CN106592499B - 一种铲雪机器人及其铲雪方法 - Google Patents

Abstract

一种铲雪机器人的铲雪方法包括：通过铲雪机器人的摄像模块获取铲雪机器人所在场景的地面图像，根据所述地面图像识别待清除积雪的区域；通过障碍物检测机构检测所述铲雪机器人周围的障碍物；通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述待清除积雪的区域、障碍物位置生成铲雪路径；根据所述铲雪路径生成驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪。本方法可以自动的场景内的积雪清除，可以大大的减少住户的操作时间，有利于提高积雪清除的便利性和效率。

Description

一种铲雪机器人及其铲雪方法

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种铲雪机器人及其铲雪方法。

背景技术

在中国的北方的冬天，或者全世界的其它寒冷区域，由于天气降温会在地面形成积雪，这些积雪如果不及时清理，会造成人们行走或驾车的困难，给人们的生活带来不便；比如可能会造成老人或小孩的跌倒，甚至有可能产生严重的交通事故。

目前，对于家庭积雪的清理，一般需要住户自己手动完成。在寒冷的天气里进行积雪清除，需要消耗住户较多的体力与时间，并且积雪经常会持续形成，增加了住户清除积雪的工作量和清除难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铲雪机器人及其铲雪方法，以解决现有技术通过住户手动清除积雪时，需要消耗住住户较多的体力与时间，清除的工作量大，清除难度大的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种铲雪机器人，所述铲雪机器人包括摄像模块、铲雪机构、动力机构、障碍物检测机构、控制器，其中：

所述摄像模块用于获取铲雪机器人所在场景的地面图像；

所述障碍物检测机构用于检测所述铲雪机器人周围的障碍物；

所述控制器用于接收所述摄像模块获取的地面图像，检测所述地面图像中包括待清除积雪的区域，以及接收所述障碍物检测机构获取的障碍物位置，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述障碍物位置以及待清除积雪的区域，生成铲雪路径，并根据所述铲雪路径生成驱动指令；

所述动力机构接收所述控制器的驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪操作；

所述铲雪机构用于根据控制器下发的铲雪指令进行铲雪操作。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述铲雪机器人还包括无线通信模块，所述无线通信模块与控制端相连，用于将铲雪机器人获取的状态数据上传至控制终端，以及将控制终端的控制指令下发至所述铲雪机器人。

结合第一方面，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述机器人还包括里程计，和空间三维信息获取装置，所述里程计和空间三维信息获取装置用于获取所述铲雪机器人运动的绝对距离和位姿估算，并将所述位姿在地图中的呈现发送至控制器，由控制器根据所述绝对距离对路径进行导航或调整。

结合第一方面，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述摄像模块为基于三维结构光的深度图像采集器，通过所述三维结构光的深度图像采集器采集机器人所在场景的地面图像。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述控制器根据铲雪机器人的雪铲的宽度和每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元对所述待清除雪区域栅格化处理，生成二维的八叉树地图，基于A*算法控制所述铲雪机器人生成铲雪路径，遍历所述栅格。

结合第一方面的第四种可能实现方式，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述铲雪机器人的控制器还用于根据获取的积雪的厚度，自动对所述待清除积雪的区域进行遍历的次数。

第二方面，本发明实施例提供了一种铲雪机器人的铲雪方法，所述方法包括：

通过铲雪机器人的摄像模块获取铲雪机器人所在场景的地面图像，根据所述地面图像识别待清除积雪的区域；

通过障碍物检测机构检测所述铲雪机器人周围的障碍物，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述待清除积雪的区域生成铲雪路径；

根据所述铲雪路径生成驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能实现方式中，所述方法还包括：

将所述摄像模块获取的铲雪机器所在场景的地面图像通过无线模块发送至控制终端，或者，通过所述无线模块接收控制终端的控制指令，根据所述控制指令控制铲雪机器人。

结合第二方面，在第二方面的第二种可能实现方式中，所述方法还包括：

通过里程计记录机器人运动距离和轨迹，根据记录的机器人运动距离和轨迹，对所述铲雪机器人进行导航和路径规划调整。

结合第二方面，在第二方面的第三种可能实现方式中，所述方法还包括：

通过空间三维信息获取装置预先生成铲雪场景地图，并在铲雪过程中，根据实际情况做地图的局部调整，将地图栅格化，用于对铲雪机器人进行导航和路径规划调整。

获取所述铲雪机器人的雪铲宽度，以及每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元将所述待清除积雪的区域栅格化处理，生成铲雪路径对栅格化的单元遍历。

