一种智能扫地机器人的远程控制系统的制作方法

2021-01-15 19:01:04|

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本发明属于清扫装置的技术领域，具体涉及一种智能扫地机器人的远程控制系统。

背景技术：

随着智能设备的普及，越来越多的电子设备采用了智能化控制系统，以此同时，在家居领域，其家居设备也越来越多的采用了智能系统，实现初步的智能化替代人工的一些家务。现在的家居中，各种家具离地高度不一致，部分家居离地高度刚好接近扫地机器人自身能进入的区域，这种情况下，扫地机器人在自动判断和逻辑计算扫地路径的过程中，容易陷入死循环，或者进入该区域作业被卡住，无法继续作业，所以，现在很多家庭在使用扫地机器人的时候，基本还是让扫地机器人不脱离自己的视线，遇到扫地机器人无法自己判断或者卡住的时候，及时的调整。然而，由于扫地机器人自动作业过程中，有大量的电子元器件在作业，会对附近的其它电子设备终端产生较大的干扰。因此，很多人都希望扫地机器人能够在家里无人的情况下作业，实现远程的在线控制，这样，既能避免了扫地机器人自动作业过程中出现的意外状况，又不会因为作业过程产生的电子干扰，而影响其他电子设备终端的使用。

路径规划技术是机器人研究领域的一个重要分支，是依据某个或某些优化准则，在其工作空间中找到一条从起始地点到目标地点的能避开障碍物的最优路径。室内是人类活动最密集，与人类生活生产最相关的场合。室内由于有大量墙体、屏风等障碍存在，多径效应严重，场强分布不均甚至有盲区存在。人员的频繁移动、电子设备和门窗的开关等也给信号传输带来大量随机，不可测的干扰和波动。因此针对复杂室内环境的定位技术一直是研究的难点，也是学术界一直关注的热点问题。因此，目前室内服务机器人主要依赖slam技术来实现全自主移动。slam技术中，机器人首先借助传感器设备探测周边环境建立地图，同时识别并标注自身当前在地图中位置，对于建图和标注，现有技术一般采用的方式有：栅格、几何信息和拓扑图表示法。现有技术各方案的优缺点均较为明显，其中栅格法精度较高，但计算量大且栅格叠加会造成地图偏移，可靠性不强；几何信息法计算量稍小，但相应地精度偏低；拓扑图法计算量最小、效率高，但因拓扑表示过于抽象，无法准确分辨相似场景，错误率较高。

在现有技术中，智能扫地机器人缺少有效的机制进行障碍物存在时的清扫工作。要么就是一检测到障碍物即离开，要么就是碰撞到障碍物后才离开。在前一种方式中，机器人无法清扫到障碍物边界处的地面，通常会导致障碍物附近有较多垃圾残留，不利于提高整体清扫效率；在后一种方式中，机器人通过直接与障碍物发生碰撞来确定障碍物的存在，从而改变运动路径，一方面频繁的碰撞不利于保持机器人的使用寿命，另一方面，碰撞也会对家居环境中放置的家具造成不同程度的损伤。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种通过多种无线定位技术帮助智能机器人实现定位，进而通过定位信息辅助修正扫描地图，提高清洁效率的同时避免机器人及家具因碰撞受到损坏的智能扫地机器人的远程控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

本发明提供一种智能扫地机器人的远程控制系统，包括智能终端设备和扫地机器人，还包括无线通信模块和家庭服务器：

所述无线通信模块，连接所述智能终端设备和所述扫地机器人，用于对所述智能终端设备和所述扫地机器人进行网络配置，使所述智能终端设备和所述扫地机器人连接到所述家庭服务器；

所述家庭服务器，连接所述智能终端设备和所述扫地机器人，用于对所述扫地机器人的认证，若认证通过则向所述智能终端设备发送认证成功通知，以及对接入的所述智能终端设备身份及权限的识别，和接收来自所述智能终端设备的控制命令，发送给所述扫地机器人；

所述智能终端设备，用于在收到所述家庭服务器发出的认证成功通知后，更新预安装的扫地机器人的控制程序界面，并重新生成相应的控制页面参数，以及当控制页面中的控件被触发时，将相应的控制命令发送至所述家庭服务器。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述扫地机器人包括初始化模块，用于获取预设区域的初始地图信息和无线节点信息，并将无线节点位置和所述初始地图信息结合后与服务器同步；

