一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，包括多传感器融合、上下位机通信、行为控制和ROS机器人开发；S1、首先根据几何原理、线性代数原理、数学原理，构建清洁机器人多传感器的数学模型；S2、多传感器融合包含三部分：位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人上方的主激光雷达，位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人右侧下方位置的测距激光雷达，超声波测距模块；S3、为了使清洁机器人增加对周围环境的感知数据，各传感器即为机器人的感知器官，本方案填补商用清洁机器人领域沿边清扫控制的缺失、多传感器融合、清洁覆盖面积更广、效能更高、算法保证并实现了基于多传感器下的与墙体始终保持固定距离并且不剐蹭或撞墙。剐蹭或撞墙。剐蹭或撞墙。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法


[0001]本专利技术涉及清洁机器人
，具体为一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法。

技术介绍

[0002]当前家用小型的扫地机器人对于沿边清扫控制方法技术较为成熟，且能广泛落地；而对于大型的商用场景的商用清洁机器人来说，在沿边清扫控制方法上显著缺失，其难点在于，商用场景不允许发生明显的硬碰撞，商用大型清洁机器人由于体积大，惯性大，制动距离更长，所以其所需控制方法必须更完善精准。
[0003]现有的麦岩清洁机器人沿边清扫控制方法：在硬件上：受家用小型机扫地机的启发，在边刷上加入了软碰撞传感器，提升了边刷清扫覆盖范围，在边刷的两侧加入了压力传感器，保证边刷不会过度剐蹭墙体，在机器人前、左、右三侧配置了大量超声传感器，在机器人上方放置了激光雷达，融合了里程计信息，实现了多传感器融合算法，保证机器人进行沿边清洁时始终与墙体保持固定距离；在软件上：实现了多传感器融合，以ros环境为基础，将多传感器信息加入到代价地图costmap中，作为障碍物参考，算法实现了始终保持与墙体固定距离的沿边跟随行走模式，并记录了机器人自身在世界地图中的坐标系位置，便于用户控制商用机器人沿边清扫模式的开始与结束，或者是在一个大场景中，对全部墙体的沿边清扫模式路径规划，或者用户自定义的，对某一段边缘墙体单独进行沿边清扫模式的路径规划，生成路径后，调用规划器执行，收集相应传感器信息，保证商用清洁机器人在绝对不发射碰撞或剐蹭的同时，能最大效率的提升清洁覆盖面积，以及对墙体边缘，方形角落的清洁任务。
[0004]但现有处理设备存在以下不足：如中国专利CN110946509A，家用小型扫地机的底层逻辑是机器可以发生碰撞，而商用的不允许有任何硬碰撞的逻辑，因为服务与大型商用场景，采用的是大型清洁机器人，一旦发生硬碰撞，就有可能造成财产损失或安全隐患。
[0005]而且由于家用小型扫地机的机器人机身结构多为圆形，在清洁方形场景时，大部分都会漏掉方形的墙角区域，又因为家用小型扫地机结构太小，而且使用的边刷无论是大小、转速，电机频率都都不足。使得清洁区域和清洁效果，没有达到理想效果。
[0006]所以我们提出了一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，以便于解决上述中提出的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，以解决上述
技术介绍
提出的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，包括多传感器融合、上下位机通信、行为控制和ROS机器人开发；
S1、首先根据几何原理、线性代数原理、数学原理，构建清洁机器人多传感器的数学模型；S2、多传感器融合包含三部分：位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人上方的主激光雷达，位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人右侧下方位置的测距激光雷达，超声波测距模块；S3、为了使清洁机器人增加对周围环境的感知数据，各传感器即为机器人的感知器官，感知越多，行为控制模式的效果越好，保证清洁机器人对算法的执行正确率。
[0009]优选的，上位机：工控机硬件及工控机内部搭建的系统环境和部署的算法软件，上位机同时接收安卓端的信号，用户使用APP对整个机器人系统发布总任务，上位机将总任务规划为具体的子任务或子命令，在接收传感器传递的环境变量参数消息后，根据子任务、软件算法逻辑，进行逻辑判断后，与下位机进行通信，并对下位机发布命令信号，下位机：接收上位机发布的命令信号，编译后，通过伺服器进行各部分电机的驱动，上下位机的通信，是整个机器人系统功能实现的基础，包含以下几个重要步骤：S1、上位机经过算法逻辑判断后，生成相应的命令信号数据包，经过软件指定的接口话题发布对下位机的命令信号，在发布完成后保持监听，等待下位机的信号反馈。