本发明所述铲雪机器人，通过摄像模块获取铲雪机器人所在场景的地面图像，通过障碍物检测机构检测机器人周围的障碍物，通过控制器识别所述地面图像得到待清除积雪的区域，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合检测的障碍物生成铲雪路径，通过所述铲雪路径生成驱动指令驱动动力机构按照铲雪路径驱动机器人，控制铲雪机构进行铲雪操作。本方法可以自动的场景内的积雪清除，可以大大的减少住户的操作时间，有利于提高积雪清除的便利性和效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的铲雪机器人的机构示意图；

图2是本发明实施例提供的铲雪机器人的铲雪方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的目的在于提供一种铲雪机器人及其铲雪方法，以解决现有技术中对于家庭住户对于积雪的清除过程，工作量大，需要耗费较多的时间和体力。并且在天冷的北方，经常会需要对积雪进行清除，进一步增加了积雪清除的工作量和难度。下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

图1示出了本发明实施例提供的铲雪机器人的结构示意图，详述如下：

本发明实施例所述铲雪机器人，包括：摄像模块1、铲雪机构2、动力机构3、障碍物检测机构4、控制器5，其中：

所述摄像模块1用于获取铲雪机器人所在场景的地面图像；

所述障碍物检测机构4用于检测所述铲雪机器人周围的障碍物；

所述控制器5用于接收所述摄像模块获取的地面图像，检测所述地面图像中包括待清除积雪的区域，以及接收所述障碍物检测机构获取的障碍物位置，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述障碍物位置以及待清除积雪的区域，生成铲雪路径，并根据所述铲雪路径生成驱动指令；

所述动力机构3接收所述控制器的驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪操作；

所述铲雪机构2用于根据控制器下发的铲雪指令进行铲雪操作。

具体的，所述摄像模块，可以为设置在铲雪机器人前部的摄像头，通过所述摄像头可以获取铲雪机器人前进方向的地面图像，铲雪机器人可以根据所述地面图像确定前进的距离和方向。当然，所述摄像头可以旋转，采集所述铲雪机器人四周的地面图像，得到机器人所在场景的完整画面的地图。地图构建过程中可以进行回环检测，使地图能形成一个闭环，即使铲雪机器人从起点出发，回到起点。

作为本发明优化的一种实施方式，由于雪花的纹理特征不明显，可以采用三维结构光的深度图像采集器采集图像，从而能够不受纹理等特征的干扰，生成机器人所在场景的地面图像，从而能够更为有效的检测机器人所在场景的待清除积雪的区域。

所述待清除积雪的区域的检测，可以对采集的图像做颜色聚类，获取其中雪花对应的纯白色的占空比，并根据预先设定的占空比阈值，对图像进行过滤。当占空比小于所述预设的占空比阈值时，认为雪花已清理干净。

所述导航模块可以包括摄像模块、障碍物检测机构，通过摄像模块采集的图像进行分析，并且结构障碍物检测机构对场景中的障碍物的检测，得到机器人所在场景的准确的二图地图信息。

所述障碍物检测机构4，可以包括激光雷达和/或超声雷达，如图1所示，在所述铲雪机器人的两侧分别对称设置有激光雷达，以及在机器人前部设置有超声雷达。通过激光雷达，可以基于红外测距检测机器人扇面位置的深度信息，有助于铲雪机器人获取场景中的障碍物的位置。可以通过超声雷达辅助判断机器人与前面障碍物的距离。当然，所述超声雷达和激光雷达也可以交换设置。

所述控制器5用于将摄像模块获取的地面图像进行拼接，生成当前场景下的完整地图。并且可以结合障碍物检测机构所检测的障碍物的位置，标注出障碍物所在的无效铲雪区域，铲雪规划时将所述无效铲雪区域排除在外，对地图进行修正并生成铲雪路径。