无线通信模块，与多个无线节点进行无线通讯，各节点分别记录各自的无线通讯连接信息；

定位模块，连接所述无线通信模块，用于根据第一类无线节点的连接信息确定当前位置信息，根据第二类无线节点的连接信息对当前位置信息进行校验；

控制模块，连接所述定位模块，用于将一个坐标转换成具体指令的控制系统；

修正模块，连接所述控制模块，用于将校验后的位置信息和当前扫描结果结合后与服务器同步更新地图信息。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述扫地机器人还包括：

移动模块，连接所述控制模块，用于实现扫地机器人的移动；

地图及位置测量模块，连接所述定位模块，所述用于扫描周围环境建立地图；

语音交互模块，连接所述无线通信模块，用于和智能终端设备进行交互；

图像识别和人脸交互模块，连接所述控制模块，用于获得当前环境并确定捕捉到人脸和确认身份；

供电与自动回充模块，连接所述控制模块，用于提供电源并在电量不足时返回充电桩充电的。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述扫地机器人还包括可发射探测信号的发射器及接收探测信号反射信号的接收器和控制器；所述控制器检测所述发射器发射探测信号及所述反射器反射信号的情况，当满足第一预设条件时，控制所述扫地机器人执行减速动作；当满足第二预设条件时，控制所述扫地机器人执行转向动作。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述第一预设条件包括所述反射信号的强度大于第一预设值，所述第二预设条件包括所述反射信号的强度大于第二预设值或所述第二预设条件包括所述扫地机器人与探测到的障碍物间的距离小于第四预设值，所述第一预设值小于所述第二预设值。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述无线节点包括：

连接模块，用于收发无线信号建立对应的无线连接；

通讯模块，连接所述连接模块，用于将无线连接信息传输给服务器；

电源模块，则保证节点的供电。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述第一类无线节点为蓝牙和/或wifi节点，所述第二类无线节点为uwb节点。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，所述定位模块根据测量参数的不同，包括采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行所述校验。

上述的智能扫地机器人的远程控制系统，还包括移动终端，用于通过自身的通讯单元与智能终端设备和/或所述扫地机器人交互，向所述扫地机器人发出移动指示或服务任务。

本发明这种智能扫地机器人的远程控制系统通过多种无线定位技术帮助智能机器人实现定位，进而通过定位信息辅助修正扫描地图，由于多种定位技术相结合，系统不再依赖于单一的设备和技术，可大幅提高机器人定位的精度和可靠性，同时提高了扫描地图的识别和定位精度，使得智能机器人的自主移动更为准确高效可靠；无需让扫地机器人在视野内工作，可实现对其远程，甚至异地控制，避免来扫地机器人作业时带来的电子干扰，一方面可以避免扫地机器人一检测到障碍物就转向时导致障碍物附近地面无法清扫干净的问题；另一方面可以避免扫地机器人碰撞到障碍物才进行转向导致损坏扫地机器人及与其发生碰撞的家具，给用户的生活带来极大的方便，具有设备成本低的优点。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中所述的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都在本发明所保护的范围内。

本发明提供一种智能扫地机器人的远程控制系统，包括智能终端设备和扫地机器人，还包括无线通信模块和家庭服务器：

其中，智能终端设备可以为内置wifi模块的智能手机、平板电能、智能电视机或计算机等等。扫地机器人本身具有wifi模块的扫地机器人。家庭服务器是扫地机器人和智能终端设备进行网络通讯的处理平台。家庭服务器制定并实现了tcp/ip控制协议，智能终端和扫地机器人进行网络通讯均按此协议进行。

无线通信模块还用于将接收到的udp数据包广播给扫地机器人，以使扫地机器人通过内置的wifi模块，过滤到wifi信息后进行联网配置。

家庭服务器4可制定并实现tcp/ip控制协议。在完成网络配置后，家庭服务器4可保持和智能终端设备3和扫地机器人1的长连接。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述扫地机器人包括初始化模块，用于获取预设区域的初始地图信息和无线节点信息，并将无线节点位置和所述初始地图信息结合后与服务器同步；

