一种智能清洁机器人及其路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种智能清洁机器人及其路径规划方法，传感器模块用于分析并反馈实时清洁环境信息；精准定位模块用于获取当前智能清洁机器人在环境地图上所在的位置；利用几何‑拓扑混合地图技术建立环境地图，通过结合环境地图和实时位置，用先进路径规划算法规划出最优清扫路径，并将数据上传云平台实现实时分析记录与控制；驱动模块用于按照规划出的最优路径驱动智能清洁机器人运行并进行清洁工作；人机交互模块能够利用温湿度传感器结合摄像头实现对智能清洁机器人工作状态和性能的显示，并通过wifi/蓝牙技术可以完成智能清洁机器人的遥控与预约功能。本发明专利技术降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所与大众家庭。

【技术实现步骤摘要】
一种智能清洁机器人及其路径规划方法
本专利技术属于智能车
，具体涉及一种基于先进路径规划技术的智能清洁机器人及其路径规划方法。
技术介绍
目前，公知的扫地机器的机身为无线机器，以圆盘型为主。使用充电电池为电源运作，操作方式以遥控器、机器上的操作面板为主。一般能设定时间预约打扫，自行充电。机器人前方设置有传感器，可侦测障碍物，如侦测到墙壁或其他障碍物，会自行转弯，依据不同厂商设定，按照不同判断机制行驶并规划清扫地区。目前市场上大部分扫地机器人采用是并无精准定位的随机路径清扫方式，清扫面积覆盖率低，耗时长，效率低，容易发生部分房间与角落的漏扫和重复清扫，且清洁耗时长。而采用改进算法规划的扫地机器人优化了弓形清扫模式，但因为实现方式上没有定位，本质上还是随机式，价格较高，性价比较低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种智能清洁机器人及其路径规划方法，能够高效半自动或全自动的完成室内环境(地面)工作，能自动记录环境地图判断自己的位置并规划出最优清洁路径，将最新型的物联网芯片与智清洁能扫地机器人有机地融合起来，实现室内静音节能清扫，替代传统繁重的人工清洁工作。本专利技术采用以下技术方案：一种智能清洁机器人，包括控制单元、驱动模块、传感器模块、人机交互模块以及电源模块，驱动模块、传感器模块、人机交互模块、精准定位模块以及电源模块分别与控制单元连接；传感器模块用于分析并反馈实时清洁环境信息；精准定位模块用于获取当前智能清洁机器人在环境地图上所在的位置；控制单元采用ESP32双模中央控制单元，用于获取外部环境信息，利用几何-拓扑混合地图技术建立环境地图，通过结合环境地图和实时位置，用先进路径规划算法规划出最优清扫路径，并将数据上传云平台实现实时分析记录与控制；驱动模块用于按照规划出的最优路径驱动智能清洁机器人运行并进行清洁工作；人机交互模块能够利用温湿度传感器结合摄像头实现对智能清洁机器人工作状态和性能的显示，并通过wifi/蓝牙技术可以完成智能清洁机器人的遥控与预约功能，通过电源模块为智能清洁机器人供电。具体的，传感器模块包括转角传感器、速度传感器、红外传感器、碰撞传感器以及超声波传感器，碰撞传感器用于记录突发碰撞情况；转角传感器用于对角度的实时测量或监控；速度传感器用于检测机器人运动速度；红外传感器与超声波传感器用来检测智能清洁机器人车体和路况，当随机障碍物出现在红外传感器与超声波传感器的检测范围内时，将检测信号发送给ESP32双模中央控制单元控制扫地机器人实现躲避。进一步的，红外传感器3包括11组，间隔设置在智能清洁机器人前侧的圆弧形机身内，超声波传感器4包括4组，互成九十度夹角设置在机身前侧，在超声波传感中间设置有摄像头。具体的，精准定位模块包括陀螺仪、光电编码器和摄像头，陀螺仪用于采集车身偏移的角速度、速度和加速度，判断智能清洁机器人的行走方向，配合室内导航定位系统与行走电机的运行状况；光电编码器用于采集智能清洁机器人的实际速度，摄像头设置在智能清洁机器人机身顶部，180°旋转用于监控和辅助定位。具体的，人机交互模块包括通信模块，无线通信单元，按钮，摄像头，温湿度传感器，显示屏以及LED，无线通信单元用于实现手机与ESP32双模中央控制单元的信息传输；按钮用于供用户选择清扫模式及运动速度；温湿度传感器及摄像头与ESP32双模中央控制单元结合，在手机或者web端远程监测家中情况。