CN104000541B - 支持门槛检测的扫地机器人及门槛检测方法 - Google Patents
支持门槛检测的扫地机器人及门槛检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种支持门槛检测的扫地机器人及门槛检测方法，门槛检测***包括沿墙检测组件、万向轮行走测距组件、碰撞检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件；沿墙检测组件、万向轮行走测距组件和碰撞检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。本发明借助门槛的结构特征，及扫地机器人自身结构特征对门槛检测***进行设计，设计合理，无需额外增加任何检测附件，成本较低。综合万向轮前行信息、三轴磁阻传感器读数变化、前端红外探地传感器信号实现门槛的智能识别和判断，识别准确度高、可靠性好，且结构简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及智能清洁机器人领域，特别是涉及一种支持门槛检测的扫地机器人及门槛检测方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，智能家用电器的应用越来越广泛，而且具有非常广阔的市场前景。扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘器、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。扫地机器人最早在欧美市场进行销售，随着国内生活水平的提高，逐步进入中国市场。
目前防止扫地机器人跑出房门的方法主要有两种：
1）红外墙方式，美国Irobot公司采用红外墙方式为机器人设置屏障，避免其跨过门槛跑出房门。一方面，红外墙方式是该公司的专利技术，存在应用限制；另一方面，红外墙方式实现算法复杂，且容易出现误差。
2）关上房门，这种方式虽然可以很好地避免机器人跑出房门，但是关上房门会影响机器自动回到充电座上进行充电的功能，也无法连续清扫多个房间。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的支持门槛检测的扫地机器人及门槛检测方法，通过检测万向轮前行信息、三轴磁阻传感器读数变化、前端红外探地传感器信号实现门槛的智能识别，识别准确度高、可靠性好，且结构简单，成本较低。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：支持门槛检测的扫地机器人，包括机器人本体和门槛检测***，机器人本体上设置有与门槛的高度相配合的万向轮及后轮，机器人本体底部设有凸出底盘的底部吸嘴或中扫结构的凸起部，凸起部位于万向轮与后轮之间；
所述的门槛检测***包括沿墙检测组件、万向轮行走测距组件、碰撞检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件：沿墙检测组件用于检测机器人本体是否沿墙行走；万向轮行走测距组件用于判断机器人本体是否在跨越门槛，同时用于测量门槛的宽度；碰撞检测组件用于检测机器人本体是否已行走到门槛的终点；
沿墙检测组件、万向轮行走测距组件和碰撞检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。
支持门槛检测的扫地机器人还包括三轴磁阻传感器，三轴磁阻传感器固定安装在机器人本体的机盖上，三轴磁阻传感器与微控制器MCU电连接；所述的行走驱动组件包括多个马达，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。
支持门槛检测的扫地机器人还包括前端红外探地传感器，前端红外探地传感器设置于机器人本体前端的底盘上，前端红外探地传感器对地设置，前端红外探地传感器与微控制器MCU电连接。