无线通信模块，与多个无线节点进行无线通讯，各节点分别记录各自的无线通讯连接信息；

控制模块，连接所述定位模块，用于将一个坐标转换成具体指令的控制系统；

修正模块，连接所述控制模块，用于将校验后的位置信息和当前扫描结果结合后与服务器同步更新地图信息。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述扫地机器人还包括：

移动模块，连接所述控制模块，用于实现扫地机器人的移动；

地图及位置测量模块，连接所述定位模块，所述用于扫描周围环境建立地图；

语音交互模块，连接所述无线通信模块，用于和智能终端设备进行交互；

图像识别和人脸交互模块，连接所述控制模块，用于获得当前环境并确定捕捉到人脸和确认身份；

供电与自动回充模块，连接所述控制模块，用于提供电源并在电量不足时返回充电桩充电的。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述扫地机器人还包括可发射探测信号的发射器及接收探测信号反射信号的接收器和控制器；所述控制器检测所述发射器发射探测信号及所述反射器反射信号的情况，当满足第一预设条件时，控制所述扫地机器人执行减速动作；当满足第二预设条件时，控制所述扫地机器人执行转向动作。发射器与接收器平行设置时，反射信号的强度与距离成线性比例关系，可更好地探测距离较远的障碍物。

控制器根据发射器发射探测信号及接收器接收反射信号的情况控制扫地机器人进行相应动作，当控制器检测到扫地机器人的发射器发射探测信号与接收器接收反射信号的情况满足第一预设条件时，控制扫地机器人执行减速动作，当控制器检测扫地机器人的发射器发射探测信号与接收器接收反射信号的情况满足第二预设条件时，控制扫地机器人执行转向动作。从而，可以使扫地机器人检测到障碍物时能够不碰撞到障碍物，并且能够清扫到障碍物附近的地面，提高清洁效率。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述第一预设条件包括所述反射信号的强度大于第一预设值，所述第二预设条件包括所述反射信号的强度大于第二预设值或所述第二预设条件包括所述扫地机器人与探测到的障碍物间的距离小于第四预设值，所述第一预设值小于所述第二预设值。

智能终端设备和扫地机器人通过无线通信模块进行网络配置，以连接到家庭服务器；家庭服务器分别对扫地机器人进行产品认证，和对智能终端设备身份与权限进行识别和确认；智能终端设备收到家庭服务器发出的认证成功与身份和权限确认的通知后，更新扫地机器人设备状态列表，并生成对应的控制参数页面；当控制参数页面中的控件被触发时，智能终端设备将相应的控制命令发送至家庭服务器；家庭服务器将控制命令发送给扫地机器人；扫地机器人根据控制命令做出相应处理。

其中，智能终端设备连接到家庭服务器；智能终端设备预安装扫地机器人控制程序，控制命令发起网络配置请求，将wifi信号以udp数据包的形式发送到无线路由器；无线路由器将接收到的udp数据包广播出去；扫地机器人通过内置的wifi模块过滤到wifi信息后进行配置联网。

发射探测障碍物的探测信号及接收该障碍物反射回来的反射信号；检测发射探测信号及接收反射信号的情况；满足第一预设条件时，扫地机器人执行减速动作；满足第二预设条件时，扫地机器人执行转向动作。

反射信号的强度大于第二预设值时机器人执行转向动作包括扫地机器人进行转向，直至检测到的反射信号强度小于第三预设值；或扫地机器人与探测到的障碍物间的距离小于第四预设值时机器人执行转向动作包括扫地机器人进行转向，直至与障碍物间的距离大于第五预设值，第三预设值与第一预设值相同。

第四预设值与扫地机器人边扫的工作半径关联设置，以使扫地机器人在第四预设值位置转向时可清扫到障碍物边界处的地面。

扫地机器人检测到反射信号的强度大于第一预设值时，以一负加速度运行，即不断地降低运行速度，其中，可以以一固定的加速度运行也可以以一变化的加速度运行。需要说明的是，当扫地机器人检测到其与障碍物间的距离小于第一预设值时，以一负加速度运行为较佳的实施方式，从而可以使扫地机器人运行到反射信号强度大于第二预设值的位置进行转向时具有较低的运行速度。

