CN106258166A - 自移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自移动机器人，包括：光发射器，向地面发射特定波长范围的光；图像采集装置，和所述光发射器相配以接收所述特定波长范围的光，形成基于所述特定波长范围的光的图像；所述控制器包括地面类型识别模块，所述地面类型识别模块提取图像中的特征以识别所述图像中的地面的类型。通过设置相配的发送和接收特定波长范围的光的光发射器和图像采集装置，降低了环境光对图像的影响，使自移动机器人在各个时间和位置，甚至在夜间没有光源的时候都能准确识别地面类型。

Description

自移动机器人

技术领域

本发明涉及自移动机器人领域，尤其涉及一种能够识别地面类型的自移动机器人。

背景技术

目前，自移动机器人的工作范围通常由物理边界或者电子围栏构成，物理边界的适应场合较少；而电子围栏的布置很麻烦，需要额外时间或者成本。为此，业界尝试通过图像识别方式智能识别地面类型，相应的在合适的工作区域中工作，例如，自动割草机通过识别地面图像是否为草地，来实现保持在草地上工作，不会离开草坪。然而，该技术的问题之一是只有在理想的光源环境下才能达到足够的准确度。例如，在黄昏或者阴天，环境光色温和强度都严重偏离标准光照情境，图像颜色亮度就会相应严重失真，导致图像识别失败。又如，在夜间光线暗的情况下，自移动机器人就会完全无法工作。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够准确识别地面类型的自移动机器人。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：一种自移动机器人，包括：壳体；驱动模块，安装于所述壳体并驱动壳体相对于地面移动；工作模块，安装于所述壳体，执行设定的工作任务；控制器，安装于所述壳体，连接并控制驱动模块和工作模块工作；所述自移动机器人还包括：光发射器，向地面发射特定波长范围的光；图像采集装置，和所述光发射器相配以接收所述特定波长范围的光，形成基于所述特定波长范围的光的图像；所述控制器包括地面类型识别模块，所述地面类型识别模块提取图像中的特征以识别所述图像中的地面的类型。

进一步的，所述自移动机器人为园艺机器人，所述地面类型识别模块为草地识别模块，所述草地识别模块识别图像中的地面的类型为草地或非草地。

进一步的，所述草地识别模块至少包括离散度识别元件、频域识别元件和纹理识别元件的其中之一。

进一步的，所述图像采集装置包括滤光层，所述滤光层过滤所述特定波长范围之外的光。

进一步的，所述光发射器为不可见光发射器。

进一步的，所述光发射器为红外光发射器，所述滤光层为红外滤光层。

进一步的，所述光发射器为可见光发射器，所述滤光层为可见光滤光层。

进一步的，所述光发射器为紫外光发射器，所述滤光层为紫外滤光层。

进一步的，所述光发射器为激光发射器。

进一步的，所述激光发射器的光源发出的激光从一开口处射离所述自移动机器人，所述光源和所述开口之间的距离大于等于3厘米。

进一步的，所述光发射器包括线光源。

进一步的，所述线光源的数量为多个。

进一步的，所述光发射器和图像采集装置朝向地面同一识别区域。

进一步的，所述同一识别区域位于壳体前方地面。

进一步的，所述图像采集装置的取景范围的宽度大于等于0.5个壳体宽度。

进一步的，所述图像采集装置和/或所述光发射器的数量为多个。

进一步的，所述图像采集装置和/或所述光发射器与所述地面之间设有隔离件。

进一步的，所述图像采集装置和/或所述光发射器外设有护罩。

进一步的，所述图像采集装置的曝光时间小于0.1秒。

进一步的，所述控制器还包括驱动控制元件，所述驱动控制元件根据地面类型识别模块的识别结果控制驱动模块的驱动方向。

进一步的，所述自移动机器人为机器人割草机，所述工作模块为割草模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过设置相配的发送和接收特定波长范围的光的光发射器和图像采集装置，降低了环境光对图像的影响，使自移动机器人在各个时间和位置，甚至在夜间没有光源的时候都能准确识别地面类型。

