CN111930106A - 移动机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种移动机器人及其控制***，移动机器人包括可升降的激光雷达和双目摄像头，激光雷达在其有效检测范围内检测位于前行路线上的障碍物到移动机器人的距离并控制激光雷达下降至机器人本体中，双目摄像头在其到达有效检测范围后检测障碍物允许通行的最小高度并判断是否允许通过，激光雷达和双目摄像头的相互配合使移动机器人在不用减速或停止的情况下提前确定激光雷达的升降时机，高效通过有高度限制的障碍物。

Description

移动机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及移动机器人及其控制方法，属于家用机器人领域。
背景技术
家用的移动机器人通常包括扫地机、拖地机、割草机等，在现代化的生活中越来越受欢迎。为了获得更好地性能及更佳的用户体验，在移动机器人上设置可升降的激光雷达装置是越来越多厂商的选择，这样的好处是，即便是在狭小的空间限制区域可升降的激光雷达可收缩回机器人本体内以减小整体高度，从而顺利通过高度有限的障碍物，从而避免被卡住。
现有技术中，如CN108652532A公开的智能清洁设备，其公开了在接触到高度障碍物时防止卡住的优化运动方法，但是对激光雷达升降的控制方法尤其是升降的时机确定缺少显著的技术方案。
发明内容
本发明提供一种移动机器人及其控制方法，通过在双目摄像头及激光雷达的共同作用下提前确定升降的时机，改变现有技术在物理碰撞到障碍物后才确定升降控制。
本发明提出的解决方案是：一种顶部设可升降激光雷达的移动机器人控制方法，包括：通过激光雷达检测位于前行路线上的障碍物到移动机器人的距离，若所述距离小于距离L1则控制激光雷达缩至移动机器人本体内；通过双目摄像头检测位于前行路线上的障碍物最小高度，若所述最小高度大于距离L2则控制移动机器人沿当前方向运行通过障碍物，否则控制执行回避动作；其中，所述距离L1为移动机器人的速度乘以激光雷达缩至移动机器人本体内的时间，所述距离L2为激光雷达缩至移动机器人本体内后的移动机器人高度。
进一步的，所述激光雷达为可旋转安装在移动机器人上的线性激光雷达，包括靠近激光雷达顶端设置的发射端和接收端。
进一步的，所述双目摄像头为图像传感器，固定安装在移动机器人的前进方向且两个摄像头处于同一水平位置。
进一步的，所述双目摄像头包括图像处理模块，用于处理获取的图像信息。
进一步的，还包括独立设置在移动机器人内或服务器内的图像处理模块，间接或直接地通过无线通信***与所述双目摄像头连接。
进一步的，所述回避动作包括机器人的转向、后退或停止。
进一步的，在激光雷达缩至移动机器人本体内后，双目摄像头检测到可通行的空间高度大于激光雷达上升时移动机器人的总高度时，移动机器人通过障碍物时至少向前运行距离D，距离D为移动机器人前端到激光雷达末端的直线距离。
本发明还提出一种移动机器人，包括机器人本体、可升降激光雷达和双目摄像头，激光雷达检测位于前行路线上的障碍物到移动机器人的距离小于距离L1时则缩至移动机器人本体内；双目摄像头检测位于前行路线上的障碍物与地面的最小高度小于距离L2时则控制移动机器人执行回避动作；其中，所述距离L1为移动机器人的速度乘以激光雷达缩至移动机器人本体内的时间，所述距离L2为激光雷达缩至移动机器人本体内后的移动机器人高度。
本发明的有益效果是：激光雷达在其有效检测范围内检测位于前行路线上的障碍物到移动机器人的距离并控制激光雷达下降至机器人本体中，双目摄像头在其到达有效检测范围后检测障碍物允许通行的最小高度并判断是否允许通过，激光雷达和双目摄像头的相互配合使移动机器人在不用减速或停止的情况下提前确定激光雷达的升降时机，高效通过有高度限制的障碍物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需的附图作简单介绍，显然，下面描述中的附图只是本发明实施例的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，所获得的其他实施例附图应当包含在本发明的技术方案中。
图1为本发明的构造示意图；
图2为本发明的信号逻辑图；
图3为实施例1移动机器人检测到障碍物前的示意图；
图4为实施例1的第一种状态示意图；
图5为实施例1的第二种状态示意图；
图6为实施例1的第三种状态示意图；
图7为实施例1的第四种状态示意图；
图8为实施例2的状态示意图。