所述的沿墙检测组件设置于机器人本体的左右两个侧边上，包括红外发射器和红外接收器，红外发射器发射信号的方向朝向墙面，红外发射器和红外接收器分别与微控制器MCU电连接。
所述的万向轮行走测距组件设置于万向轮上，包括设置于万向轮中轴上的多极磁环和设置于多极磁环两端的霍尔传感器，多极磁环的外壁上包覆有磁屏蔽层，霍尔传感器与微控制器MCU电连接。
扫地机器人门槛检测方法，它包括以下步骤：
S1：扫地机器人沿墙行走，当微控制器MCU检测到沿墙检测组件输出的沿墙信号丢失时，微控制器MCU输出控制信号给行走驱动组件，控制扫地机器人按墙的方向旋转，直到重新获得沿墙信号为止；
S2：扫地机器人继续沿墙行走，机器人本体与地面平行，记录此时三轴磁阻传感器的读数；
S3：扫地机器人遇到门槛，在后轮加力的驱动下，万向轮爬上门槛，此时机器人本体与地面不再平行，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数发生变化；
S4：扫地机器人继续前行，万向轮跨过门槛，门槛顶在凸出底盘的凸起部上，此时扫地机器人前端翘起，万向轮不着地，处于悬空状态，微控制器MCU检测到霍尔传感器输出的信号消失；
S5：继续前行，万向轮重新着地，微控制器MCU重新接收到霍尔传感器输出的信号；同时，机器人本体回到与地面平行的状态，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数变回原值；
S6：***认定扫地机器人在过门槛，且万向轮已越过门槛；
S7：微控制器MCU控制扫地机器人后退到门槛以内或前进至整机跨越到门槛以外；
S8：控制扫地机器人向墙体的反方向旋转90°，并作为万向轮行走测距组件测距的起点；
S9：控制扫地机器人沿门槛前行，万向轮行走测距组件实时检测扫地机器人行走的距离，直到微控制器MCU接收到碰撞检测组件输出的碰撞信号为止，此时计算获得的行走距离即为门槛的宽度。
扫地机器人门槛检测方法还包括一个根据前端红外探地传感器的信号辅助检测门槛的步骤，前端红外探地传感器具有指定范围的检测距离，当扫地机器人前行至门槛位置时，前端红外探地传感器的探头与门槛之间的距离小于其检测距离的最低门限值，微控制器MCU检测不到前端红外探地传感器输出的信号，***综合判断前方为门槛。
扫地机器人门槛检测方法还包括一个预设门槛宽度范围以辅助检测门槛的步骤，判断计算得出的门槛宽度是否在预设的宽度范围内。
扫地机器人门槛检测方法还包括一个根据马达消耗的电流值的变化辅助检测门槛的步骤，扫地机器人在撞到并越过门槛时，马达消耗的电流值会增加。
所述万向轮行走测距组件实现测距的步骤包括以下子步骤：
SS1：扫地机器人沿门槛前行，多极磁环围绕万向轮中轴滚动；
SS2：霍尔传感器感应到多极磁环滚动产生的磁场；
SS3：微控制器MCU接收到霍尔传感器输出的信号；
SS4：根据万向轮转动一周输出脉冲的个数、单位时间收到的实际脉冲个数及万向轮的外径周长，计算得出万向轮的转速；
SS5：结合万向轮的外径周长计算出扫地机器人的行走速度；
SS6：结合行走的时间计算出扫地机器人行走的距离。
本发明的有益效果是：
1）借助门槛的结构特征，及扫地机器人自身结构特征对门槛检测***进行设计，设计合理，无需额外增加任何检测附件，成本较低。
2）综合沿墙检测组件、万向轮前行信息、三轴磁阻传感器读数变化、前端红外探地传感器信号实现门槛的智能识别和判断，识别准确度高、可靠性好，且结构简单，成本较低。
3）通过三轴磁阻传感器读数的变化即可判断机器人本体是否发生倾斜，辅助识别门槛，结构简单、成本低廉，且各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件，通过对马达的磁屏蔽，阻止马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器产生影响；进一步地，三轴磁阻传感器远离干扰源安装在扫地机器人上壳中心位置上，进一步降低了马达漏磁干扰对三轴磁阻传感器的影响。
