自行走吸尘器及建立栅格地图的方法与流程

本发明涉及一种自行走吸尘器以及建立栅格地图的方法，属于智能家居设备。

背景技术

如201220403740.6所述，自行走吸尘器一般包括下壳组件和挡板，下壳组件前侧的中部设置有复位弹簧片，挡板通过复位弹簧片安装在下壳组件上。下壳组件前部的左右侧分别安装有红外开关，当挡板碰撞外物时触动红外开关。弹簧片的强度较低，托举整个挡板可能产生变形。

技术实现要素：

本发明提出了一种自行走吸尘器，挡板内设置支撑杆，用于承受挡板中力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种自行走吸尘器，其特征在于包括：

机体，该机体包括相互扣接的上盖体和下盖体，该下盖体具有多个安装槽，该安装槽内设有导柱，

以及一缓冲装置，该缓冲装置包括：

挡板，该挡板的内侧设有多个支撑杆，该支撑杆的厚度等于所述安装槽的厚度，该支撑杆设有扩口槽，该扩口槽套在所述导柱上，该扩口槽宽度大于所述导柱的直径，

横梁，该横梁固定在所述安装槽上，该横梁的下端面至少部分的压在所述支撑杆上，该横梁的两侧设有至少一个的传感器，

摆臂，该摆臂经一转轴铰接在所述横梁上，一弹簧套在所述转轴上，该弹簧的一端固定在所述摆臂上，另一端连接至所述横梁，该摆臂具有受压部和作用部，该受压部顶在所述挡板内侧，该作用部伸入所述传感器。

在本发明的这种自行走吸尘器中，所述挡板的内侧设有轨道，所述横梁的中部设有弹簧片，该弹簧片的端部可滑动地套在所述横梁内。

在本发明的这种自行走吸尘器中，该自行走吸尘器还包括清洁装置，该清洁装置包括清洁电机、毛刷以及减速器，所述清洁电机固定在所述下盖体内，该清洁电机经所述减速器连接至毛刷，该毛刷从所述下盖体伸出。

在本发明的这种自行走吸尘器中，所述驱动轮总成包括驱动臂、驱动轮、驱动源、减速部件以及外罩体，所述下盖体具有安装槽，该安装槽上固定一环形支座，该外罩体固定在所述下盖体上并位于所述安装槽的上方，所述驱动臂的一端经一铰接轴连接在所述外罩体内，所述驱动源固定在驱动臂上，该驱动源经所述减速部件连接至所述驱动轮。

在本发明的这种自行走吸尘器中，所述下盖体经一螺纹部连接至一螺杆，该螺杆的端部伸入所述外罩体内，该螺杆的上方设有一顶针，所述环形支座伸出至少一个的限位部，该限位部抵靠在所述顶针的一侧，该限位部限制所述顶针向外侧偏移，所述铰接轴上设有一扭簧，该扭簧的一端压在所述驱动臂上，另一端压在所述顶针上，该扭簧经所述驱动臂带动驱动轮从安装槽内伸出。

