CN111474931B - 一种机器人沿直边行走的异常检测方法及脱卡的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人沿直边行走的异常检测方法及脱卡的处理方法。所述异常检测方法，通过结合机器人内置控制程序的驱动控制输出和编码器的检测数据，可以快速准确地判断出机器人沿直边行走过程中是否被卡住，该检测和判断只需基于机器人自身配置的控制器和驱动轮上的编码器就能实现，不需要额外增加其它零部件，检测和判断的成本更低。所述处理方法，在确定机器人沿直边被卡的情况下，先对当前方向和位置进行标定，在脱卡之后再把此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置，避免机器人被卡之后，驱动轮打滑等原因导致机器人的定位信息不准确的问题，保证机器人定位和建图的准确性，提高惯导机器人在复杂场景的适应能力。

Description

一种机器人沿直边行走的异常检测方法及脱卡的处理方法

技术领域

本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种机器人沿直边行走的异常检测方法及脱卡的处理方法。

背景技术

目前智能扫地机器人都是全覆盖式的，基本都会有沿墙的过程，或者沿墙的模式。机器人在沿墙时，遇到一些传感器检测不到的坎时，会直接冲上去，导致机身被卡死在坎上，或者机器人会被坎顶住，无法向前行走，从而导致轮子打滑。按不完全统计，扫地机器人售后的投诉问题中，这个问题的比例是很高的。配置激光雷达的扫地机器人在这方面表现还行，因为可以用雷达的数据来判断机器是否移动等等，但是采用惯性导航的扫地机器人，就无法做到，所以惯性导航的机器人在坎（比如圆棍，U型椅，电子秤等）比较多的区域行走，地图容易引起偏差，导致清扫体验差。

一篇申请号为CN201711141281.2的中国专利申请，公开了一种机器人被卡住的检测方法，通过结合两个驱动轮的控制行走距离和实际行走距离，以及结合万向轮的行走距离，来判断机器人是否被卡住，这种方法需要在万向轮上设置编码器来检测万向轮的行走距离，不仅需要对机器人现有结构进行改造，而且提高了机器人的硬件成本。

一篇申请号为CN201810457864.4的中国专利申请，公开了一种机器人被卡的检测方法，通过将第一预设时间段内所记录的仰角数据与机器人中预先存储的参考仰角数据进行比较，并结合时间和打滑情况的综合判断，准确得出机器人是否被卡的检测结果。但是这种方法需要预先存储参考仰角数据，使用不便，操作繁琐。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种机器人沿直边行走的异常检测方法及脱卡的处理方法，使机器人可以在不改变自身结构的基础上，快速地检测出机器人在沿直边行走过程中是否被卡住。本发明的具体技术方案如下：

一种机器人沿直边行走的异常检测方法，包括以下步骤：步骤S1，机器人基于沿边行走时检测到的传感数据进行判断，确定机器人是沿直边行走；步骤S2，机器人判断当前机身发生偏转的角度是否大于预设角度，如果是，则进入步骤S3，如果否，则进入步骤S4；步骤S3，机器人确定被卡住；步骤S4，机器人根据***内置的控制程序，确定驱动轮的控制行走速度，并根据所述控制行走速度计算得出机器人的第一行走距离；机器人根据编码器检测到的参数，确定机器人的第二行走距离；机器人判断第一行走距离与第二行走距离的差值是否大于第一预设行走距离，如果大于第一预设行走距离，并且驱动轮的驱动电流大于预设电流值，则确定机器人被卡，否则确定机器人没有被卡。

进一步地，所述步骤S1具体包括如下步骤：机器人根据沿边传感器检测到的参数，确定机身与所沿的边之间的距离；机器人根据编码器检测到的参数，确定驱动轮的转动速度；机器人根据陀螺仪检测到的参数，确定机身的偏转角度和偏转角速度；当机器人判断机身与所沿的边之间的距离变化保持在预设距离内，并且两个驱动轮的转动速度之间的差值小于预设速度，以及机身的偏转角速度小于预设角速度，则确定机器人沿直边行走。