扫地机器人在接收到的反射信号的强度大于第一预设值时执行减速动作，在接收到的反射信号的强度大于第二预设值时执行转向动作。也可以为，扫地机器人在接收到的反射信号的强度大于第一预设值时执行减速动作，在与障碍物间的距离小于第四预设值时执行转向动作。

其中，第四预设值与扫地机器人边扫的工作半径关联设置，使扫地机器人在与障碍物间的距离为第四预设值进行转向时能够清扫到障碍物边界附近的地面，从而提高扫地机器人的清洁效率。

当扫地机器人在检测到与障碍物间的距离小于第四预设值时进行转向的动作包括扫地机器人进行转向直至其与障碍物间的距离大于第五预设值。第五预设值的设置可参考扫地机器人在反射信号强度为第一预设值时与障碍物间的距离进行设置。

第一预设条件包括扫地机器人与障碍物间的距离小于第一预设值，第二预设条件包括扫地机器人与障碍物间的距离小于第二预设值，第一预设值大于第二预设值。

第二预设值与扫地机器人边扫的工作半径关联设置，使扫地机器人在第二预设值位置处可清扫到障碍物边界处的地面。

扫地机器人与障碍物间的距离小于第二预设值时扫地机器人执行转向的动作包括扫地机器人边转向边移动，直至扫地机器人与障碍物间的距离大于第三预设值。

扫地机器人检测到与障碍物间的距离小于第一预设值时，以一负加速度运行，即不断地降低运行速度，可以以一固定的加速度运行也可以以一变化的加速度运行。需要说明的是，当扫地机器人检测到其与障碍物间的距离小于第一预设值时，以一负加速度运行为较佳的实施方式。

第二预设值的设置与扫地机器人边扫的工作半径关联设置，从而使扫地机器人停在第二预设值位置时可以清扫到障碍物边界处的地面，从而提高清洁效率。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述无线节点包括：

连接模块，用于收发无线信号建立对应的无线连接；

通讯模块，连接所述连接模块，用于将无线连接信息传输给服务器；

电源模块，则保证节点的供电。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述第一类无线节点为蓝牙和/或wifi节点，所述第二类无线节点为uwb节点。

本发明至少采用两种无线技术分别进行定位和位置校验，故多个无线节点中至少包括两类，两类无线节点优选采用定位方式、精度或成本不同的，比如以精度低、成本低的进行广泛配置并实现初次定位，以精度高、成本高的进行重点配置并实现二次校验。

第一类无线节点为蓝牙和/或wifi节点，第二类无线节点为uwb节点。即首先以蓝牙或wifi等方式区域定位，随后以uwb方式进行校验。蓝牙或wifi定位时，将室内区域进一步划分为多个栅格，每个栅格中设置一个蓝牙或wifi节点，机器人自身设置蓝牙或wifi模块；uwb校验定位时，区域内固定设置多个uwb节点，机器人自身设置uwb标签。具体地，蓝牙或wifi方式一般只在机器人模块与节点间建立单一连接，机器人在移动过程中分别与当前栅格中设置的节点建立连接，因而可简单地以建立连接的节点所对应栅格进行初步定位；而uwb方式可以精确计算距离和方位，因而以uwb精确定位结果进行二次校验。

其中，uwb技术是一种使用1ghz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术。虽然是无线通信，但其通信速度可以达到几百mbit/s以上。由于不需要价格昂贵、体积庞大的中频设备，uwb无线定位系统的体积小且成本低。而uwb系统发射的功率谱密度可以非常低，甚至低于美国联邦通信委员会规定的电磁兼容背景噪声电平，因此短距离uwb无线电通信系统可以与其他窄带无线电通信系统共存。根据测量参数的不同，uwb定位的计算方式可采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种。

对于一个标签，其发出的脉冲信号分别到达至少两个节点的接收传感器，每个传感器接收信号时分别获得相应的物理量，两传感器可能有两个接收时间t1、t2，基于接收时间可以分别计算标签到两个传感器的距离，根据两距离的交集进一步计算出标签所在位置；或者两传感器可能有两个接收角度a1、a2，基于接收角度可以分别计算标签可能处于的方位，根据两方位的交集进一步计算出标签所在位置。实际情况中两传感器还可能有两个接收信号强度，基于信号强度同样可以分别计算标签到两个传感器的距离，随后计算标签所在位置。采用uwb技术实现定位，具有结构简单、隐蔽性好、保密性强、功耗低、多径分辨力强、数据传输率高、穿透能力强、定位精确、抗干扰能力强等优点，除可实现高效高精度的定位，更重要的是使得机器人的移动不仅仅依赖于扫描地图对物体的识别能力，提高了智能系统的性能和可靠性。