所述铲雪机器人需要遍历整个地图的积雪区域，而且扫雪过程中需要迂回运动，所述控制器根据铲雪机器人的雪铲的宽度和每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元对所述待清除雪区域栅格化处理，生成二维的八叉树地图，基于A*算法控制所述铲雪机器人生成铲雪路径，遍历所述栅格。在遍历所有栅格后，铲雪机器人完成一个铲雪的循环，可再次获取场景中的地面图像，重新确定待清除积雪的区域。

另外，作为本发明优选的实施方式，所述铲雪机器人的控制器还用于根据获取的积雪的厚度，自动对所述待清除积雪的区域进行遍历的次数。所述积雪厚度可以接收用户输入的参数，或者可以通过深度传感器检测的方式获取。当然，可以根据积雪的厚度，决定一次铲雪操作前进的距离。比如，对于第一厚度的积雪，结合雪铲的大小，一次铲雪所前进的距离为L1，需要遍历的次为N。

在本发明实施例中，对所述积雪进行清除时，可以根据机器人的当前位置，在地图中给定机器人的当前起点位置和大致方向，机器人做方向矫正后，进入积雪区域，开始遍历。

机器人雪铲可以具有上下运动和旋转2个方向上的自由度。控制器给所壕动力机构(所述动力机构可以为驱动链条的电机)下达后退指令，铲雪机器人后退留出下铲距离；接收到前进指令后，控制铲雪机器人将铲放平，并前进到开始位置控制雪铲适当下放，使雪铲顶端低于雪花面；控制铲雪机器人继续前进，雪铲完成一次铲雪；此后，控制雪铲抬高，铲雪机器人移动到地图指定的最近倾倒区域；控制铲雪机器人铲子旋转下翻，完成积雪倾倒后，保持雪铲抬起状态，恢复到水平方向，移动到下一个铲雪区域，开始下一次铲雪，直到完成所有铲雪区域的遍历为止。

作为本发明优选的实施方式，所述机器人还包括里程计6，所述里程计用于获取所述铲雪机器人运动的绝对距离，并所述绝对距离发送至控制器，由控制器根据所述绝对距离对路径进行导航或调整。在积雪清理过程中，铲雪机器人前进、后退的距离通过地图和里程计实现量化，通过里程计精确定位铲雪机器人在地图中的位置，从而能够更有效的对场景中的积雪进行清除操作。另外，所述机器人还可以包括空间三维信息获取装置，所述空间三维信息获取装置可以对机器人当前的位姿进行有效的估算，将所述机器人位姿在地图中的呈现发送至控制器。根据估算的位姿信息，为控制器对机器人进行路径的导航和调整提供准确有效的数据，进一步提高导航效率。

另外，作为本发明进一步优选的实施方式，所述铲雪机器人还包括无线通信模块7，所述无线通信模块与控制端相连，用于将铲雪机器人获取的状态数据上传至控制终端，以及将控制终端的控制指令下发至所述铲雪机器人。所述控制终端可以为计算机，也可以智能手机或者平板电脑。所述无线通信模块可以为WIFI模块。

所述铲雪机器人可以带有WIFI模块，将所述铲雪机器人与控制终端连接到同一局域网；连接成功后，通过铲雪机器人管理软件控制机器人运动，铲雪机器人在运动过程中，激光雷达可以采集周围的三维深度信息，基于该信息提取物理世界的角点、圆弧等特征信息，结合机器人里程计信息，在机器人运动的过程中提取不变特征，进行坐标系转换，生成场景拓扑地图。

另外，考虑到当扫雪区域过大时，WIFI信号无法覆盖完全，可以通过移动终端开设WIFI热点，铲雪机器人连接所述热点即可与控制终端相连。

图2为本发明实施例提供的铲雪机器人的铲雪方法的实现流程图，详述如下：

本发明实施例所述铲雪机器人的铲雪方法，包括：

在步骤S201中，通过铲雪机器人的摄像模块获取铲雪机器人所在场景的地面图像，根据所述地面图像识别待清除积雪的区域；

在步骤S202中，通过障碍物检测机构检测所述铲雪机器人周围的障碍物，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述待清除积雪的区域生成铲雪路径；