进一步地，在确定机器人被卡住之前，还包括如下步骤：机器人是否连续N次判断机器人被卡住，如果是，则确定机器人被卡住，否则确定机器人没有被卡住，所述N为大于或等于2，且小于或等于4的自然数。

进一步地，所述预设角度为大于20度的数值。

进一步地，所述第一预设行走距离设置为第一行走距离的M倍。

进一步地，所述M为1或者2。

一种机器人脱卡的处理方法，包括以下步骤：机器人基于上述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；机器人标定当前的方向和位置；机器人进行脱卡操作，并持续记录机器人的脱卡路径信息，直到机器人基于上述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置，并清除所记录的脱卡路径信息。

一种机器人脱卡的处理方法，包括以下步骤：机器人基于上述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；机器人标定当前的方向和位置；机器人进行脱卡操作，直到机器人基于上述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置。

所述机器人沿直边行走的异常检测方法，通过结合机器人内置控制程序的驱动控制输出和编码器的检测数据，可以快速准确地判断出机器人沿直边行走过程中是否被卡住，该检测和判断只需基于机器人自身配置的控制器和驱动轮上的编码器就能实现，不需要额外增加其它零部件，检测和判断的成本更低。

所述机器人脱卡的处理方法，在确定机器人沿直边被卡的情况下，先对当前方向和位置进行标定，在脱卡之后再把此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置，避免机器人被卡之后，驱动轮打滑等原因导致机器人的定位信息不准确的问题，保证机器人定位和建图的准确性，提高惯导机器人在复杂场景的适应能力。

附图说明

图1为本发明实施例所述的机器人沿直边行走的异常检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。应当理解，下面所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

在下面的描述中，给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，本领域的普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，电路可以在框图中显示，以便不在不必要的细节中使实施例模糊。在其他情况下，为了不混淆实施例，可以不详细显示公知的电路、结构和技术。

本发明实施例所述机器人可以为扫地机器人、拖地机器人等智能清洁设备，该机器人可以包含机器主体、感知***、控制***、驱动***、清洁***、能源***和人机交互***等。

本发明实施例所述机器人载体上装有的陀螺仪，用于对机器人的偏转角速度进行检测，将偏转角速度进行积分运算可以得到偏转角度；装有的编码器用于机器人行走距离的检测，通过行走距离与行走时间的相除可以得到驱动轮的转动速度；并且装有能够检测机器人的机身侧边与所沿墙面或其它物体的边之间的距离的沿边传感器，该沿边传感器可以是超声波距离传感器、红外强度检测传感器、红外距离传感器、物理开关检测碰撞传感器，电容或者电阻变化检测传感器、TOF传感器或者激光雷达传感器等。

如图1所示，一种机器人沿直边行走的异常检测方法，用于检测机器人在沿直边行走过程中是否被卡住的情况。所述沿直边行走是指机器人沿着墙体或者其它物体的呈一条直线延伸的边缘行走，也可以说是沿直墙行走，或者沿物体的直边行走。所述方法包括以下步骤：步骤S1，机器人基于沿边行走时检测到的传感数据进行判断，确定机器人是沿直边行走，然后进入步骤S2。步骤S2，机器人判断当前机身发生偏转的角度是否大于预设角度，如果是，则进入步骤S3，如果否，则进入步骤S4；步骤S3，机器人确定被卡住；步骤S4，机器人根据***内置的控制程序，确定驱动轮的控制行走速度，并根据所述控制行走速度乘以时间后，计算得出机器人的第一行走距离，所述第一行走距离为机器人理论上应该行走的距离；机器人还根据编码器在相同时间内检测到的圈数，由圈数乘以驱动轮的周长计算得出机器人的第二行走距离，所述第二行走距离是机器人实际转动行走的距离；机器人判断第一行走距离与第二行走距离的差值是否大于第一预设行走距离，如果大于第一预设行走距离，并且驱动轮的驱动电流大于预设电流值，则确定机器人被卡，此时由于摩擦阻力大，驱动轮很难转动，否则确定机器人没有被卡。所述第一预设行走距离可以根据具体的产品设计需求进行配置，一般设置为第一行走距离的M倍，M为大于0的数值。所述预设电流值一般设置为驱动轮正常电流值的50%。本实施例通过结合机器人内置控制程序的驱动控制输出和编码器的检测数据，可以快速准确地判断出机器人沿直边行走过程中是否被卡住，该检测和判断只需基于机器人自身配置的控制器和驱动轮上的编码器就能实现，不需要额外增加其它零部件，检测和判断的成本更低。