附图说明

以上所述的本发明的目的、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。

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是本发明的第一实施例的自动工作***图。

图2是图1所示自移动机器人的模块图。

图3是图2所示的自移动机器人的侧视图。

图4是图2所示的自移动机器人的俯视图。

图5是图4所示的拍摄区域示意图。

图6为图3中的光发射器投射光线到平坦地面上的图像。

图7为图3中的光发射器投射光线到草地上的图像。

1、自移动机器人； 4、停靠站； 5、工作区域；

6、边界； 7、非工作区域； 31、控制器；

11、壳体； 13、轮组； 15、图像采集装置；

17、驱动模块； 19、工作模块； 21、光发射器

23、照射区域 ABCD、取景范围 EF、投射线

33、能量模块； 35、地面类型识别模块 37、驱动控制元件

具体实施方式

图1所示为本发明第一实施例的自移动机器人工作***。

自移动机器人工作***设置在地面上，地面包括但不限于室外的草地、土地、水泥地等；室内的地砖面、地毯面、地板面等。在本实施例中，地面划分为工作区域5和非工作区域7，工作区域5和非工作区域7的交界线形成边界6。工作区域5和非工作区域7的类型不同，如其一为草地，另一为非草的土地或水泥地。自动工作***包括自移动机器人1和停靠站4。自移动机器人1可以为自动吸尘器、自动割草机、自动修剪机等。在本实施例中，自移动机器人1为园艺机器人，更具体的为机器人割草机，停靠站4布置在工作区域5的边界6上。自移动机器人通过识别地面类型来判断自身位于工作区域5或非工作区域7，从而保持自身位于工作区域5中。

如图2，自移动机器人1包括光发射器21和图像采集装置15，还包括控制器31、驱动模块17、工作模块19、能量模块33。所述控制器31包括地面类型识别模块35和驱动控制单元37。控制器31与驱动模块17、工作模块19、能量模块33、图像采集装置15及光发射器21均相连以控制自移动机器人1进行各项工作。

自移动机器人1的工作模块19安装于所述壳体11，执行设定的工作任务。本实施例中，工作模块19具体为切割模块，包括用于割草的切割部件(图未示)和驱动切割部件的切割马达(图未示)。

结合图3，驱动模块17安装于所述壳体并驱动壳体相对于地面移动，包括轮组13和驱动轮组13的行走马达。轮组13可以有多种设置方法。通常轮组13包括由行走马达驱动的驱动轮和辅助支撑壳体11的辅助轮，驱动轮的数量可以为1个，2个或者更多。在本实施例中，自移动机器人1的驱动轮为2个，分别为位于左侧的左轮和位于右侧的右轮。左轮和右轮优选的位于壳体11的后部，辅助轮位于前部，当然在其他实施例中也可以替换设置。

能量模块33用于给自移动机器人1的运行提供能量。能量模块33的能源可以为汽油、电池包等，在本实施例中能量模块33包括在壳体11内设置的可充电电池包。在工作的时候，电池包释放电能以维持自移动机器人1工作。在非工作的时候，电池可以连接到外部电源以补充电能。特别地，出于更人性化的设计，当探测到电池的电量不足时，自移动机器人1会自行的寻找停靠站4补充电能。

继续参照图3，自移动机器人1具有壳体11，光发射器21和图像采集装置15安装在壳体11上。光发射器21向地面发射特定波长范围的光，图像采集装置15和光发射器相配以接收该特定波长范围的光，形成基于所述特定波长范围的光的图像。设置相配的光发射器21和图像采集装置15能够降低环境光对成像的影响。

此处需要说明，图像采集装置15接收特定波长范围的光并不意味着图像采集装置15不接收其他波长范围的光，基于所述特定波长范围的光的图像也不意味着图像中不包括其他波长范围的光。因为由于光学材料的性能限制，完全滤除掉其他波长范围的光是难以实现、并且在工程上不必要的。图像采集装置15只需能够至少部分滤除特定波长范围以外的光、能够显著降低环境光干扰即可，而特定波长范围的光和其他光的实际接收比例根据具体的应用场景以及工程技术、软件算法的现实情况而确定。

为了保护精密的光学组件，在本实施例的一种可选方案中，图像采集装置15和/或光发射器21上设置有护罩，避免图像采集装置15和/或光发射器21被弄脏或者损坏。护罩至少部分透明，以供图像采集装置15取景，或供光发射器21投射光线。

光发射器21和图像采集装置15的朝向设置的相配，以使得光发射器21所发出的光能够从地面反射回图像采集装置15。本实施例中，光发射器21和图像采集装置15都朝向地面的同一识别区域，即光发射器21将光线投射向该识别区域，图像采集装置15拍摄该识别区域的图像。当然，光发射器21的照射范围和图像采集装置的取景范围可以是不同的，只需它们都包括前述同一识别区域即可。