在步骤S203中，根据所述铲雪路径生成驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪。

优选的，所述方法还包括：

将所述摄像模块获取的铲雪机器所在场景的地面图像通过无线模块发送至控制终端，或者，通过所述无线模块接收控制终端的控制指令，根据所述控制指令控制铲雪机器人。

优选的，所述方法还包括：

通过里程计和空间三维信息获取装置记录机器人运动距离和轨迹，并估算机器人位姿，根据记录的机器人运动距离、轨迹和机器人的位姿，结合导航模块动态生成的二维地图信息，对所述铲雪机器人进行导航和路径规划调整。

优选的，所述方法还包括：

获取所述铲雪机器人的雪铲宽度，以及每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元将所述待清除积雪的区域栅格化处理，生成铲雪路径对栅格化的单元遍历。

本发明实施例所述铲雪机器人的铲雪方法，与图1所述的铲雪机器人的描述对应，在此不作重复赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铲雪机器人，其特征在于，所述铲雪机器人包括摄像模块、铲雪机构、动力机构、障碍物检测机构、控制器，其中：

所述摄像模块用于获取铲雪机器人所在场景的地面图像；

所述障碍物检测机构用于检测所述铲雪机器人周围的障碍物；

所述控制器用于接收所述摄像模块获取的地面图像，检测所述地面图像中包括待清除积雪的区域，以及接收所述障碍物检测机构获取的障碍物位置，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述障碍物位置以及待清除积雪的区域，生成铲雪路径，并根据所述铲雪路径生成驱动指令；

所述动力机构接收所述控制器的驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪操作；

所述铲雪机构用于根据控制器下发的铲雪指令进行铲雪操作；

所述控制器根据铲雪机器人的雪铲的宽度和每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元对所述待清除雪区域栅格化处理，生成二维的八叉树地图，基于A*算法控制所述铲雪机器人生成铲雪路径，遍历所述栅格。

2.根据权利要求1所述铲雪机器人，其特征在于，所述铲雪机器人还包括无线通信模块，所述无线通信模块与控制端相连，用于将铲雪机器人获取的状态数据上传至控制终端，以及将控制终端的控制指令下发至所述铲雪机器人。

3.根据权利要求1所述铲雪机器人，其特征在于，所述机器人还包括里程计和空间三维信息获取装置，所述里程计和空间三维信息获取装置用于获取所述铲雪机器人运动的绝对距离和位姿估算，并将所述位姿在地图中的呈现发送至控制器，由控制器根据所述绝对距离对路径进行导航或调整。

4.根据权利要求1所述铲雪机器人，其特征在于，所述摄像模块为基于三维结构光的深度图像采集器，通过所述三维结构光的深度图像采集器采集机器人所在场景的地面图像。

5.根据权利要求1所述铲雪机器人，其特征在于，所述铲雪机器人的控制器还用于根据获取的积雪的厚度，自动对所述待清除积雪的区域进行遍历的次数。

6.一种铲雪机器人的铲雪方法，其特征在于，所述方法包括：

通过铲雪机器人的摄像模块获取铲雪机器人所在场景的地面图像，根据所述地面图像识别待清除积雪的区域；

通过障碍物检测机构检测所述铲雪机器人周围的障碍物，通过导航模块动态生成二维地图信息，结合所述待清除积雪的区域生成铲雪路径；

获取所述铲雪机器人的雪铲宽度，以及每次铲雪的长度生成铲雪单元，根据所述铲雪单元将所述待清除积雪的区域栅格化处理，生成铲雪路径对栅格化的单元遍历；

根据所述铲雪路径生成驱动指令，驱动所述铲雪机器人按照所述铲雪路径进行铲雪。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述摄像模块获取的铲雪机器所在场景的地面图像通过无线模块发送至控制终端，或者，通过所述无线模块接收控制终端的控制指令，根据所述控制指令控制铲雪机器人。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过里程计和空间三维信息获取装置记录机器人运动距离和轨迹，并估算机器人位姿，根据记录的机器人运动距离、轨迹和机器人的位姿，结合导航模块动态生成的二维地图信息，对所述铲雪机器人进行导航和路径规划调整。