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例，而并非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，移动机器人包括激光雷达1、双目摄像头2和机器人本体3，其中双目摄像头2包括第一摄像头201和第二摄像头202，摄像头为图像采集装置的别称，通常可以为CCD或CMOS或其他类似的感光元件封装而成的功能模块。如图2所示，示出了移动机器人的信号方向，第一信息M1为激光雷达1获取的距离采样信息，激光雷达1采用可旋转地安装在移动机器人上的二维线性雷达，能在有效检测范围内检测与雷达同高度的障碍物信号；双目摄像头2获取的第二信息M2传输至控制器，所述第二信息M2是经过图像处理模块计算获得的，所述图像处理模块集成在双目摄像头以便实时处理数据信息；第三信息M3为控制器向激光雷达1发出的升降控制信号。优选的方案中还可以包括其他外部传感器获取的信号作为参照信号，比如红外传感器、超声波传感器等信号。优选的方案中图像处理模块还可独立设置在移动机器人内或远程服务器(物理服务器或云服务器)内，间接或直接地通过无线通信***与所述双目摄像头2连接从而交互信号。优选的方案中激光雷达中具有数据处理模块，能直接向控制器发出升降信号，双目摄像头中具有数据处理模块。
如图3至5所示，为本发明所述的移动机器人激光雷达升降的控制***运行示意图，移动机器人沿F方向运行，包括激光雷达1、双目摄像头2和障碍物4，高度标记H0为障碍物4与运行地面的最小高度示意图，在不同的情况下如不同形状的、不同大小的、高度的障碍物，均考虑最低点或多个最低点的连线与运行地面的最小高度。在移动机器人的激光雷达1处于上升到工作位置时(即图示位置)，激光雷达1包括至少一个发射端和接收端，所述发射端和接收端的安装位置尽量靠近顶部位置，这样能最大程度地保证激光雷达1接收到障碍物距离信息时，也代表着必须降低雷达高度才能通过障碍物的信号。双目摄像头2会根据现有的定位方法获取障碍物4的大小、形状、高度及与移动机器人的距离，为进一步了解双目摄像头2的工作原理，具体讲述双目摄像头2定位方法的实现过程：双目摄像头2分别独立在同一时刻获取同一障碍物的不同角度的两幅图片信息进行立体匹配，图像处理***会对两幅图片进行数据处理，具体过程为，对原始图片进行二值化处理、高斯模糊、canny算子轮廓检测，寻找障碍物轮廓并用最小四边形将障碍物完整框出，通过计算四边形的四个顶点坐标得到障碍物的像素大小，根据三角原理，可以计算出障碍物的宽度和高度，实现对允许通过空间的尺寸测量；通过计算四边形四个顶点的坐标得到物体中心点的像素坐标，通过测距原理得到障碍物中心点距离摄像头的距离。为进一步了解激光雷达1的工作原理，具体讲述激光雷达1测量距离方法的实现过程。采用TOF原理(Time of Flight的缩写)，即激光雷达1发出经调制的近红外光，遇物体后反射，传感器通过计算光线发射和反射时间差或相位差，来换算标的景物的距离，以产生深度信息；通常有脉冲法和连续波方法这两种得出距离信息的方法。控制器分别先后获取激光雷达1和双目摄像头2的信号，具体实现过程是将激光雷达1获得的距离、方位等第一信息M1采集，反馈至控制器，判断是否有障碍物4及与障碍物4的距离，若激光雷达1升起后的移动机器人总高度大于所述最小高度H0，则控制器控制激光雷达1做下降运动；获取双目摄像头2的获得的形状、高度、距离等第二信息M2并反馈至控制器，控制器得出含准确、高精度、高可靠性的障碍物相对距离、方位、高度值的第三信息M3，进而反馈给激光雷达1，若机器人本体3的机身高度小于最小高度H0则顺利通过障碍物。这样做的好处是，举例来说，双目摄像头2的第二信息M2通常为立体的图像来源，视角为图示β，这就导致双目摄像头2能采集近距离的、宽范围的障碍物，但是由于激光雷达1在时机运行过程中下降需要耗费时间通常在5秒以上，而机器人运行速度一般为0.5m/s，为了提高效率通常需要提前(移动机器人运行至障碍物前)判断下降时机，因此需要更远距离的障碍物采集装置来实现；激光雷达1(二维线性激光雷达)能在约10m范围内检测与雷达同高度的障碍物信号，这极大的增强了对激光雷达1下降时机的把握，但是受限于同水平面的信息采集且精度不高，因而只能确定方位及大致障碍物距离；可以得知，双目摄像头2和激光雷达1的融合使用会互补并得到意想不到的技术效果，即在激光雷达1准确判断障碍物相对方位和远距离第一信息M1的情况下提前反馈信号至控制器预警，当运行至第一位置B1时激光雷达1下降，第一位置B1的特点为移动机器人匀速驶向障碍物所需时间恰好等于激光雷达1下降的时间，也即在第一位置B1处移动机器人距离障碍物的距离L1为移动机器人的速度乘以激光雷达缩至移动机器人本体内的时间；在运行至第二位置B2后双目摄像头2也采集到障碍物第二信息M2并准确得知障碍物最小高度、形状、距离等信息，第二位置B2为双目摄像头2靠近障碍物位置A的过程中恰好能检测到障碍物位置A，控制器在处理后得到更完整的信息反馈给移动机器人实现相对应运动，即若障碍物允许通行最小高度大于机器人本体3的机身整体高度才允许通行，否则控制移动机器人执行回避动作，比如停机、后退或转向。按照上述实现过程，在整个移动机器人通过障碍物空间的过程不需要减速或停机，有利于提前把握激光雷达下降时机。为更清楚的表示实现过程，如图4和5所示，第一位置B1距离障碍物位置A的距离为L1，激光雷达1的最大检测距离大于L1，这样移动机器人在处于第一位置B1与最大有效检测位置处之间时，实现激光雷达1的下降且移动机器人不用减速或停机均是实现的；第二位置B2距离障碍物位置A的距离为L3，在L3的距离内若判断不能通过障碍物时再实现制动停机也是可以实现的。
