CN104111460B - 自动行走设备及其障碍检测方法 - Google Patents

Abstract

一种自动行走设备，在工作区域内自动行走工作，包括：壳体；工作模块；行走模块，支撑并驱动所述自动行走设备行走；主控模块，控制所述工作模块和所述行走模块按预设的方式工作；所述自动行走设备还包括图像采集装置和超声波探测装置；所述图像采集装置获取所述自动行走设备前方预定区域的图像信息，所述主控模块基于所述图像信息判断所述预定区域内是否存在非工作区域，当存在非工作区域时，将所述非工作区域的大小与预设值进行比较；当所述非工作区域的大小小于预设值时，所述超声波探测装置检测所述非工作区域是否存在障碍物。自动行走设备在碰撞前识别障碍物并且识别精度较高。

Description

自动行走设备及其障碍检测方法

技术领域

本发明涉及一种自动行走设备及其障碍检测方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，各种自动行走设备已经开始慢慢的走进人们的生活，例如自动吸尘器和自动割草机等。这种自动行走设备具有行走装置，工作装置，以及自动控制装置，从而使得自动行走设备能够脱离人们的操作，在一定范围内自动行走并执行工作，在自动行走设备的储能装置能量不足时，其能够自动返回充电站装置进行充电，然后继续工作。这种自动行走设备将人们从房屋清洁、草坪修剪等枯燥且费时费力的家务工作中解放出来，节省了人们的时间，为人们生活带来了便利。

在自动行走设备的工作区域内，经常有一些障碍物，障碍物会影响自动行走设备的工作甚至损坏自动行走设备，人们希望自动行走设备在工作区域内工作时能够识别障碍物并且自动避开这些障碍物。现有的一种解决方法是，在自动行走设备的底座上设置浮动的机顶盖，当自动行走设备与障碍物发生碰撞时，浮动的机顶盖和底座之间发生相对位移，通过位移传感器检测相对位移的情况，从而识别自动行走设备遇到障碍并进行回避,然而这种解决办法存在弊端，自动行走设备在遇到障碍物时，会与障碍物直接碰撞，当撞击力大时，有可能会损坏自动行走设备；现有的另一种解决方法是，在自动行走设备上设置超声波探测装置，通过超声波探测装置检测自动行走设备附近的障碍物，这种解决方法不会与障碍物直接碰撞，但是在识别障碍时精度较低，并且识别范围存在盲区。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可以在碰撞前识别障碍物并且识别精度较高的自动行走设备的障碍检测方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：一种自动行走设备，在工作区域内自动行走工作，包括：壳体；工作模块；行走模块，支撑并驱动所述自动行走设备行走；主控模块，控制所述工作模块和所述行走模块按预设的方式工作；所述自动行走设备还包括图像采集装置和超声波探测装置；所述图像采集装置获取所述自动行走设备前方预定区域的图像信息，所述主控模块基于所述图像信息判断所述预定区域内是否存在非工作区域，当存在非工作区域时，将所述非工作区域的大小参数与预设值进行比较；当所述非工作区域的大小参数小于预设值时，所述超声波探测装置检测所述非工作区域是否存在障碍物。

优选的，所述主控模块根据所述图像信息计算出所述非工作区域的大小参数，所述非工作区域的大小参数可以为所述非工作区域的长度、宽度或者面积中的至少一个。

优选的，所述预设值分别小于所述自动行走设备在所述工作区域上的投影的长度、宽度或者面积。

优选的，所述主控模块预先设置有时间阈值，当超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间小于所述时间阈值时，所述主控模块判断所述非工作区域存在障碍物。

优选的，所述主控模块判断所述非工作区域存在障碍物时，控制所述行走模块使所述自动行走设备远离所述障碍物。

本发明提供的另一种技术方案是：一种自动行走设备的障碍检测方法，所述自动行走设备在工作区域内自动行走工作，所述障碍检测方法包括以下步骤：a.通过图像采集装置获取所述自动行走设备前方预定区域的图像信息；b.基于所述图像信息判断所述预定区域内是否存在非工作区域；c.当存在非工作区域时，将所述非工作区域的大小参数与预设值进行比较；d.当所述非工作区域的大小参数小于预设值时，通过超声波探测装置检测所述非工作区域是否存在障碍物。