一种自行走吸尘器建立栅格地图的方法，其特征在于，包括以下步骤，系统预设、建立最大工作区域、内循环遍历以及建立工作栅格网络。

实施本发明的这种自行走吸尘器，具有以下有益效果：挡板经一支撑杆连接至下盖体，降低对弹簧片的压力。弹簧片引导挡板往复移动，提高传感器的响应精度。

附图说明

图1为本发明的自行走吸尘器的示意图；

图2为图1的另一方向的示意图；

图3为图1的局部视图，主要展示了下安装部和后安装部的结构；

图4为图3的局部的示意图；

图5为本发明的尘盒的示意图；

图6为图5的另一方向的示意图；

图7为图5的剖视图；

图8为本发明的驱动轮总成的示意图；

图9为图8的剖视图；

图10为本发明的缓冲装置的示意图；

图11为本发明的挡板的示意图；

图12为图11的示意图；

图13为本发明的建立自行走吸尘器栅格地图的示意图；

图14为本发明的自行走吸尘器系统预设示意图；

图15为本发明的自行走吸尘器绕行障碍物的示意图；

图16为本发明的自行走吸尘器遍历工作区域的轨迹示意图；

图17为本发明的栅格化工作区域的示意图；

图18为本发明的自行走吸尘器两次轨迹图，主要展示了根据上次轨迹建立下次轨迹；

图19为本发明的自行走吸尘器绕行障碍物的示意图；

图20为本发明的自行走吸尘器贴近墙壁寻找初始点的示意图；

图21为本发明的自行走吸尘器的右转弯绕行一种障碍物示意图；

图22为本发明的自行走吸尘器的右转弯绕行另一种障碍物示意图；

图23为本发明的自行走吸尘器的右转弯绕行又一种障碍物示意图；

图24为本发明的自行走吸尘器的左转弯绕行一种障碍物示意图；

图25为本发明的自行走吸尘器的左转弯绕行另一种障碍物示意图；

图26为本发明的自行走吸尘器的左转弯绕行又一种障碍物示意图。

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。

如图1至12所示的本发明的自行走吸尘器，包括机体100、风机装置200、尘盒300、缓冲装置400、清洁装置600、滚刷装置700以及至少两组的驱动轮总成500。该机体100包括相互扣接的上盖体110和下盖体120，上盖体110与下盖体120组成一空腔，该下盖体120设有导向轮121。清洁装置600包括清洁电机610、毛刷620以及减速器630，清洁电机610固定在所述下盖体120内，该清洁电机610经所述减速器630连接至毛刷620，该毛刷620从所述下盖体120伸出。

上盖体110具有一液晶显示屏111，下盖体120具有一相互连通的下安装部122和后安装部123，后安装部123具有一滑槽124和第一导电片125。滚刷装置700从下方安装在所述下安装部122内，该滚刷装置700具有入口部710和出口部720，该入口部710从所述下盖体120穿出。尘盒300包括吸入口310、排出口320以及位于该吸入口310和排出口320之间的过滤网330。尘盒300沿一导向部插入滑槽124。尘盒300的侧壁设有第二导电片340，吸入口310抵靠在出口部720上时，第二导电片340与第一导电片125连接，风机装置200固定在尘盒300内，该尘盒300将空气从排出口320吹出。过滤网330将该尘盒300分隔为集尘腔331和排风腔332，吸入口310位于集尘腔331的一侧，排风腔332位于排出口320的一侧。尘盒300从后方装入机体100，机体100顶部采用固定结构，避免翻板结构引起的成本提高。尘盒300在集尘腔331上设有第一盖板333，该尘盒300在排风腔332上设有第二盖板334。后安装部123具有一锁止部件126，该锁止部件126连接至尘盒300。

驱动轮总成500包括驱动臂510、驱动轮520、驱动源530以及外罩体550。下盖体120具有安装槽130，该安装槽130上固定一环形支座131，该外罩体550固定在下盖体120上并位于安装槽130的上方。驱动臂510的一端经一铰接轴511连接在外罩体550内，驱动源530固定在驱动臂510上，该驱动源530经减速部件连接至驱动轮520。下盖体120经一螺纹部132连接至一螺杆133，该螺杆133的端部伸入外罩体550内。螺杆133的上方设有一顶针134，环形支座131具有一束口的限位部135，该限位部135的最小直径大于顶针134的最大直径。限位部135限制顶针134最大移动位移。铰接轴511上设有一扭簧512，该扭簧512的一端压在驱动臂510上，另一端压在顶针134上，扭簧512经驱动臂510带动驱动轮520从安装槽130内伸出。转动螺杆133可带动顶针134上下移动，调节扭簧512施加在驱动臂510的作用力，从而改变下盖体120的离地高度。螺杆133经顶针134传递作用力。下盖体120限制顶针134的横向偏移，从而保证顶针134始终垂直向下移动，避免顶针134转动或横移造成扭簧512作用力产生预期之外的变化。驱动臂510具有一延伸壁514，外罩体550具有一传感器552，所述延伸臂514转动时作用在传感器552上，用于检测驱动臂510的转角。

缓冲装置400包括挡板410、横梁420、摆臂430。下盖体120具有多个插槽140，该插槽140内设有导柱141。挡板410的内侧设有多个支撑杆411，该支撑杆411的厚度等于插槽140的厚度，该支撑杆411设有扩口槽412，该扩口槽412套在导柱141上，该扩口槽412宽度大于导柱141的直径，以便支撑杆411无障碍活动。横梁420固定在插槽140上，该横梁420的下端面至少部分的压在支撑杆411上，该横梁420的两侧设有传感器421。挡板410经支撑杆411连接至下盖体120，挡板410的重力由横梁420承受，降低对弹簧片的压力。摆臂430经一转轴431铰接在所述横梁420上，一弹簧432套在转轴上，该弹簧432的一端固定在摆臂430上，另一端连接至所述横梁420，该摆臂430具有受压部433和作用部434，该受压部433顶在挡板410内侧，该作用部434伸入传感器421。机器人受到挤压时，挡板410沿受力的反方向移动。多个摆臂430转动，传感器421根据位移长度调整机器人姿态和速度。挡板410的内侧设有轨道402，横梁420的中部设有弹簧片422，该弹簧片422的端部可滑动地套在所述横梁420内。弹簧片422引导挡板410往复移动，提高传感器的响应精度。