作为其中一种实施方式，所述步骤S1具体包括如下步骤：机器人根据沿边传感器检测到的参数，确定机身与所沿的边之间的距离；机器人根据编码器检测到的参数，确定驱动轮的转动速度；机器人根据陀螺仪检测到的参数，确定机身的偏转角度和偏转角速度；如果机器人判断机身与所沿的边之间的距离变化保持在预设距离内，并且两个驱动轮的转动速度之间的差值小于预设速度，以及机身的偏转角速度小于预设角速度，则确定机器人是沿直边行走。所述预设距离是指机器人在行走过程中，由于机身抖动或者传感器误差等原因造成机器人行走路线出现微小的距离偏差，如果偏差在预设距离范围内，表明机器人沿边过程正常，否则表明机器人沿边过程出现异常。该预设距离是可以根据产品设计需求进行相应配置的，一般情况下，机器人沿边时，机身侧边与所沿边之间的距离为1厘米至2厘米之间，预设距离一般设置为该距离的50%，即机器人的机身与所沿的边之间的距离变化要小于0.5厘米至1厘米之间的任意一值，否则可认为机器人不是沿直边行走。所述预设速度也是可以根据具体的产品设计需求进行配置，正常情况下，机器人以平行方式沿边行走时，两个驱动轮的速度是相同的，或者相差很小，如果两个驱动轮的速度相差超过20%，则可以认为机器人不是沿直边行走。所述预设角速度也是可以根据具体的产品设计需求进行配置，一般机器人沿直边行走时，角度每秒不超过3度的变化，主要是由于沿边过程需要用当前离墙壁的距离做PID调整驱动轮的速度变化，距离肯定会抖动的，所以会有左右小摆动的情况，如果陀螺仪检测到的每秒钟角度变化很大，大于3度，则可以认为机器人不是沿直边行走。本实施例所述方法，通过三个不同的维度进行判断，可以准确地得出机器人是否沿直边行走，为后续的处理提供有效的参考。

作为其中一种实施方式，在确定机器人被卡住之前，还包括如下步骤：机器人是否连续N次判断机器人被卡住，如果是，则确定机器人被卡住，否则确定机器人没有被卡住，所述N为大于或等于2，且小于或等于4的自然数，优选为3。本实施例所述方法，通过合理的重复检测，可以进一步提高机器人被卡检测的准确性，大大降低了出现误判的情况。

作为其中一种实施方式，所述预设角度为大于20度的数值，通过该角度数值，机器人可以合理有效地判断机器人发生偏转是否因为被卡住了。

作为其中一种实施方式，所述第一预设行走距离设置为第一行走距离的M倍，优选为1倍或者2倍。本实施例通过以倍数的方式来判断两种行走距离的差值，可以准确得出机器人是否被卡，避免误判的情况发生。

一种机器人脱卡的处理方法，包括以下步骤：机器人基于以上任一实施例所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；机器人基于陀螺仪和编码器检测的数据，标定当前的方向和位置；机器人进行脱卡操作（具体可以参考中国专利申请CN201711141281.2中所述的脱卡方法），并持续记录机器人的脱卡路径信息，直到机器人基于以上任一实施例所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置，并清除所记录的脱卡路径信息。通过本实施例所述的处理方法，可以将机器人的定位误差和地图误差校正回来，保证机器人后续定位导航和建图的准确性，提高惯导机器人在复杂场景的适应能力。