优选的，所述步骤b中通过识别所述图像信息中的颜色和纹理判断是否存在非工作区域。

优选的，所述步骤c所述步骤c中根据所述图像信息计算出所述非工作区域的大小参数，所述非工作区域的大小参数可以为所述非工作区域的长度、宽度或者面积中的至少一个。

优选的，所述预设值分别小于所述自动行走设备在所述工作区域上的投影的长度、宽度和面积的预设值小于所述自动行走设备在所述工作区域上的投影。

优选的，所述障碍检测方法进一步包括，将超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间与预设的时间阈值进行比较，当所述超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间小于预设的时间阈值时，所述非工作区域存在障碍物。

优选的，所述自动行走设备的障碍检测方法进一步包括：当所述预定区域内存在障碍物时，所述自动行走设备远离所述障碍物。

与现有技术相比，本发明提供的自动行走设备及其障碍检测方法，使得自动行走设备能够通过图像采集装置和超声波探测装置进行工作区域内的障碍物识别，在识别障碍物时无需与障碍物直接碰撞，使得自动行走设备不易因为与障碍物之间的碰撞而损坏，并且自动行走设备识别障碍物时精度较高。

附图说明

以上所述的本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果可以通过下面的能够实现本发明的具体实施例的详细描述，同时结合附图描述而清楚地获得。

附图以及说明书中的相同的标号和符号用于代表相同的或者等同的元件。

图1是本发明的一种实施方式的自动工作***图；

图2是图1所示的自动工作***中自动行走设备的模块图；

图3是图2所示的自动行走设备的立体图；

图4是图2所示的自动行走设备的拍摄区域示意图；

图5是图2所示的自动行走设备的超声波探测装置工作示意图；

图6是图2所示的自动行走设备的障碍检测方法的流程图。

其中

1、自动行走设备 4、停靠站 5、工作区域

6、边界 7、非工作区域 73、障碍物

11、壳体 13、行走模块 131、左轮

132、右轮 133、辅助轮 15、图像采集装置

16、超声波探测装置 19、工作模块 31、主控模块

311、处理单元 313、存储单元 a、中间区域

b、左侧区域 c、右侧区域 d、盲区

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明具体实施方式提供的自动行走设备1，在工作区域5内自动行走工作。自动行走设备1可以是自动割草机，或者自动吸尘器。它们自动行走于草坪或者地面上，进行割草或者吸尘工作。当然，自动行走设备1并不限于自动割草机和自动吸尘器，也可以为其他类型的设备，例如自动喷洒设备或者自动监视设备等，通过自动行走设备1实现各项工作的无人值守运行。

请参见图1至图3,自动行走设备1包括行走模块13，工作模块19，储能模块（图中未示出），主控模块31，收容上述模块的壳体11，以及设置与壳体11上的图像采集装置15和超声波探测装置16。自动行走设备1在工作区域5内自动行走工作，在工作区域5内设置有停靠站4，优选的，停靠站4中设置有充电模块，当储能模块储存的电力不足时，自动行走设备1返回停靠站4通过充电模块进行充电。

本实施方式中，自动行走设备1为自动割草机，工作区域5为草坪，自动行走设备1在草坪上行走并进行割草工作。自动行走设备1的工作区域5和非工作区域7可以从视觉上进行区分，例如工作区域5和非工作区域7的色彩是不同的，或者工作区域5和非工作区域7的纹理是不同的。在工作区域5中，存在障碍物73，障碍物73可以是草坪中的树木或者石头，障碍物73的色彩或纹理也与工作区域5存在视觉上的差异。