一种智能清洁机器人路径规划方法，利用所述的智能清洁机器人，具体步骤如下：S1、打开按钮，连接家庭WiFi/手机蓝牙，对智能清洁机器人进行初始化设定；S2、用户根据需求对清洁机器人进行功能选择；S3、开始沿边搜索充电基站，回到基站后，若电量不足则充电，电量充足则进入步骤S4；S4、利用机身前侧成弧线布置的红外近距传感器和布置在机器顶部超声波测距传感器，构建实时环境信息分析反馈，并利用几何-拓扑混合地图技术建立环境地图；S5、利用陀螺仪模块与光电编码器配合获取机器人的加速度和角速度进行二重积分，依据几何-拓扑混合地图，对其自身进行定位；S6、在已知环境地图和实时位置时，利用先进路径规划算法自动规划出最优清扫路径；S7、智能清洁机器人按规划出的最优清扫路径运行进行清扫；S8、在清扫过程中，进行路障扫描，遇到障碍时进入避障程序同时把障碍物所在位置信息记录进地图数据中；判断是否打扫完全部可清洁格栅，若清扫完成则结束；否则返回步骤S3。具体的，步骤S4具体如下：401、在已知环境地图的情况下，智能清洁机器人使用超声波传感器和红外传感器获得信息反馈，结合几何-拓扑混合定位与已有环境地图进行对比，当出现不一致之处时则更新环境地图信息，当变动量超过阀值则重新绘制环境地图；402、当未知环境地图的情况下，智能清洁机器人利用近距红外传感器实现对环境感知，整体环境通过拓扑节点串联，保证局部精确定位，拓扑节点采用几何表述，同时维护环境地图表述的整体一致性，考虑方面包括提取常见环境特征、建立拐角垂直线段、根据经验阈值判断和定位拐点端点坐标；几何-拓扑混合地图定位推算在实际中拐角判断如下：其中，(x1,y1,xc1,yc1)与(x2,y2,xc2,yc2)为形成拐角两条近似垂直线段；(xc1,yc1)和(xc2,yc2)为处于拐角区线段端点坐标，es和ed为阈值经验值；实际拐角断点坐标(xc,yc)可近似计算为：具体的，步骤S5中，轨迹推算公式如下：Vn＝Vn-1+0.5an-1+0.5anSn＝Sn-1+0.5Vn-1+0.5Vnθn＝θn-1+0.5Wn-1+0.5Wn其中，an表示加速度，Vn表示速度，Sn表示位移，Wn表示角速度，θn表示转过角度，参数角标n表示第n个测量点得到的数据，其中an，Vn，Sn具有水平和竖直分量。具体的，步骤S6中，最优清扫路径包括地图已知情况下的单元域规划和地图未知情况下的路径规划；地图已知情况下的单元域规划的输入步骤如下：输入代表地图二值二维数组map＝(x，y)；按照二维数组特点，坐标原点在左上角，y是高，x是宽，y向下递增，x向右递增；将x和y封装成一个类，进行传参，重写equals方法比较坐标(x,y)；map(k)＝map(k-1)，当x(k)＝x(k-1)，y(k)＝y(k-1)，否则map(k)＝map(k-2)，当x(k)不等于x(k-1)或y(k)不等于y(k-1)；封装路径结点类，字段包括：坐标、G值、F值、父结点，实现Comparable接口；最后数据结构为A*算法输入的所有数据封装在一起；处理步骤如下：算法中定义几个常量来确定：二维数组中BAR＝1值表示障碍物、PATH＝2为二维数组中绘制路径的代表值、DIRECT_VALUE＝10表示计算G值需要横纵移动代价，DIRECT_VALUE＝14表示斜移动代价；使用PriorityQueue与ArrayList定义Open和Close辅助表分别取最小值与保存结点；定义布尔类判断方法；计算H值，这里使用“曼哈顿”法，坐标分别取差值相加；从Open列表中查找结点；添加邻结点到Open表；回溯法绘制路径；开循环移动结点寻找路径，设定循环结束条件，Open表为空或者最终结点在Close表。具体的，步骤S7中，在清扫过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能清洁机器人，其特征在于，包括控制单元、驱动模块、传感器模块、人机交互模块以及电源模块，驱动模块、传感器模块、人机交互模块、精准定位模块以及电源模块分别与控制单元连接；传感器模块用于分析并反馈实时清洁环境信息；精准定位模块用于获取当前智能清洁机器人在环境地图上所在的位置；控制单元采用ESP32双模中央控制单元，用于获取外部环境信息，利用几何‑拓扑混合地图技术建立环境地图，通过结合环境地图和实时位置，用先进路径规划算法规划出最优清扫路径，并将数据上传云平台实现实时分析记录与控制；驱动模块用于按照规划出的最优路径驱动智能清洁机器人运行并进行清洁工作；人机交互模块能够利用温湿度传感器结合摄像头实现对智能清洁机器人工作状态和性能的显示，并通过wifi/蓝牙技术可以完成智能清洁机器人的遥控与预约功能，通过电源模块为智能清洁机器人供电。