本实施例中，光发射器21和图像采集装置15都设置在壳体11的前部，识别区域位于壳体11的前方地面，这是为了便于自移动机器人1识别其前进方向上的地面类型。

具体的，图像采集装置15安装在壳体11外侧的前部靠上位置，光发射器21安装在壳体11内前部。壳体11具有开口以供光发射器21将光线投射到前方地面。

在另一种实施例中，光发射器21和图像采集装置15都安装在壳体11外侧的的前部靠上的位置，优选的居中设置，且均朝向前下方，以采集前述的壳体11前方地面的识别区域的图像。在另一可选的实施例中，光发射器21和图像采集装置15安装的壳体11的前端面上，且均朝向前下方。本实施例中，光发射器21的投射范围和图像采集装置15的取景范围均为固定的，但在其他可选实施例中它们也可以为活动的。

光发射器21为线光源，即其光线若投射在平坦表面上会形成如图4所示的一条投射线EF。需要指出，现实中该投射线EF必然存在一定的宽度，线光源的含义为其投射的光线从整体上看几何形状为线形。图6为线光源投射在平坦表面的实际图片。由于本实施例中工作区域5的地面为草地，草丛的叶片高低起伏，光线会投射到的草实际上距离不同，在草面上的位置也不同，因此线光源投射到地面上时会形成在纵向上被拉长，横向基本固定的一个照射区域23，如图5所示。图7为线光源投射在草地上的实际图片。

使用线光源的好处是能够获取具有特殊特征的草地图像。草地具有自有的疏密间距特点，线光源投射直线到草地上形成的图案在能够反映该特点的同时，还相当于选择性的提取了一个光线投射方向上的信息而滤除了其他信息，简化了图案，降低了控制器31的处理负荷。

在一种可选的实施方式中，激光发射器中包括多个线光源，多个线光源可以平行或者成角度布置。这样可以增加处理范围，处理到近处和远处的地面；也可以降低识别错误的可能，例如，将多个线光源形成的图像综合处理来获得结果以提高准确度；或者分别处理多个线光源形成的图像，根据多个结果综合判断前方的地面类型。

在其他可选的实施例中，光发射器21也可以为面光源，即光线若投射在平坦表面上会形成一个面。此时光发射器的投射范围为地面上的一个面，该面的前后两端会因草地的起伏而成不规则形状。

如图3和图4，图像采集装置15的取景范围ABCD区域位于自移动机器人1的正前方的地面，且和自移动机器人1间隔一小段距离。取景范围ABCD的中轴线和自移动机器人1的壳体11的中轴线重合。取景范围ABCD的宽度至少为0.5个壳体11的宽度，在本实施例中，取景范围ABCD的宽度略大于自移动机器人1的宽度。这样能够保证自移动机器人1能够采集其正前方不远处地面的图像信息，供控制器31判断地面类型。

图像采集装置15具有滤光层以过滤特定波长范围以外的光，滤光层为图像采集装置中单独设置的滤光片，但其他实施例中外滤光层也可以为镜头上的镀膜。如前所述的，滤光片降低特定波长范围以外的环境光，但无法将其完全去除。也就是说，在一种实施方式中，滤光片的过滤的光的波长并非特定波长范围以外的全部波长，而只是部分；并且，滤光片对所过滤的波长的过滤率并非百分之百。

在本实施例中，光发射器为不可见光发射器，采用不可见光可以降低***对用户的干扰，比如，在夜间草地工作时，不会形成光污染。更具体的，本实施例中，光发射器21为红外光发射器，向外投射红外光，即特定波长范围位于红外光的波长范围(760nm至1mm)之中，如特定波长范围为5μm至50μm。相配的，图像采集装置15为红外图像采集装置，滤光层为红外滤光层以过滤除红外光以外的光线，优选的滤除掉特定波长范围以外的光线，如相应的滤除5μm至50μm以外的光线。

由于红外光是日光等常见光源中强度较弱的部分，选择红外光发射器可以方便滤光层将日光等常见光源尽可能多的过滤掉，取得较好的降低环境光干扰的效果。如前所述，红外滤光层无法百分之百的滤除其他光线，但可以显著的降低其他光线的强度以减轻环境光的干扰。

将特定波长范围设置得位于红外光波长范围内还有一些其他的好处，例如，如前所述的，由于红外光为非可见光，因此自移动机器人的地面类型检测行动不会影响到用户的正常生产生活。