一种机器人脱卡的处理方法，包括以下步骤：机器人基于以上任一实施例所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；机器人基于陀螺仪和编码器检测的数据，标定当前的方向和位置；机器人进行脱卡操作（具体可以参考中国专利申请CN201810457864.4中所述的脱卡方法），在脱卡操作过程中，机器人不对编码器和陀螺仪的检测数据进行记录，直到机器人基于以上任一实施例所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置。通过本实施例所述的处理方法，可以简化机器人脱卡过程的数据处理资源，还能将机器人的定位误差和地图误差校正回来，保证机器人后续定位导航和建图的准确性，提高惯导机器人在复杂场景的适应能力。

下面是以机器人右边沿墙为例，对机器人的沿边过程进行说明：

首先，机器人确保碰到了墙壁，机器人用机身的右边进行沿墙，在碰到墙壁后，机器人需要往左边方向转一个角度，然后利用机身右边的红外传感器或TOF传感器等测距传感器测量机身侧边与墙壁的距离，这个距离可以是一个模拟量，也可以是一个数字量，用离墙的距离做PID控制，控制两个驱动轮的走向，理论上是让机器人保持和墙壁固定的距离。当无法保持这个距离时，比如走着走着，突然要拐弯，或者遇到一些颜色非常暗淡的墙壁，比如黑色，机器人只能往墙壁方向撞过去，尝试去碰到墙壁，然后尽量重新去找一个离墙固定距离的状态行走。

机器人在没有找到平行墙壁固定距离行走的状态时，因为机器人始终要往墙壁方向靠，所以找不到平行状态时，机器人左右驱动轮的速度差值是比较大的，右轮小，左轮大。当往墙壁靠时，如果能测到墙壁的距离比固定距离小时，则PID算法会控制右驱动轮转速加大，让机器人远离墙壁，保持和墙壁的固定距离，当检测到距离超过固定距离时，则PID算法又会控制右驱动轮速度减小，让机器人靠近墙壁。如此反复快速调整，就能控制机器人沿墙时保持与墙壁的固定距离。

通过上面的控制过程，机器人在沿墙过程，有几个特征：第一，用传感器测距离，目标是保持和墙壁之间达到预定的距离；第二，如果机器人没有达到和墙壁平行的状态，则两个驱动轮的速度差值是比较大的，如果已经在平行状态，那么两个驱动轮的速度差值肯定不大的；第三，机器人在平行墙壁状态时，陀螺仪的每秒钟角度变化是很小的，在机器人非平行墙壁走的状态时，陀螺仪每秒钟变化比较大的。

当沿墙过程，遇到机器人被卡住，一般有两种情况，一种情况是驱动轮很难动，一种情况是驱动轮空转，两种情况机器人的状态都是在原地被动幅度很小，甚至看不出动。一般情况下，机器人在沿墙只有两种状态，一种是非平行墙壁状态，一种平行墙壁状态。

当机器人处于非平行墙壁状态时，两个驱动轮的速度会保持比较大的差值，通常理论上陀螺仪的角度变化（则角速度）大。 利用这个特征，可以准确的估算机器人是否被卡住，如果机器人被卡住了，那么机器人陀螺仪的角速度肯定很小，同时，通常机器人很久也碰不到障碍物，因为两个驱动轮差值大时，往右转，只有两种情况： 转一个空圈（这种情况角度很大）； 撞到障碍物。 如果过了一定时间仍不能碰到障碍，那么就是卡住了。

当机器人处于平行墙壁状态时，有两种情况：

一种是墙壁比较直的情况，两个驱动轮的速度会保持比较小的差值，而且理论上陀螺仪的角速度变化小，同时，在平衡状态，不会碰撞墙壁。 由此可以准确估算机器人是否被卡住。 在这种情况，机器人被卡住，会有两种情况发生：第一种情况，机器人机身角度没有发生变化。如果驱动轮是空转，同时沿边传感器又能检测到距离，此时可以利用陀螺仪的前行加速度向量大概估算机器人走的距离，然后和轮子编码器计算出来的距离比较，如果很大，那么可以判断为卡住了。第二，如果轮子很难转动，那么可以用预设速度计算理论走的距离，和实际驱动轮的编码器计算出来的距离比较，同时对比驱动轮的电流值，如果电流值大于一定值，则可以判断为被卡住了。第二种情况，机器人卡住时，机身发生变化。由于两个驱动轮的速度差值不大，那么机身的角度理论上不会发生大变化。如果机身角度发生变化，那么说明是机器人的一个驱动轮被卡住时，机身在惯性作用下发生的偏转，此时检测到离墙壁的距离已经不是预定的距离，通过PID算法调整速度，沿墙的状态会发生变化，变成非平行状态，机器人切换至非平行状态下的被卡检测。