行走模块13用于实现自动行走设备1在工作区域5内的移动，行走模块13包括行走轮组，行走轮组包括驱动轮131,132和辅助支撑自动行走设备1的辅助轮133，如图2所示，以自动行走设备1的右侧为自动行走设备1的移动方向，即自动行走设备1移动时的前侧，与前侧相对的一侧为后侧，自动行走设备1的驱动轮131,132设置于自动行走设备1的后侧机身的左右两侧，辅助轮133设置于自动行走设备1的前侧中间部位。当然，行走轮组可以有多种设置方法，例如驱动轮的数量和辅助轮的数量可以根据需要增减，驱动轮和辅助轮的设置位置和组合形式也可以根据需要修改，在此不一一列举。驱动轮通常通过多个转速或者转向可控的电机进行驱动，从而实现自动行走设备1移动的过程中，灵活的调节移动速度或者移动方向。

工作模块19为自动行走设备执行的工作模块，在本实施方式中，工作模块19包括割草刀片切割马达，用于执行自动行走设备1的割草工作。当然，不同的自动行走设备的工作模块是不同的，例如自动吸尘器的工作模块则包括吸尘马达，吸尘口、吸尘管、真空室、集尘装置等用于执行吸尘任务的工作部件。

储能模块通常为可充电的电池，为自动行走设备1的运行提供电力，也可在储备电力低于预定值时连接外部电源进行充电，当然，储能模块也可以为其他类型的能源供应装置，例如太阳能供电装置，汽油机或者燃料电池等等。

请一并参见图4和图5，图像采集装置15设置于壳体11上，例如摄像机等，图像采集装置15安装在壳体11的前部靠上的位置，优选的位于自动行走设备1的中轴线X附近，用于采集自动行走设备1前方的地面环境图像信息。图像采集装置15的取景范围为一固定的预设图像检测区域，在本实施方式中，预设图像检测区域至少包括一个矩形区域，该矩形区域的中轴线和自动行走设备1的中轴线相重合，该矩形区域的宽度大于所述自动行走设备1的机身宽度。

该矩形区域被自动行走设备1的两侧边的延长线分为三个子区域，分别为位于自动行走设备1的前方正中，和自动行走设备1等宽的中间区域a、位于自动行走设备1的前方左侧的左侧区域b以及位于自动行走设备1的前方右侧的右侧区域c；另外，自动行走设备1的壳体11前方遮挡住了一部分地面，此部分地面图像采集装置15无法拍摄到，为盲区d。

优选的，该矩形区域约为自动行走设备1前方100mm至600mm之间的区域，在这个区域内取景时，可以得到失真程度较小的画面，有助于自动行走设备1更加精确的获取前方地面的信息；优选的，图像采集装置15的视角范围约为90度至120度，同样，在这个区域内取景时，可以得到失真程度较小的画面，有助于自动行走设备1更加精确的获取前方地面的信息。

请参见图5，超声波探测装置16设置于壳体11上，超声波探测装置16向前水平的安装，用于探测自动行走设备1当前位置的前方预设区域内是否存在障碍物73。

超声波探测装置16可以包括发送器和接收器，发送器发射超声波，当超声波遇到物体后，产生回波，回波被接收器接收到，即可判断前方存在立体的物体。当然，超声波探测装置16可以是一个具有发送和接收声波的双重作用的超声波传感器。

主控模块31包括处理单元311，存储单元313。处理单元311接收图像采集装置15获取的地面环境图像信息以及超声波探测装置16检测到的环境信息，经过处理后，与存储单元313中预先设定的障碍物参数进行比较，基于所述比较结果，通过控制单元142控制行走模块13和工作模块19进行行走和工作。

自动行走设备1在行走过程中通过图像采集装置15获取自动行走设备1前方预定区域的图像信息，并将采集到的图像信息传输给处理单元311；处理单元311对图像信息中的各项信息进行分析进而判断出该区域中的各个部分的属性，能够判断出自动行走设备1的前方属于工作区域或非工作区域。

在本实施方式中，处理单元311从图像信息中的各个区域中分别提取该区域的图像中每个像素点的三原色（RGB）的分量值。存储单元313中预先存储有不同颜色的分量值的区间，处理单元311将从图像采集装置15拍摄到的图像提取出的分量值，与预先存储于存储单元313中的不同颜色的分量值的区间进行比较，从而判断出该像素点属于哪个颜色，处理单元311根据分属不同颜色的像素点的数量，计算出不同颜色在图像采集装置15拍摄到的图像中所占的比例。存储单元313中预先存储有工作区域5对应的颜色比例阈值，处理单元311将计算出的各个区域中颜色的比例与预先存储的颜色比例阈值进行比较，从而判断出各个区域中，哪些属于工作区域5，哪些属于非工作区域。