当然，在其他可选的实施例中，特定波长范围也可以位于可见光波长范围(400nm～760nm)之中，如特定波长范围为500nm至550nm；或者紫外光波长范围(10nm～400nm)之中，如特定波长范围为50nm至100nm。在这些可选的实施例中，只需图像采集装置也相应的过滤特定波长范围之外的光，即相应的具有紫外滤光片或者可见光滤光片，也可以起到降低环境光干扰的效果。

在本实施例中，光发射器21为激光发射器，向外投射特定波长范围的激光。激光发射器的定向性好，强度高，可以在环境光中突出特定波长范围的光，提高成像效果。为了降低激光发射器对人体的潜在危险，激光发射器的光源发出的激光从一开口处射离所述自移动机器人，光源和所述开口之间的距离大于等于3厘米。若激光发射器位于壳体11中，开口位于壳体11上；若激光发射器位于位于壳体11外侧，开口位于激光发射器本体上。

在本实施例中，图像采集装置15的曝光时间小于0.1秒。这样的组合下，图像采集装置15拍摄的各帧图像都能接收到足够强度的光线，从而能够拍摄到较佳的图像。

在本实施例中，控制器31包括地面类型识别模块35，地面类型识别模块35接收图像采集装置15拍摄的图像，提取图像中的特征以识别图像中的地面的类型。地面类型识别模块35具体为草地识别模块，地面类型具体包括草地和非草地。

各个类型的地面拥有各自不同的特点。例如草地为绿色，具有不规则条形纹理；而地毯拥有致密，有一定规律的网式纹理。地面类型识别模块35提取能够反映这些特点的特征后，将其代入预设的算法或者说模型，根据运算结果来判断地面的类型。

具体的，草地识别模块35具有至少一个识别元件，每个识别元件针对所提取的对应一种特征执行相对应的算法或者模型。本实施例中，地面类型识别模块35至少包括离散度识别元件、频域识别元件、纹理识别单元的其中之一，它们分别用于识别地面图像的离散度特征是否和预设的条件或者说模型相符，频域特征是否和预设的条件或者说模型相符、纹理特征是否和预设的条件或者说模型相符。离散度、频域特征、纹理在数学上可以反映为傅里叶变换特征值、Gabor变换特征值、Haar-like特征值、特定矩阵统计特征值、特定局部特征值等待，相应的草地识别模块35可以包括傅里叶变换特征值识别单元、Gabor变换特征值识别单元、Haar-like特征值识别单元、特定矩阵统计特征值识别单元、特定局部特征值识别单元。

在一种实施例中，草地识别模块35具有的识别元件数量为多个，以提高识别准确度。

草地识别模块35基于预设的规则，根据各个识别元件的判断结果判断地面是否为草地。例如，预设规则为所有识别元件的判断结构均为相符时，则判断图像中的地面的类型为草地，若任一个识别元件的判断结果为不相符，则判断图像中的地面的类型为非草地；或者，预设规则也可以为若干个识别元件的判断结构为相符时，判断图像中的地面的类型为草地，否则为非草地。草地识别模块35得到图像中的地面的类型后，将结果发送给控制器31的主控单元或者其他部件。

在本实施例中，控制器31包括驱动控制元件37。驱动控制元件37根据地面类型识别模块35的识别结果来控制驱动模块17的驱动方向，通过避免自移动机器人1朝向非草地行驶，使机器人保持位于工作区域5中。例如，当草地识别模块判断图像中的地面，即前方地面的类型为草地时，就相应控制驱动模块17保持当前方向继续前进；若草地识别模块判断前方地面为非草地时，则相应控制驱动模块17转向，并同时实时判断转向后的前方地面的类型，直到前方为草地再继续前进。

以下介绍本发明的第二实施例。

第二实施例的自移动机器人结构和第一实施例基本类似，其同样具有工作模块。其差异在于，图像采集装置15和/或所述光发射器21与所述地面之间设有隔离件。

具体的，隔离件在竖直方向上隔离开图像采集装置15和/或所述光发射器21与地面，以避免工作模块19工作时污染图像采集装置15和/或光发射器21。例如，当自移动机器人1为机器人割草机时，工作模块19为割草组件，隔离件将图像采集装置15和/或光发射器21和地面隔开，避免割草组件割草时扬起的草屑或者泥土、石子击向图像采集装置15和/或光发射器21。又如，当自移动机器人1为机器人吸尘器时，工作模块19为吸尘组件，隔离件将图像采集装置15和/或光发射器21和地面隔开，避免吸尘组件吸尘时扬起的灰尘或者其他杂物击向图像采集装置15或光发射器21。

