扫地机器人以“弓”字形的运动轨迹绕开障碍物依次往复移动，以避开空白区域的障碍物a、障碍物b和障碍物c来清洁空旷区域。

首先扫地机器人从起始位置点o开始先向北运动，到达清洁区域北边缘时，向东移动一个滚刷的宽度后再折向南运动，以“弓”字形轨迹依次向东移动，沿清洁区域南北边缘运动，当运动到障碍物a和障碍物b之间的空白区域时，直接穿过障碍物a和障碍物b空白区域后再继续向北运动到清洁区域的北边缘，然后在以“弓”字形轨迹依次向东移动，沿清洁区域南北边缘运动，直到运动到空白区域的东、北边缘位置，完成清洁区域内从位置点o的东侧空白区域的清洁。

扫地机器人再从东、北边缘位置向南运动到与起始位置点o的平行线上，向西运动到起始位置点o位置。

扫地机器人从起始位置点o开始先向南运动，到达清洁区域南边缘时，向西移动一个滚刷的宽度后再折向北运动，以“弓”字形轨迹依次向西移动，沿清洁区域南北边缘运动，直到运动到空白区域的西、北边缘位置，完成清洁区域内从位置点o的西侧空白区域的清洁。

实施例2

静态块状区域地图导航清洁。

参见图3。在室内清洁区域划分后的块状区域内，所述的扫地机器人以左下方o点坐标作为起始位置点来清洁清扫区域的地面。在所述的块状区域内有障碍物d、障碍物e、障碍物f、障碍物g和障碍物h依次分散位于清扫区域内。扫地机器人预先各位置障碍物位置设定好避障路线，扫地机器人以”弓”字形的运动轨迹绕开障碍物依次往复移动，以避开空白区域的障碍物d、障碍物e、障碍物f、障碍物g和障碍物h来清洁块状区域。

首先扫地机器人从左下方起始位置点o开始先向块状区域的上方运动，

当运动到左上方块状区域上边缘时，转向右侧移动一个滚刷的宽度后再折向下运动时，检测到右侧有障碍物d，此时继续向右侧运动，直到检测到避开障碍物可以向下方运动时转向向下方运动，向下运动绕开障碍物d后则向左返回到距离左侧运动轨迹一个滚刷的宽度的距离后再向下继续运动完全绕开障碍物d。

扫地机器人继续向下运动，遇到障碍物e时，则向右移动一个滚刷的宽度后再折向上运动，直到运动到块状区域上边缘时，在转向右侧移动一个滚刷的宽度后再折向下运动。

扫地机器人向下运动到下方边缘时，再次向右侧移动一个滚刷的宽度后再折向上运动；遇到障碍物f时，检测到障碍物f左侧边缘，先向左侧移动一个滚刷的宽度后在向上继续运动，直到检测到可以避开障碍物f后则向右移动一个滚刷的宽度后与原来向上的轨迹在一条直线上后向上继续移动。

扫地机器人向上运动到块状区域上边缘时，转向右侧移动一个滚刷的宽度后再折向下运动时，当再次遇到障碍物f时，检测到障碍物f右侧边缘，先向右侧移动一个滚刷的宽度后在向下继续运动，直到检测到可以避开障碍物f左侧后则向左移动一个滚刷的宽度后与原来向下的轨迹在一条直线上后向下继续移动。

采用此种避障方式按“弓”字形轨迹在块状区域的上下边缘依次向右侧运动并绕开障碍物g、障碍物h，直到运动到块状区域的右上方边缘时沿块状区域的上方边缘运动到左侧边缘后沿左侧边缘向下回到起始位置点o点位置，完成整改块状区域的清扫。

实施例3

动态全局地图导航清洁。

与实施例1和实施例2不同的是，实施例3的障碍物不是固定障碍物，障碍物所处的块状区域或清扫区域预先不确定，此时，扫地机器人在进行清扫时，首先读取激光扫描仪点云数据解析构成临时地图(全局地图)，读取并解析超声波传感器的数据信息、防跌落传感器状态、碰边传感器状态、安全激光传感器状态，根据各个状态信息首先从起始位置点按“弓”字形的移动轨迹行走，遇到障碍物时，定位导航模块根据以下其中任意一种状态情况下都必须作出扫地机器人行驶状态处理，即将移动定位信息传递轮子电机，使轮子移动，其中所述的状态情况还包括：

1)扫地机器人的超声波传感器检测到距离障碍物距离小于1.5m时，所述的扫地机器人开始减速，当距离障碍物距离小于0.5m时，所述的扫地机器人停止运动；

2)扫地机器人的的防跌落传感器检测到悬空状态时，所述的扫地机器人停止运动；再根据悬空状态进行前进或退后处理，任意一方向的防跌落传感器检测到障碍物时，则扫地机器人往与该方向相反的方向后退20cm再根据周围障碍物进行转向行驶；

3)扫地机器人的触边传感器检测到障碍物时，所述的扫地机器人停止运动；再根据触边传感器检测到障碍物情况进行前进或退后处理，任意一方向的触边传感器检测到障碍物时，则扫地机器人往与该方向相反的方向后退20cm再根据周围障碍物进行转向行驶；

4)扫地机器人的安全激光扫描仪检测到障碍物在安全激光等级3区域内时，所述的扫地机器人进行减速预处理；检测到障碍物在安全激光等级2区域内时，所述的扫地机器人进行减速处理，检测到障碍物在安全激光等级1区域内时，所述的扫地机器人停止运动。

在动态全局地图中，所述扫地机器人按“弓”字形的移动轨迹从起点位置点往北(上方)行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往东(右)行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往东(右)行驶再向南(下)行驶，若不可以往东(右)行驶则直接掉头往南(下)行驶，并再一个能往东(右)行驶的缺口，找到缺口后往东(右)行驶一个滚刷宽度的距离再往南(下)行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往东(右)行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往东(右)行驶再向北(上)行驶，若不可以往东(右)行驶则直接掉头往北(上)行驶，并再一个能往东(右)行驶的缺口，依次循环，直到不能再找到一个向东(右)的缺口表示向东(右)方向清扫完成，再回到起始位置点。

实施例4

动态块状区域地图导航清洁

与实施例3不同的是，首先读取激光扫描仪点云数据解析构成临时地图是块状区域地图。

扫地机器人按“弓”字形的移动轨迹从左下方起点位置点坐标向上方行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往右行驶再向下行驶，若不可以往右行驶则直接掉头往下行驶，并再一个能往右行驶的缺口，找到缺口后往右行驶一个滚刷宽度的距离再往下行驶，若前方遇到动态障碍物时机器人停止，判断障碍物后方还有多远路线，若路线过短，则试图往右行驶一个滚刷宽度的距离，若可以行驶则往右行驶再向上行驶，若不可以往右行驶则直接掉头往上行驶，并再一个能往右行驶的缺口，依次循环，直到不能再找到一个向右的缺口表示整个块状区域清洁完毕，再回到起始位置点。