在本实施方式中，工作区域为草坪，处理单元313将图像信息中的各个区域的绿色像素的数目分别除以各个区域总的像素的数目，计算出各个区域中绿色像素所占的比例，当中间区域a、左侧区域b、右侧区域c中某个区域的绿色像素所占的比例小于预先存储的颜色比例阈值时，则该区域存在自动工作设备1的非工作区域。

处理单元311也可以从图像中的各个区域中分别提取该区域的图像中的纹理信息进行分析。例如可以采用现有的灰度共生矩阵分析方法或田村纹理特征分析方法获取所述图像每一区域的纹理特征。其中灰度共生矩阵分析方法可提取图像的能量、惯量、熵和相关性四个特征，田村纹理特征分析方法可提取图像的粗糙度、对比度、方向度、线像度、规整度和粗略度六个特征。

存储单元313中预先存储有预定纹理的纹理特征值，处理单元311将图像中每一区域的纹理特征值与预定纹理的纹理特征值进行比较，若图像某一区域的纹理特征值与预定纹理的纹理特征值相符，则判断该区域为工作区域，若图像某一区域的纹理特征值与预设纹理的纹理特征值不相符，则判断该区域为非工作区域。

当然，自动行走设备1可以通过颜色信息或者纹理特征对工作区域和非工作区域进行识别；也可以通过颜色信息和纹理特征相结合来对工作区域和非工作区域进行识别，处理单元311可以先识别颜色信息，再结合识别纹理信息进行判断，在本实施方式中，草坪作为工作区域5，草坪的颜色应该为绿色，而作为非工作区域，有可能是土地或者水泥地面或者是其他类型的地面铺设类型，也有可能是草坪中的树木或者石头等障碍物73；非工作区域的颜色通常与草坪的颜色是不同的，即使颜色为绿色，通常人工加工的物品，例如人工铺设的地面等，具有较规则的纹理，而草地相对纹理没有明显规则，因此可根据拍摄图像的纹理进一步确定目标区域是否为工作区域。当处理单元311在所述矩形区域中识别出颜色为绿色，且纹理不规则，则判断该部分为工作区域5；当处理单元311在所述矩形区域中识别出颜色不是绿色或者纹理具有规则性的区域，则在所述矩形区域中存在非工作区域。当然，处理单元311也可先进行纹理分析，再结合颜色识别进行判断。

处理单元311基于所述图像信息，可以计算出非工作区域图像的长度，宽度以及面积等信息，该非工作区域的图像上述信息，可以通过统计图像中像素点的方式获取，也可以建立坐标系，通过预设的多边形的周长、面积计算公式计算得出。当然，也可以通过微积分的方法计算或者其他方法计算出该非工作区域的上述信息，在此不一一列举。

存储单元313中预设有图像尺寸与实际尺寸的转换算法，图像尺寸与实际尺寸之间存在一定的比例关系，按照比例关系，能够依据图像尺寸计算出实际尺寸，也可以根据实际尺寸计算出图像尺寸，处理单元311依据非工作区域图像的长度、宽度和面积，按照预设转换算法计算出非工作区域的大小参数，非工作区域的大小参数，包括非工作区域的长度、宽度和面积。

存储单元313中存储有非工作区域的大小参数的预设值，所述预设值包括所述非工作区域的长度预设值、宽度预设值和面积预设值，当非工作区域的长度、宽度、面积中的任意一个超出与其对应的预设值时，则主控模块31认为自动行走设备1到达了边界6；如果非工作区域的长度、宽度、面积均小于与其对应的预设值时，自动行走设备1则进一步的通过超声波探测装置16进行障碍物检测。优选的，所述预设值为所述自动行走设备1在工作区域上的投影的长度、宽度和面积。