以下介绍本发明的第三实施例。

第三实施例的自移动机器人结构和第一实施例基本类似，其差异在于，自移动机器人1的图像采集装置15的数量为多个，或者光发射器21的数量为多个。例如，自移动机器人1可以具有一一配对的多个光发射器21和图像采集装置15，其朝向的识别区域不完全重叠，以扩大检测的范围。

具体的，在一种方案中，自移动机器人1在前部布置多组光发射器21和图像采集装置15，将对自移动机器人1前方的检测视角提高到120°以上甚至180°；或者，在另一种方案中，自移动机器人1在前部，以及左侧、右侧、后侧的至少其中之一分别布置一组或者多组光发射器21和图像采集装置15，以检测各个方向上的地面的类型。

类似的，每组光发射器21和图像采集装置15均朝向同一识别区域。

提高检测范围可以带来的优势很多，收集的地面信息更多后，就可以采用更灵活的路径策略，进行更准确的转向时机判断等。例如，在后方设置光发射器和图像采集装置后，自移动机器人1能够避免在遇到障碍或者边界的时候选择合适的方向后退，避免后退出界。

以下介绍本发明的第四实施例。

第四实施例的自移动机器人1的结构和第一实施例基本类似，其差异在于，自移动机器人1为机器人地面清洁器。

机器人地面清洁器的地面类型识别模块35所识别的类型为地毯、地砖、地板中的一种或者几种。例如，地面类型识别模块35能够识别地面类型为地毯、非地毯；或者识别地面类型为地砖、非地砖；或者识别地面类型为地板、非地板；或者识别地面类型为地毯、地砖、地板；等等。

由于有墙壁作为天然边界，机器人地面清洁器往往不必区分工作区域和非工作区域。然而，在收集到地面类型信息后，机器人地面清洁器的控制器31能够根据识别到的地面类型决定行进方向或者其他工作策略，以提高地面清洁的工作效率。

例如，能够识别地毯、地板、地砖后，机器人地面清洁器能够控制自身在一定时间段内在地毯上工作，一定时间段内在地板上工作；或者在地毯上工作时采用低速行走，高功率清扫地面的工作模式；在地板上工作时采用高速行走，低功率清扫地面的工作模式等。可能的策略很多，不再赘述。

本发明不局限于所举的具体实施例结构，基于本发明构思的结构均属于本发明保护范围。

Claims (16)

1.一种自移动机器人，包括：

壳体；

驱动模块，安装于所述壳体并驱动壳体相对于地面移动；

工作模块，安装于所述壳体，执行设定的工作任务；

控制器，安装于所述壳体，连接并控制驱动模块和工作模块工作；

其特征在于，所述自移动机器人还包括：

光发射器，向地面发射特定波长范围的光；

图像采集装置，和所述光发射器相配以接收所述特定波长范围的光，形成基于所述特定波长范围的光的图像；

所述控制器包括地面类型识别模块，所述地面类型识别模块提取图像中的特征以识别所述图像中的地面的类型。

2.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述自移动机器人为园艺机器人，所述地面类型识别模块为草地识别模块，所述草地识别模块识别图像中的地面的类型为草地或非草地。

3.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述草地识别模块至少包括离散度识别元件、频域识别元件和纹理识别元件的其中之一。

4.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述图像采集装置包括滤光层，所述滤光层过滤所述特定波长范围之外的光。

5.根据权利要求1或4所述的自移动机器人，其特征在于，所述光发射器为不可见光发射器。

6.根据权利要求4所述的自移动机器人，其特征在于，所述光发射器为红外光发射器，所述滤光层为红外滤光层。

7.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述光发射器为激光发射器。

8.根据权利要求7所述的自移动机器人，其特征在于，所述激光发射器的光源发出的激光从一开口处射离所述自移动机器人，所述光源和所述开口之间的距离大于等于3厘米。

9.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述光发射器包括线光源。

10.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述光发射器和图像采集装置朝向地面同一识别区域。

11.根据权利要求10所述的自移动机器人，其特征在于，所述同一识别区域位于壳体前方地面。

12.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述图像采集装置的取景范围的宽度大于等于0.5个壳体宽度。

13.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述图像采集装置和/或所述光发射器的数量为多个。

14.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述图像采集装置和/或所述光发射器与所述地面之间设有隔离件。

15.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述图像采集装置的曝光时间小于0.1秒。

16.根据权利要求1所述的自移动机器人，其特征在于，所述控制器还包括驱动控制元件，所述驱动控制元件根据地面类型识别模块的识别结果控制驱动模块的驱动方向。