4）采用霍尔传感器配合万向轮检测机器人前端是否跨门槛上翘，及行走测距，结构简单且成本较低，采取严格的磁屏蔽处理，提高了径向范围测距准确度。
附图说明
图1为扫地机器人结构示意图；
图2为门槛检测***结构示意框图；
图3为沿墙检测组件结构示意图；
图4为万向轮行走测距组件结构示意图；
图5为门槛检测方法流程图；
图6为万向轮刚爬上门槛时扫地机器人与门槛的相对位置结构示意图；
图7为万向轮刚越过门槛时扫地机器人与门槛的相对位置结构示意图；
图8为万向轮重新着地时扫地机器人与门槛的相对位置结构示意图；
图9为扫地机器人刚前行至门槛位置时扫地机器人与门槛的相对位置结构示意图；
图中，1-前端红外探地传感器，2-机器人本体，3-红外发射器，4-红外接收器，5-万向轮，6-多极磁环，7-霍尔传感器，8-磁屏蔽层，9-门槛，10-后轮，11-凸起部。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，支持门槛检测的扫地机器人，包括机器人本体2和门槛检测***，机器人本体2上设置有与门槛9的高度相配合的万向轮5及后轮10，门槛9、万向轮5及后轮10的高度均为10mm左右，机器人本体2底部设有凸出底盘的底部吸嘴或中扫结构的凸起部11，凸起部11位于万向轮5与后轮10之间。凸起部11为可伸缩结构，平地上清扫时，凸起部11凸出机器底盘，几乎贴到地面；压在门槛9上时，凸起部11收缩5~6mm。
如图2所示，所述的门槛检测***包括沿墙检测组件、万向轮行走测距组件、碰撞检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件：沿墙检测组件用于检测机器人本体2是否沿墙行走；万向轮行走测距组件用于判断机器人本体2是否在跨越门槛9，同时用于测量门槛9的宽度；碰撞检测组件用于检测机器人本体2是否已行走到门槛9的终点；沿墙检测组件、万向轮行走测距组件和碰撞检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。
支持门槛检测的扫地机器人，还包括三轴磁阻传感器，三轴磁阻传感器固定安装在机器人本体2的机盖上，三轴磁阻传感器与微控制器MCU电连接；所述的行走驱动组件包括多个马达，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。
支持门槛检测的扫地机器人，还包括前端红外探地传感器1，前端红外探地传感器1设置于机器人本体2前端的底盘上，前端红外探地传感器1对地设置，前端红外探地传感器1与微控制器MCU电连接。
如图3所示，所述的沿墙检测组件设置于机器人本体2的左右两个侧边上，包括红外发射器3和红外接收器4，红外发射器3发射信号的方向朝向墙面，红外发射器3和红外接收器4分别与微控制器MCU电连接。
如图4所示，所述的万向轮行走测距组件设置于万向轮5上，包括设置于万向轮5中轴上的多极磁环6和设置于多极磁环6两端的霍尔传感器7，多极磁环6的外壁上包覆有磁屏蔽层8，霍尔传感器7与微控制器MCU电连接。
所述万向轮行走测距组件实现测距的步骤包括以下子步骤：
SS1：扫地机器人沿门槛9前行，多极磁环6围绕万向轮5中轴滚动；
SS2：霍尔传感器7感应到多极磁环6滚动产生的磁场；
SS3：微控制器MCU接收到霍尔传感器7输出的信号；
SS4：根据万向轮5转动一周输出脉冲的个数、单位时间收到的实际脉冲个数及万向轮5的外径周长，计算得出万向轮5的转速；
SS5：结合万向轮5的外径周长计算出扫地机器人的行走速度；
SS6：结合行走的时间计算出扫地机器人行走的距离。
如图5所示，扫地机器人门槛检测方法，它包括以下步骤：
S1：扫地机器人沿墙行走，当微控制器MCU检测到沿墙检测组件输出的沿墙信号丢失时，微控制器MCU输出控制信号给行走驱动组件，控制扫地机器人按墙的方向旋转，直到重新获得沿墙信号为止；