如图6和7所示，为实施例1的具体实施方式。移动机器人沿F方向运行，首先是激光雷达1获取障碍物41的信息，当检测得到的障碍物信息与运行路径重合时，控制器发出第三信息M3降低激光雷达1的高度，此时移动机器人没有减速运动；当继续朝着障碍物41向前运行时，进入到双目摄像头2的有效检测范围，得到第二信息M2，包括距离障碍物41的距离及障碍物41离地面的最小高度H1，若机器人本体3的机身高度(距离)L2小于障碍物41允许通行的最小高度H1，则继续朝着障碍物41向前运行并通过，否则控制器控制执行回避动作如停止或转向运动，转向即为朝向其他方向运动，远离障碍物后根据需要控制雷达上升继续前行。上述机器人本体3的机身高度为，激光雷达1缩入机器人本体3后地面到机器人本体3顶部的距离L2。
在激光雷达1缩入机器人本体3内后第一信号M1将停止获取，此时第二信号M2依旧保持收集反馈于控制器，作用是实时判断整机是否完全通过障碍物。在此过程中，移动机器人会记录运行距离以保证第二信号M2发出后激光雷达1在顺利通过障碍物后才会升起到工作位，具体为，当双目摄像头2检测不到障碍物时发出第二信号M2反馈于控制器，控制器运算后发出激光雷达1上升指令时，移动机器人还至少向前运行距离D以保证激光雷达1完全运行出障碍物4后升起激光雷达1，并继续向前行进，距离D为移动机器人前端到激光雷达1末端(如图6、7示)的距离，所述末端为激光雷达1远离移动机器人前端最大距离的位置处。此种方案的前提条件为，在激光雷达1缩至移动机器人本体3内后，双目摄像头2检测到可通行的空间高度大于激光雷达1上升时移动机器人的总高度，此时激光雷达1上升至正常工作状态不会发生于障碍物碰撞等问题。
实施例2
如图8所示，为实施例2的具体实施方式，本实施例与实施例1的差别在于不需要使激光雷达1下降，其他过程与实施例1相同。移动机器人沿F方向运行，当障碍物42距离运行地面的最小高度H2大于移动机器人的激光雷达升起时的总高度时，由于第一信息M1检测不到障碍物、第二信息M2检测到高度允许移动机器人通过，因此第一信息M1和第二信息M2产生反馈于控制器的信息也是运行通过，控制器通过第三信息M3发出正常运行指令，移动机器人顺利通过障碍物42并继续向前行进。
本发明公开的实施例仅为本发明具体实施例而已，是为了清楚说明本发明的举例，而不应当视为对本发明的范围限定，当然也不能以此来限定本发明之权利要求范围，对于本领域技术人员来说，依本发明权利要求所作的等同变化、修改、变动等，仍属本发明所涵盖的范围，应当包含在本发明的权利要求保护范围内。

Claims (8)

1.一种移动机器人的控制方法，其特征在于，包括：
通过激光雷达检测位于前行路线上的障碍物到移动机器人的距离，若所述距离小于距离L1则控制激光雷达缩至移动机器人本体内；
通过双目摄像头检测位于前行路线上的地面与障碍物的最小高度，若所述最小高度大于距离L2则控制移动机器人沿当前方向运行通过障碍物，否则控制执行回避动作；
其中，所述距离L1为移动机器人的速度乘以激光雷达缩至移动机器人本体内的时间，所述距离L2为激光雷达缩至移动机器人本体内后的移动机器人高度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述激光雷达为可旋转安装在移动机器人上的线性激光雷达，包括靠近激光雷达顶端设置的发射端和接收端。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述双目摄像头固定安装在移动机器人的前进方向且两个摄像头处于同一水平位置。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述双目摄像头包括图像处理模块，用于处理获取的图像信息。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：还包括独立设置在移动机器人内或服务器内的图像处理模块，间接或直接地通过无线通信***与所述双目摄像头连接。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述回避动作包括机器人的转向、后退或停止。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：在激光雷达缩至移动机器人本体内后，双目摄像头检测到可通行的空间高度大于激光雷达上升时移动机器人的总高度时，移动机器人通过障碍物时至少向前运行距离D，距离D为移动机器人前端到激光雷达末端的直线距离。
8.一种移动机器人，包括机器人本体、可升降激光雷达和双目摄像头，其特征在于：
激光雷达用于检测障碍物到移动机器人的距离，当小于距离L1时则缩至移动机器人本体内；
双目摄像头用于检测地面与障碍物的最小高度，当小于距离L2时则控制移动机器人执行回避动作；
其中，所述距离L1为移动机器人的速度乘以激光雷达缩至移动机器人本体内的时间，所述距离L2为激光雷达缩至移动机器人本体内后的移动机器人高度。
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