另一种是墙壁不是直线的情况，这种情况其实就是PID控制一种在动态调整的过程，机器人会分别采用上述的检测方法来判断是否被卡。

在机器人沿墙过程，如果遇到上述情况，一般通过驱动轮编码器反馈进行定位的结果会有很大误差，为了校正误差，需要实时运算，如果检测到上面被卡的判定条件成立，则马上记录当前的方位，从这一刻开始记录当前经过的路径（可以用栅格地图表示路径）。这个检测可以根据实际情况进行连续多次的检测后再判断是真的卡住，然后进行解困。在第一次检测到被卡时，就马上记录当前方位的信息，，接下来的就不需要记录了，除非中间消除了这个判断，然后重新判断到第一次时再次记录。路径信息需要一直记录，直到停止检测停止或者脱困结束。

脱困成功后，需要把记录的方位信息设置为当前的方位信息，同时把记录的路径信息对应全局地图上的这些路径信息清除掉，这样就把地图的误差和定位误差校正回来了。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器（processor）执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上各实施例描述的逻辑或步骤，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种机器人沿直边行走的异常检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，机器人基于沿边行走时检测到的传感数据进行判断，确定机器人是沿直边行走；

步骤S2，机器人判断当前机身发生偏转的角度是否大于预设角度，如果是，则进入步骤S3，如果否，则进入步骤S4；

步骤S3，机器人确定被卡住；

步骤S4，机器人根据***内置的控制程序，确定驱动轮的控制行走速度，并根据所述控制行走速度计算得出机器人的第一行走距离；机器人根据编码器检测到的参数，确定机器人的第二行走距离；机器人判断第一行走距离与第二行走距离的差值是否大于第一预设行走距离，如果大于第一预设行走距离，并且驱动轮的驱动电流大于预设电流值，则确定机器人被卡，否则确定机器人没有被卡；

所述步骤S1具体包括如下步骤：

机器人根据沿边传感器检测到的参数，确定机身与所沿的边之间的距离；

机器人根据编码器检测到的参数，确定驱动轮的转动速度；

机器人根据陀螺仪检测到的参数，确定机身的偏转角度和偏转角速度；

当机器人判断机身与所沿的边之间的距离变化保持在预设距离内，并且两个驱动轮的转动速度之间的差值小于预设速度，以及机身的偏转角速度小于预设角速度，则确定机器人沿直边行走。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定机器人被卡住之前，还包括如下步骤：

机器人是否连续N次判断机器人被卡住，如果是，则确定机器人被卡住，否则确定机器人没有被卡住，所述N为大于或等于2，且小于或等于4的自然数。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：

所述预设角度为大于20度的数值。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于：

所述第一预设行走距离设置为第一行走距离的M倍。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述M为1或者2。

6.一种机器人脱卡的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

机器人基于权利要求1至5中任一项所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；

机器人标定当前的方向和位置；

机器人进行脱卡操作，并持续记录机器人的脱卡路径信息，直到机器人基于权利要求1至5中任一项所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；

机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置，并清除所记录的脱卡路径信息。

7.一种机器人脱卡的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

机器人基于权利要求1至5中任一项所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，确定机器人被卡；

机器人标定当前的方向和位置；

机器人进行脱卡操作，直到机器人基于权利要求1至5中任一项所述的机器人沿直边行走的异常检测方法，没有确定机器人被卡；

机器人将此时的方向和位置设置为所标定的方向和位置。