S2：扫地机器人继续沿墙行走，机器人本体2与地面平行，记录此时三轴磁阻传感器的读数；
S3：如图6所示，扫地机器人遇到门槛9，在后轮10加力的驱动下，万向轮5爬上门槛9，此时机器人本体2与地面不再平行，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数发生变化；
S4：如图7所示，扫地机器人继续前行，万向轮5跨过门槛9，门槛9顶在凸出底盘的凸起部11上，此时扫地机器人前端翘起，万向轮5不着地，处于悬空状态，微控制器MCU检测到霍尔传感器7输出的信号消失；
S5：如图8所示，继续前行，万向轮5重新着地，微控制器MCU重新接收到霍尔传感器7输出的信号；同时，机器人本体2回到与地面平行的状态，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数变回原值；
S6：***认定扫地机器人在过门槛，且万向轮5已越过门槛9；
S7：微控制器MCU控制扫地机器人后退到门槛9以内或前进至整机跨越到门槛9以外；
S8：控制扫地机器人向墙体的反方向旋转90°，并作为万向轮行走测距组件测距的起点；
S9：控制扫地机器人沿门槛9前行，万向轮行走测距组件实时检测扫地机器人行走的距离，直到微控制器MCU接收到碰撞检测组件输出的碰撞信号为止，此时计算获得的行走距离即为门槛9的宽度。
扫地机器人门槛检测方法，还包括一个根据前端红外探地传感器1的信号辅助检测门槛的步骤。前端红外对探地传感器1具有指定范围的检测距离。如图9所示，当扫地机器人前行至门槛位置时，前端红外探地传感器1的探头与门槛之间的距离小于其检测距离的最低门限值，无法实现有效反射，微控制器MCU检测不到前端红外探地传感器1输出的信号，***结合判断前方为门槛。
扫地机器人门槛检测方法，还包括一个预设门槛宽度范围以辅助检测门槛的步骤，判断计算得出的门槛宽度是否在预设的宽度范围内，预设门槛宽度范围为700~900mm。
扫地机器人门槛检测方法还包括一个根据马达消耗的电流值的变化辅助检测门槛的步骤，扫地机器人在撞到并越过门槛9时，扫地机器人前行的阻力变大，马达消耗的电流值会增加15~25mA左右。微控制器MCU检测到这个电流值的变化，可以辅助判断扫地机器人当前是否在过门槛。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.支持门槛检测的扫地机器人，包括机器人本体（2）和门槛检测***，机器人本体（2）上设置有后轮（10），其特征在于：所述机器人本体（2）上还设置有与门槛（9）的高度相配合的万向轮（5），所述后轮（10）与门槛（9）的高度相配合，机器人本体（2）底部设有凸出底盘的底部吸嘴或中扫结构的凸起部（11），凸起部（11）位于万向轮（5）与后轮（10）之间；
所述的门槛检测***包括沿墙检测组件、万向轮行走测距组件、碰撞检测组件、微控制器MCU和行走驱动组件：沿墙检测组件用于检测机器人本体（2）是否沿墙行走；万向轮行走测距组件用于判断机器人本体（2）是否在跨越门槛（9），同时用于测量门槛（9）的宽度；碰撞检测组件用于检测机器人本体（2）是否已行走到门槛（9）的终点；
沿墙检测组件、万向轮行走测距组件和碰撞检测组件分别与微控制器MCU的采样信号输入端连接，微控制器MCU的控制信号输出端连接行走驱动组件。
2.根据权利要求1所述的支持门槛检测的扫地机器人，其特征在于：还包括三轴磁阻传感器，三轴磁阻传感器固定安装在机器人本体（2）的机盖上，三轴磁阻传感器与微控制器MCU电连接；所述的行走驱动组件包括多个马达，各马达的外表面包覆有磁屏蔽组件。
3.根据权利要求1所述的支持门槛检测的扫地机器人，其特征在于：还包括前端红外探地传感器（1），前端红外探地传感器（1）设置于机器人本体（2）前端的底盘上，前端红外探地传感器（1）对地设置，前端红外探地传感器（1）与微控制器MCU电连接。