[0010]S2、下位机经过规定好的软件接口，专门接收来自上位机的命令信号，同时将该信号编译为嵌入式软件的数据流信息格式，发布给具体的各部分执行任务的伺服驱动电机，然后反馈给上位机信号，表示本次任务发布结束，进入待机状态，保持对上位机接口的监听，等待下一次命令信号的发布。
[0011]S3、上位机接收任务结束的反馈后，再次根据传感器收集到的环境变量信息，进入软件算法逻辑判断中，判定机器人下次任务的是否进行，如何进行等规划，如果逻辑判断总任务已经达成，则不会再更新下一次子任务。
[0012]S4、当所有的子任务全部执行完毕后，判断总任务是否达成，达成则机器人进行待机状态，等待安卓端用户操作；如果判断总任务没有达成，则机器人将重新进行软件算法的逻辑判断，直达总任务判定达成。
[0013]优选的，S1、首先沿边算法会让机器人找到前方距离自身最近的障碍物点，并规划运动速度，直行走到距离障碍物0.75m的位置，到达该位置后，会先判断确认一次自身位置是否是沿边行为的起点。
[0014]S2、判断自身位置为沿边行为的起点后，开始执行具体的沿边算法逻辑判断，先执行左转行为，保证机器人自身行走方向与障碍物墙体保持平行（因为本人编写的沿边算法基于右手法则，在封闭空间内，执行逆时针方向的沿边循环，因此第一次靠近墙体后，机器人必然执行左转行为），保持平行后，清洁机器人沿边进行移动，过程中时刻保证机器人自身机械构体边缘相距障碍物墙体3
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5cm的距离。
[0015]S3、对于如何让机器人始终保持与墙体之间固定距离，即本沿边软件算法的核心部分。首先是机器人传感器的利用，采取了三个范围作为判定墙体障碍物的约束条件，分别是主激光雷达的右前方范围测量数据、主激光雷达的右侧垂直墙体范围测量数据，机器人右侧下方测距激光雷达测量数据。（机器人组装要求，主激光雷达的0
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方向，和机器人前方保持一致）约束条件类似PID控制算法，通过三个约束，规定了机器人沿边行为的范围，以及发布给下位机的命令通信；最终呈现以下效果：离墙过远机器人会自动靠近障碍物墙体；离
墙过近会自动远离；当墙体障碍物出现通道拐弯时，机器人自动跟随墙体转弯；当墙体前方阻挡，整体呈现直角时，机器人自动沿着墙体进行逆时针行走，期间保持与固定距离；单次任务从起点开始到终点结束，但沿边算法软件持续保持待机，直到下一次安卓端发布总命令信号，再次执行沿边算法子任务。
[0016]优选的，包括反馈线性化法（处理非线性动态，非完整约束等），反步法（力控制速度，速度控制位置分级控制），底层位置速度回路反馈跟踪（跟踪速度/位置指令））；模块功能：极光壹号（AURORA NO.1）机器人按照沿边算法从任务的起点沿边行走到任务的终点，期间保证机器人机械构体边缘与墙保持相距3
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5cm。
[0017]优选的，模块功能：规避沿边行为执行中可能会出现的不明障碍物，避免机器人出现剐蹭或膨胀的现象，模块实现原理：约束条件控制，采用激光雷达， 激光测距线性雷达，超声波模块，方法：预留安全距离；在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：包括多传感器融合、上下位机通信、行为控制和ROS机器人开发；S1、首先根据几何原理、线性代数原理、数学原理，构建清洁机器人多传感器的数学模型；S2、多传感器融合包含三部分：位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人上方的主激光雷达，位于极光壹号（AURORA NO.1）清洁机器人右侧下方位置的测距激光雷达，超声波测距模块；S3、为了使清洁机器人增加对周围环境的感知数据，各传感器即为机器人的感知器官，感知越多，行为控制模式的效果越好，保证清洁机器人对算法的执行正确率。2.