参照图13至26，本发明还公开了一种建立该自行走吸尘器栅格地图的方法，包括系统预设、建立最大工作区域、内循环遍历、建立工作栅格网络，同时在最大工作区域、内循环遍历的行走过程中嵌入避障方法。各该方法可在安装预定数量的传感器的基础上嵌入现有的自行走吸尘器硬件系统。硬件系统可以包括微处理器单元，传感器单元，驱动执行单元。传感器单元主要是指安装在自行走吸尘器前侧四周的五个超声波传感器以及碰撞传感器和霍尔传感器。驱动执行单元包括步进电机控制模块和左右侧步进电机。微处理器单元包括主控、显示和通讯模块等。具体结构可参照《基于arm控制器的自行走吸尘器的研究》(江西理工大学硕士学位论文，王忠锋)等所述。

系统预设是指设定机器人的空间尺寸并在自行走吸尘器的指定位置布置传感器。其大致包括以下步骤。step11：在清扫区域的一侧设定至少两个的绝对参考点o1，o2。绝对参考点设置于墙壁的一侧，两个绝对参考点可确定自行走吸尘器的当前绝对位置。工作地图建立后，任意地点开机的自行走吸尘器均可确定其所处工作地图的位置信息。step12：在车体外侧设置行走传感器c1、c2、c3、c4、c5，相邻行走传感器夹角均为45°并且c3布置吸尘器前进正前方，c1与c5分别位于车轮轴线上，各传感器与实体的距离与车体半径之和定义为s1、s2、s3、s4、s5。自行走吸尘器根据各传感器的位置确定车体与墙壁以及其他障碍物的距离。该距离与车体半径之和表示车体几何圆形与障碍物的距离(s1、s2、s3、s4、s5)。传感器例如是《超声电机驱动的自主自行走吸尘器研制》(南京航空航天大学，王宏建)、《基于超声波测距技术的自主式移动机器人导航系统研究》(武汉理工大学，胡劲草)等所采用的超声波测距传感器。step13：定义吸尘器直径b，吸尘器车轮距离d，c1侧车轮转速ω1，c2侧车轮转速ω2。车轮额定转速ωp。通常，自行走吸尘器的驱动电机采用角速度编码，定义角速度更有利于衡量车体状态。

step14：c1为车体参考点o3，c5为车体参考点o4，系统预设安全距离d。o3与o4用于记录车体内外侧的位置。d大于约为50mm。该距离可防止车体的任意位置碰撞障碍物。step15和step16用于贴近墙壁寻找初始点。step15：自行走吸尘器沿当前方向直线行走至s1、s2、s3、s4、s5任意一项等于d。避障完成后，以此时o3的位置为原点建立坐标系(xoy)，x为车体行进方向。step16：探测该原点与o1，o2参考点的距离(a，b)并存储。本发明不限制自行走吸尘器坐标定位的方法，可采用车轮脉冲定位法，如《自行走吸尘器非结构环境下自主路径规划方法的研究》(浙江大学硕士学位论文，冯申坤)所述。自行走吸尘器控制距离边缘的距离，贴边行走，根据墙体变化微调行走方向。为避免障碍物的非正常变换引起的测量误差(偶然误差)，本发明可采用软件消抖滤波，此种方式主要是在程序的编写过程中利用时间延时检测，当检测到满足要求的超声波信号后延时30至50ms后再次检测，如果误差范围内的数据仍被检测到，则认为该数据信号是正确可信的。同时系统可采用卡尔曼滤波降低测量方式上的误差(系统误差)。卡尔曼滤波方式以为本领域技术人员所熟知，在此不做赘述，其具体结构原理可参照《智能清扫机器人设计及其路径规划的研究》(哈尔滨工业大学，张超)所述。