当然，存储单元313中存储的非工作区域的大小参数的预设值也可以仅包括非工作区域的宽度预设值，当非工作区域的宽度超出所述宽度预设值时，主控模块31认为自动行走设备1到达了边界6，当非工作区域的宽度小于所述宽度预设值时，自动行走设备1则进一步的通过超声波探测装置16进行障碍物探测。

超声波探测装置16发射超声波，当超声波遇到物体后，产生回波，回波被接收器接收到，处理单元311统计超声波从发出到接收到回波所用的时间。存储单元143中存储有预设的超声波从发出到接收到回波的时间阈值，用于将超声波探测装置16的探测范围限定在一定的区域内，当超声波从发出到接收到回波所用的时间大于预设的时间阈值时，则该回波为超出预设超声波检测区域的物体返回的，其有可能是较远距离的物体返回的回波或者超声波遇到地面返回的回波，处理单元311认为这类回波是无效的；当超声波从发出到接收到回波所用的时间小于预设的时间阈值时，则该回波为在预设超声波检测区域内的物体返回的，处理单元311认为这类回波是有效的，判断出自动行走设备1当前位置的前方预设区域内存在障碍物73。

请参见图5，本发明提供的自动行走设备1的障碍检测方法包括以下步骤：

步骤S300：获取图像信息。

自动行走设备1在工作区域5内行走工作，图像采集装置15拍摄自动行走设备1前方矩形区域的图像，并将采集到的图像传送给主控模块311进行处理。

步骤S301：识别图像信息颜色和纹理。

处理单元311对图像采集装置15拍摄的图像进行分析，识别图像各个区域的颜色和纹理。

步骤S302：判断前方是否存在非工作区域。

处理单元311根据识别出的颜色和纹理等信息，与预先设定在存储单元313中的值进行比较，判断出所述矩形区域中是否存在非工作区域。

当自动行走设备1前方出现非工作区域时，进入步骤S303，否则，返回继续进行步骤S300。

步骤S303：识别非工作区域的大小。

处理单元311按照预设的算法，计算出所述矩形区域中非工作区域的大小，例如计算出非工作区域的长度、宽度或者面积等。

步骤S304：判断非工作区域的大小是否小于预设值。

处理单元311将计算出的所述矩形区域中非工作区域的大小与存储单元313中的预设非工作区域的大小进行比较。

当所述矩形区域中非工作区域的大小小于存储单元313中存储的预设值时，进入步骤S305-S308,通过超声波探测装置进行检测；当所述矩形区域中非工作区域的大小大于预设值时，自动行走设备1认为已到达工作区域边界，自动行走设备1可执行与边界相关的工作，例如远离边界或者沿边界线行走等，在此不一一赘述。

步骤S305：发送超声波，开始计时。

超声波探测装置16发送超声波，处理单元311开始计时,当超声波遇到物体时发生反弹形成回波。

步骤S306：接收回波，计算时间。

回波能够被超声波探测装置16接收到，当回波到达超声波探测装置16时，处理单元311计算出超声波从发出到接收到回波所用的时间。

步骤S307：判断统计时间是否小于预设值。

存储单元313中存储有预设的超声波从发出到接收到回波的时间阈值，当超声波从发出到接收到回波所用的时间大于预设的时间阈值时，处理单元311认为这类回波是无效的,返回步骤S300；当超声波从发出到接收到回波所用的时间小于预设的时间阈值时，处理单元311判断出自动行走设备1当前位置的前方预设区域内存在障碍物73。

步骤S308：存在障碍物，进行回避。

自动行走设备1判断出前方存在障碍物时进行回避。当所述矩形区域中仅中间区域a出现非工作区域时，自动行走设备1可从左侧区域b或者右侧区域c中任意一个绕行离开障碍物73；否则，自动行走设备1可从左侧区域b或者右侧区域c中，没有出现非工作区域的一侧绕行离开障碍物73。总之，自动行走设备1总是从所述矩形区域中没有出现非工作区域的一侧绕行离开障碍物73。