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：上位机：工控机硬件及工控机内部搭建的系统环境和部署的算法软件，上位机同时接收安卓端的信号，用户使用APP对整个机器人系统发布总任务，上位机将总任务规划为具体的子任务或子命令，在接收传感器传递的环境变量参数消息后，根据子任务、软件算法逻辑，进行逻辑判断后，与下位机进行通信，并对下位机发布命令信号，下位机：接收上位机发布的命令信号，编译后，通过伺服器进行各部分电机的驱动，上下位机的通信，是整个机器人系统功能实现的基础，包含以下几个重要步骤：S1、上位机经过算法逻辑判断后，生成相应的命令信号数据包，经过软件指定的接口话题发布对下位机的命令信号，在发布完成后保持监听，等待下位机的信号反馈；S2、下位机经过规定好的软件接口，专门接收来自上位机的命令信号，同时将该信号编译为嵌入式软件的数据流信息格式，发布给具体的各部分执行任务的伺服驱动电机，然后反馈给上位机信号，表示本次任务发布结束，进入待机状态，保持对上位机接口的监听，等待下一次命令信号的发布；S3、上位机接收任务结束的反馈后，再次根据传感器收集到的环境变量信息，进入软件算法逻辑判断中，判定机器人下次任务的是否进行，如何进行等规划，如果逻辑判断总任务已经达成，则不会再更新下一次子任务；S4、当所有的子任务全部执行完毕后，判断总任务是否达成，达成则机器人进行待机状态，等待安卓端用户操作；如果判断总任务没有达成，则机器人将重新进行软件算法的逻辑判断，直达总任务判定达成。3.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：行为控制算法目前是机器人研究领域需要重点发展突破的方向，具体含义即根据具体环境信息、机器人功能设计，让机器人自主在环境信息不断改变的过程中，按照软件算法设计好的逻辑，具体执行相应的行为如下：S1、首先沿边算法会让机器人找到前方距离自身最近的障碍物点，并规划运动速度，直行走到距离障碍物0.75m的位置，到达该位置后，会先判断确认一次自身位置是否是沿边行为的起点；S2、判断自身位置为沿边行为的起点后，开始执行具体的沿边算法逻辑判断，先执行左转行为，保证机器人自身行走方向与障碍物墙体保持平行（因为本人编写的沿边算法基于右手法则，在封闭空间内，执行逆时针方向的沿边循环，因此第一次靠近墙体后，机器人必然执行左转行为），保持平行后，清洁机器人沿边进行移动，过程中时刻保证机器人自身机
械构体边缘相距障碍物墙体3
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5cm的距离；S3、对于如何让机器人始终保持与墙体之间固定距离，即本沿边软件算法的核心部分；首先是机器人传感器的利用，采取了三个范围作为判定墙体障碍物的约束条件，分别是主激光雷达的右前方范围测量数据、主激光雷达的右侧垂直墙体范围测量数据，机器人右侧下方测距激光雷达测量数据；（机器人组装要求，主激光雷达的0
°
方向，和机器人前方保持一致）约束条件类似PID控制算法，通过三个约束，规定了机器人沿边行为的范围，以及发布给下位机的命令通信；最终呈现以下效果：离墙过远机器人会自动靠近障碍物墙体；离墙过近会自动远离；当墙体障碍物出现通道拐弯时，机器人自动跟随墙体转弯；当墙体前方阻挡，整体呈现直角时，机器人自动沿着墙体进行逆时针行走，期间保持与固定距离；单次任务从起点开始到终点结束，但沿边算法软件持续保持待机，直到下一次安卓端发布总命令信号，再次执行沿边算法子任务。4.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：包括反馈线性化法（处理非线性动态，非完整约束等），反步法（力控制速度，速度控制位置分级控制），底层位置速度回路反馈跟踪（跟踪速度/位置指令））；模块功能：极光壹号（AURORA NO.1）机器人按照沿边算法从任务的起点沿边行走到任务的终点，期间保证机器人机械构体边缘与墙保持相距3
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5cm。5.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：模块功能：规避沿边行为执行中可能会出现的不明障碍物，避免机器人出现剐蹭或膨胀的现象，模块实现原理：约束条件控制，采用激光雷达， 激光测距线性雷达，超声波模块，方法：预留安全距离；在线判断碰撞风险执行决策，逻辑判断闭环大致与沿边算法核心逻辑一致，机器人在遇到前方不明障碍物会进行左转绕行的判断。6.根据权利要求1所述的一种基于多传感器的清洁机器人沿边清扫控制方法，其特征在于：整套沿边软件算法是基于ROS机器人系统平台开发，运行规则，接口定义，函数类型均依托于ROS开发平台，具体代码由python编写；同时该沿边软件算法适配与清洁机器人的沿边...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱思宇，李宇浩，
申请(专利权)人：麦岩智能科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：