建立最大工作区域是指沿室内外侧壁行走一圈，记录房间最大坐标位置，为后续遍历工作区域提供外部参照。该步骤亦可称之为沿边走，现有技术已经公开了可行的实现算法，例如《智能清扫机器人设计及其路径规划的研究》(哈尔滨工业大学，张超)、《自行走吸尘器非结构环境下自主路径规划方法的研究》(浙江大学硕士学位论文，冯申坤)等所述。step21：以且s1＝d行走、避障，记录o3轨迹(x，y)和o4轨迹(x′，y′)。step22：若(x，y)＝(0，0)，根据o3轨迹线生成最大工作区域y＝f(x)，根据o4轨迹线生成虚拟边界线y′＝gi(x′)，t＝0。虚拟边界线为下一次o3的预期轨迹。

工作区间的内循环遍历有多种，现有技术主要集中在区域分割、梳妆遍历以及螺旋遍历三种方法上。梳妆遍历是现有技术最常见的一种，系统运算简单，但是如果工作区域中部存在障碍物，系统为覆盖障碍物后方的工作区域会产生很多重复路径。区域分割可解决工作区间存在障碍物时的路径规划，该方法参照《自行走吸尘器全覆盖路径规划研究》(重庆大学硕士学位论文，张月)。对于有长斜面的墙壁和障碍物，区域分割效率较低。《基于arm控制器的自行走吸尘器的研究》(江西理工大学硕士学位论文，王忠锋)在选择路径规划时采用的折线逼近行走的方式可绕行斜向障碍物，也作为本申请的参考。螺旋遍历可应对斜向墙壁，但是内部循环时脱离墙体后如何选择参照时现有技术尚未解决的。

内循环遍历是指在最大工作区域内螺旋遍历整个工作区域，无法进入的空间被记录成障碍物，以此确定可以行走的全部区域。现有技术中，内循环遍历多采用折返往复的行走方式，该方式容易产生盲区。本申请采用螺旋遍历的方式，减少盲区的存在。step31：t＝t+1，根据y′＝gt-1(x′)建立第t次o3预设路线(xt，yt，θt)，xt，yt为坐标值，θt为转角，yt＝gt-1(xt)，θt＝gt-1′(xt)，gt-1′为gt-1在xt处的导数。限定自行走吸尘器状态的坐标除了标定点的坐标外还可以包括方向坐标。为使车体运动平滑，本申请通过预设路线的导数确定行走方向。step32：标定o3起始点(xmin，ymin)，该起始点一般为预设路线上最靠近上次轨迹终点的位置。自行走吸尘器沿预设路线行走、避障，记录o3轨迹线(x，y)和o4轨迹(x′，y′)。在实际行走过程中，由于障碍物的存在，o3轨迹线(x，y)与预设路线(xt，yt，θt)不完全一致。step33：若当前轨迹(x，y)＝(xt，yt)，表明自行走吸尘器已经绕过障碍物，再次沿预设路线行驶。step34：若(x，y)＝(xmin，ymin)，表示自行走吸尘器已经返回至本次行走路线的初始点。系统根据o3轨迹生成第t次轨迹线y＝ft(x)，根据o4轨迹生成第t次虚拟边界线y′＝gt(x′)。step35：若此次轨迹线与任意前次存储的轨迹线重合，表明自行走吸尘器已经进入循环路线，遍历完成。否则返回至step31，再次内循环遍历。在自行走吸尘器的运转中心存在极小不规则的障碍物时，该内循环遍历的效率较低。但是考虑到室内环境多为规则的空间，障碍物刚好处于自行走吸尘器内循环中心的可能性又较低，本申请的这种内循环遍历的方法具有可行性。

现有技术中，自行走吸尘器的地图构件多采用栅格法，栅格法可降低系统数据量并易于维护和路径规划。栅格法的前提是工作区间的读取，现有技术多采用沿边行走，本申请亦是如此。沿边行走获取最大工作环境是内循环遍历的前提。《基于超声波传感器的智能自行走吸尘器导航系统的研究》(浙江大学硕士学位论文，王火亮)公开了这种地图读取的方式。《家庭清扫机器人路径覆盖系统的设计与实现》(哈尔滨工业大学硕士学位论文，周亚楠)在循环遍历的同时进行栅格赋值，没有注意遍历路线的修正。同时，在循环遍历的过程中不可避免的存在路径重叠，该文献没有注意消除重复计算的部分。《基于三维重构的自行走吸尘器的定位导航》(吉林大学硕士学位论文，张树明)公开了基于摄像数据读取的栅格化方法。该方法根据路线经过预定栅格与否确定栅格的内容。这种路线定义为车体中心的轨迹路线。在实际地图中，即使车体中路的轨迹路线经过的栅格，栅格本身也不一定全部可进入。将不可进入的栅格定义为工作栅格会引起机器人工作混乱。该文献也公开了自行走吸尘器的定位技术，可作为本申请的参考。