4.根据权利要求1所述的支持门槛检测的扫地机器人，其特征在于：所述的沿墙检测组件设置于机器人本体（2）的左右两个侧边上，包括红外发射器（3）和红外接收器（4），红外发射器（3）发射信号的方向朝向墙面，红外发射器（3）和红外接收器（4）分别与微控制器MCU电连接。
5.根据权利要求1所述的支持门槛检测的扫地机器人，其特征在于：所述的万向轮行走测距组件设置于万向轮（5）上，包括设置于万向轮（5）中轴上的多极磁环（6）和设置于多极磁环（6）两端的霍尔传感器（7），多极磁环（6）的外壁上包覆有磁屏蔽层（8），霍尔传感器（7）与微控制器MCU电连接。
6.扫地机器人门槛检测方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1：扫地机器人沿墙行走，当微控制器MCU检测到沿墙检测组件输出的沿墙信号丢失时，微控制器MCU输出控制信号给行走驱动组件，控制扫地机器人按墙的方向旋转，直到重新获得沿墙信号为止；
S2：扫地机器人继续沿墙行走，机器人本体（2）与地面平行，记录此时三轴磁阻传感器的读数；
S3：扫地机器人遇到门槛（9），在后轮（10）加力的驱动下，万向轮（5）爬上门槛（9），此时机器人本体（2）与地面不再平行，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数发生变化；
S4：扫地机器人继续前行，万向轮（5）跨过门槛（9），门槛（9）顶在凸出底盘的凸起部（11）上，此时扫地机器人前端翘起，万向轮（5）不着地，处于悬空状态，微控制器MCU检测到霍尔传感器（7）输出的信号消失；
S5：继续前行，万向轮（5）重新着地，微控制器MCU重新接收到霍尔传感器（7）输出的信号；同时，机器人本体（2）回到与地面平行的状态，微控制器MCU检测到三轴磁阻传感器的读数变回原值；
S6：***认定扫地机器人在过门槛（9），且万向轮（5）已越过门槛（9）；
S7：微控制器MCU控制扫地机器人后退到门槛（9）以内或前进至整机跨越到门槛（9）以外；
S8：控制扫地机器人向墙体的反方向旋转90°，并作为万向轮行走测距组件测距的起点；
S9：控制扫地机器人沿门槛（9）前行，万向轮行走测距组件实时检测扫地机器人行走的距离，直到微控制器MCU接收到碰撞检测组件输出的碰撞信号为止，此时计算获得的行走距离即为门槛（9）的宽度。
7.根据权利要求6所述的扫地机器人门槛检测方法，其特征在于：还包括一个根据前端红外探地传感器（1）的信号辅助检测门槛的步骤，前端红外探地传感器（1）具有指定范围的检测距离，当扫地机器人前行至门槛位置时，前端红外探地传感器（1）的探头与门槛之间的距离小于其检测距离的最低门限值，微控制器MCU检测不到前端红外探地传感器（1）输出的信号，***判断前方为门槛。
8.根据权利要求6所述的扫地机器人门槛检测方法，其特征在于：还包括一个预设门槛宽度范围以辅助检测门槛的步骤，判断计算得出的门槛宽度是否在预设的宽度范围内。
9.根据权利要求6所述的扫地机器人门槛检测方法，其特征在于：还包括一个根据马达消耗的电流值的变化辅助检测门槛的步骤，扫地机器人在撞到并越过门槛（9）时，马达消耗的电流值会增加。
10.根据权利要求6所述的扫地机器人门槛检测方法，其特征在于：所述万向轮行走测距组件实现测距的步骤包括以下子步骤：
SS1：扫地机器人沿门槛（9）前行，多极磁环（6）围绕万向轮（5）中轴滚动；
SS2：霍尔传感器（7）感应到多极磁环（6）滚动产生的磁场；
SS3：微控制器MCU接收到霍尔传感器（7）输出的信号；
SS4：根据万向轮（5）转动一周输出脉冲的个数、单位时间收到的实际脉冲个数及万向轮（5）的外径周长，计算得出万向轮（5）的转速；
SS5：结合万向轮（5）的外径周长计算出扫地机器人的行走速度；
SS6：结合行走的时间计算出扫地机器人行走的距离。
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