当然，自动行走设备1的障碍检测方法中的一些步骤是可以调整的，例如在本实施方式中，先使用图像信息检测非工作区域，当然，也可以先通过超声波探测装置检测预设超声波检测区域内的物体信息，再使用图像信息检测帮助确定障碍物的信息；在本实施方式中，当所述矩形区域中非工作区域的宽度小于自动行走设备1的预设宽度时，进入超声波检测步骤，本领域技术人员能够想到的是，所述矩形区域中非工作区域的宽度小于自动行走设备1的预设宽度并非进行超声波检测的必须条件，超声波检测也可以是从始至终都在进行的，同样可以达到避免自动行走设备1在工作过程中与障碍物73碰撞并且识别精度较高的效果。

本发明提供的自动行走设备及其障碍检测方法，使得自动行走设备能够通过图像采集装置和超声波探测装置进行工作区域内的障碍识别，在识别障碍物时无需与障碍物直接碰撞，使得自动行走设备不易因为与障碍物之间的碰撞而损坏，并且自动行走设备识别障碍物时精度较高。

本领域技术人员可以想到的是，本发明还可以有其他的实现方式，但只要其采用的技术精髓与本发明相同或相近似，或者任何基于本发明作出的易于思及的变化和替换都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自动行走设备，在工作区域内自动行走工作，包括：

壳体；

工作模块；

行走模块，支撑并驱动所述自动行走设备行走；

主控模块，控制所述工作模块和所述行走模块按预设的方式工作；

其特征在于，所述自动行走设备还包括图像采集装置和超声波探测装置；所述图像采集装置获取所述自动行走设备前方预定区域的图像信息，所述主控模块基于所述图像信息判断所述预定区域内是否存在非工作区域，当存在非工作区域时，将所述非工作区域的大小参数与预设值进行比较；当所述非工作区域的大小参数小于预设值时，所述超声波探测装置检测所述非工作区域是否存在障碍物。

2.根据权利要求1所述的自动行走设备，其特征在于：所述主控模块识别所述图像信息中的颜色和纹理以判断是否存在非工作区域。

3.根据权利要求1所述的自动行走设备，其特征在于：所述主控模块根据所述图像信息计算出所述非工作区域的大小参数，所述非工作区域的大小参数可以为所述非工作区域的长度、宽度或者面积中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的自动行走设备，其特征在于：所述主控模块预先设置有时间阈值，当超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间小于所述时间阈值时，所述主控模块判断所述非工作区域存在障碍物。

5.根据权利要求4所述的自动行走设备，其特征在于：所述主控模块判断所述非工作区域存在障碍物时，控制所述行走模块使所述自动行走设备远离所述障碍物。

6.一种自动行走设备的障碍检测方法，所述自动行走设备在工作区域内自动行走工作，其特征在于，所述障碍检测方法包括以下步骤：

a.通过图像采集装置获取所述自动行走设备前方预定区域的图像信息；

b.基于所述图像信息判断所述预定区域内是否存在非工作区域；

c.当存在非工作区域时，将所述非工作区域的大小参数与预设值进行比较；

d.当所述非工作区域的大小参数小于预设值时，通过超声波探测装置检测所述非工作区域是否存在障碍物。

7.根据权利要求6所述的自动行走设备的障碍检测方法，其特征在于：所述步骤b中通过识别所述图像信息中的颜色和纹理判断是否存在非工作区域。

8.根据权利要求6所述的自动行走设备的障碍检测方法，其特征在于：所述步骤c中根据所述图像信息计算出所述非工作区域的大小参数，所述非工作区域的大小参数可以为所述非工作区域的长度、宽度或者面积中的至少一个。

9.根据权利要求6所述的自动行走设备的障碍检测方法，其特征在于：所述障碍检测方法进一步包括，将超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间与预设的时间阈值进行比较，当所述超声波探测装置从发出超声波到接收到回波的时间小于预设的时间阈值时，所述非工作区域存在障碍物。

10.根据权利要求9所述的自动行走设备的障碍检测方法，其特征在于：所述自动行走设备的障碍检测方法进一步包括：当所述预定区域内存在障碍物时，所述自动行走设备远离所述障碍物。