【技术特征摘要】
1.一种智能清洁机器人，其特征在于，包括控制单元、驱动模块、传感器模块、人机交互模块以及电源模块，驱动模块、传感器模块、人机交互模块、精准定位模块以及电源模块分别与控制单元连接；传感器模块用于分析并反馈实时清洁环境信息；精准定位模块用于获取当前智能清洁机器人在环境地图上所在的位置；控制单元采用ESP32双模中央控制单元，用于获取外部环境信息，利用几何-拓扑混合地图技术建立环境地图，通过结合环境地图和实时位置，用先进路径规划算法规划出最优清扫路径，并将数据上传云平台实现实时分析记录与控制；驱动模块用于按照规划出的最优路径驱动智能清洁机器人运行并进行清洁工作；人机交互模块能够利用温湿度传感器结合摄像头实现对智能清洁机器人工作状态和性能的显示，并通过wifi/蓝牙技术可以完成智能清洁机器人的遥控与预约功能，通过电源模块为智能清洁机器人供电。2.根据权利要求1所述的一种智能清洁机器人，其特征在于，传感器模块包括转角传感器、速度传感器、红外传感器、碰撞传感器以及超声波传感器，碰撞传感器用于记录突发碰撞情况；转角传感器用于对角度的实时测量或监控；速度传感器用于检测机器人运动速度；红外传感器与超声波传感器用来检测智能清洁机器人车体和路况，当随机障碍物出现在红外传感器与超声波传感器的检测范围内时，将检测信号发送给ESP32双模中央控制单元控制扫地机器人实现躲避。3.根据权利要求2所述的一种智能清洁机器人，其特征在于，红外传感器3包括11组，间隔设置在智能清洁机器人前侧的圆弧形机身内，超声波传感器4包括4组，互成九十度夹角设置在机身前侧，在超声波传感中间设置有摄像头。4.根据权利要求1所述的一种智能清洁机器人，其特征在于，精准定位模块包括陀螺仪、光电编码器和摄像头，陀螺仪用于采集车身偏移的角速度、速度和加速度，判断智能清洁机器人的行走方向，配合室内导航定位系统与行走电机的运行状况；光电编码器用于采集智能清洁机器人的实际速度，摄像头设置在智能清洁机器人机身顶部，180°旋转用于监控和辅助定位。5.根据权利要求1所述的一种智能清洁机器人，其特征在于，人机交互模块包括通信模块，无线通信单元，按钮，摄像头，温湿度传感器，显示屏以及LED，无线通信单元用于实现手机与ESP32双模中央控制单元的信息传输；按钮用于供用户选择清扫模式及运动速度；温湿度传感器及摄像头与ESP32双模中央控制单元结合，在手机或者web端远程监测家中情况。6.一种智能清洁机器人路径规划方法，其特征在于，利用权利要求1至5中任一项所述的智能清洁机器人，具体步骤如下：S1、打开按钮，连接家庭WiFi/手机蓝牙，对智能清洁机器人进行初始化设定；S2、用户根据需求对清洁机器人进行功能选择；S3、开始沿边搜索充电基站，回到基站后，若电量不足则充电，电量充足则进入步骤S4；S4、利用机身前侧成弧线布置的红外近距传感器和布置在机器顶部超声波测距传感器，构建实时环境信息分析反馈，并利用几何-拓扑混合地图技术建立环境地图；S5、利用陀螺仪模块与光电编码器配合获取机器人的加速度和角速度进行二重积分，依据几何-拓扑混合地图，对其自身进行定位；S6、在已知环境地图和实时位置时，利用先进路径规划算法自动规划出最优清扫路径；S7、智能清洁机器人按规划出的最优清扫路径运行进行清扫；S8、在清扫过程中，进行路障扫描，遇到障碍时进入避障程序同时把障碍物所在位置信息记录进地图数据中；判断是否打扫完全部可清洁格栅，若清扫完成则结束；否则返回步骤S3。7.根据权利要求6所述的一种智能清洁机器人路径规划方法，其特征在于，步骤S4具体如下：401、在已知环境地图的情况下，智能清...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海，李晓辉，刘靖雯，郑超腾，岳凡，何嘉蕾，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61