建立工作栅格网络是指在自行走吸尘器遍历工作区域后，将工作区域划分成栅格网络的方法。step41：定义矩形区域(hwidth，hlen)并将矩形区域划分为多个栅格(i，j)，hwidth为y＝f(x)中最大x值，hlen为最大y值，i＝x/b，j＝y/b。相对于绝对参考点o1，o2对栅格(i，j)的坐标作出定义，无论自行走吸尘器何时开机运行，只要测量其相对于参考点o1，o2的位置，即可确定这个栅格地图的位置，从而避免自行走吸尘器时刻记录自身位置。step42：定义cellvalue[i][j]，y＝f(x)或y＝ft(x)中只有一组或零组轨迹经过的栅格(i，j)时，cellvalue[i][j]＝0，否则cellvalue[i][j]＝1，存储栅格地图。同时两组轨迹经过栅格(i，j)时表示自行走吸尘器遍历工作地图是进入该栅格，该栅格整体处于可进入状态。只有一组轨迹进入栅格或者没有轨迹进入栅格，表示栅格整体处于不可进入状态。虽然，该存储判断方式会将部分小区域(小于自行走吸尘器尺寸)认定为不可进入栅格，但是相对于整个待清扫空间而言，放弃部分空间并提高存储效率和路径规划效率是值得的。

现有的自行走吸尘器避障方法主要包括精确避障和模糊避障。《移动机器人路径规划》(东北电力大学硕士学位论文，孟祥甫)公开了模糊避障的方法，其采用为模糊逻辑算法，系统计算量较大，不适用于低成本的自行走吸尘器。而《基壬神经网络的自主自行走吸尘器混合感知系统设计及避障规划》(浙江大学硕士学位论文，徐勇)公开了基于神经网络的自行走吸尘器智能避障算法，该算法不够完善，难以在实际自行走吸尘器中运用。《基于未知环境下的机器人遍历算法》(昆明理工大学硕士学位论文，王宇)公开了自行走吸尘器的多重避障方法，但是如该案所述，其避障方法多适用于直角障碍，绕行斜角障碍或墙壁的障碍会产生较多的不可进入空间(遗漏栅格)。

本发明的避障方法可用于避开规则形状的固定障碍物，尤其适用于规避带斜角的墙壁或柜体。这种避障方法包括以下步骤：step01：沿轨迹行走，测量s2、s3、s4、s5值，根据测量结果进入step02或step03。测量结果表面自行走吸尘器面对不同状态的障碍物。若s2、s3、s4、s5均大于d并且参照图11。自行走吸尘器进入增大的工作区域，吸尘器执行并沿前障碍物向外翻转。若s2、s3、s4、s5均大于d并且参照图8至9，右侧发现斜向实体。吸尘器转弯并沿新的路线直行。若s2、s3、s4、s5任意一项小于等于d，参照图10，前方或左侧发现斜向实体，前方不可进入，原地大角度旋转并沿新的路线返回。

本发明利用车轮转速差实现不同角度的转弯，自行走吸尘器的运动状态参照《室内自行走吸尘器的全区域路径规划及避障研究》(江南大学，曾岑)所述。具体而言，step02：若s2、s3、s4、s5均大于d，根据s2的值进入step04、step05或step06。step03：若s2、s3、s4、s5任意一项小于等于d，发现不可进入边界，原地旋转至s1＝d后根据s2的值进入step04、step05或step06。step04：若s2小于发现实体边界，执行第一转弯模式，直至返回step01。step05：若s2大于发现工作区域，执行第二转弯模式，直至返回step01。step06：若返回step01。在本发明中，自行走吸尘器的转动方式分为三种：右侧出现工作区域的右转弯，右侧出现实体障碍物的左转弯以及正前方或左侧出现障碍物的原地旋转。原地旋转是指大致绕自行走吸尘器的旋转中心的转动，ω1＝ωp，ω2＝-ωp。为提高自行走吸尘器的行走区域，尽可能降低无法遍历的区域，必须使得自行走吸尘器靠边行走，可行方法之一就是限制右转弯和左转弯的转弯半径。右转弯采用第一转弯模式：

左转弯采用第二转弯模式：

ω1＝ωp；

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。