在本发明的一个优选实施例中，基于接收信号时间的差值进行定位。采用一个独立时差计数器统一记录标签信号ω1、ω2、ω3到达各uwb节点bs1、bs2、bs3等的时间差，利用时间差和节点间的差异即可计算出标签实际位置信息。采用该方式各节点间无须严格同步的参考时钟，避免了因参考时钟起点不同步带来的测量误差，从而在有效地提高定位精度的同时降低了系统实现复杂度。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，所述定位模块根据测量参数的不同，包括采用基于接收信号强度、基于到达角度和基于接收信号时间中至少一种方式进行所述校验。

进一步地，本发明一种智能扫地机器人的远程控制系统的较佳实施例中，还包括移动终端，用于通过自身的通讯单元与智能终端设备和/或所述扫地机器人交互，向所述扫地机器人发出移动指示或服务任务。更优选地，移动终端也可携带无线通讯模块，通过与机器人相似的无线定位技术在地图中进行定位，以便机器人准确为该移动终端用户服务。当同一区域存在多个移动终端时，通过唯一的终端id进行识别和区分。

服务器一般包括：处理单元、存储单元、控制单元和通讯单元；处理单元用于对初始地图信息进行地图校正，比照实际场景完成去噪和优化，以形成与室内实际场景相匹配的室内地图；存储单元用于存储地图信息和接收到的位置关系信息；控制单元用于对机器人和/或无线节点进行控制操作；通讯单元用于与机器人及无线节点进行数据信息通讯。其中，位置信息的计算可由机器人、无线节点和服务器中任意一方或多方进行，考虑到服务器本身具备相应的计算和处理能力，优选在服务器端进行，但该优选方式不应理解为对本发明具体实施例的限制，即上述定位模块可设置在机器人、无线节点和/或服务器中。

这种智能扫地机器人的远程控制系统的修正方法包括以下步骤：

步骤a，获取预设区域的初始地图信息和无线节点信息，并将无线节点位置和初始地图信息结合后发送服务器，与服务器同步；

步骤b，与多个无线节点进行无线通讯，各节点分别记录各自的无线通讯连接信息；

步骤c，根据第一类无线节点的连接信息确定当前位置信息，根据第二类无线节点的连接信息对当前位置信息进行校验；

步骤d，将校验后的位置信息和当前扫描结果结合后与服务器同步更新地图信息。

优选的，步骤a中，多个节点的位置固定且已知，各节点位置和当前位置信息采用统一坐标系的坐标来表示和标注。

本发明的方法中，机器人在预设区域内移动测量生成预设区域的初始地图，同时各个无线节点的位置固定且已知，将节点位置和初始地图信息结合后同时发送至服务器进行同步。移动测量包括但不限于通过激光测距仪、摄像头、红外成像等至少一种传感器扫描周边环境。在一个室内活动区域中，原则上无线节点设置的数量和位置不受限制，只要在区域内均匀划分栅格且每个栅格设置1个蓝牙或wifi节点、此外uwb节点设置至少2个以上即可，节点设置后保持其位置固定并对节点位置信息进行记录。

在进行定位或校验前，首先在地图中标注各节点位置，随后根据节点位置和无线连接信息来确定机器人在地图上的当前位置。本发明的优选实施例中，对于蓝牙或wifi定位，将地图区域均分为栅格矩阵，各节点设置在各栅格中心，根据建立连接的节点信息获知其对应栅格即可进行初步定位。而对于uwb定位，为简化计算模型，减少计算量，同时避免复杂环境对定位的干扰，将uwb节点固定设置在室内区域的四个角点，同时对机器人所携带的标签进行定位。定位时节点的固定位置和机器人的当前位置可以采用统一坐标系的坐标来表示和标注。此外，被定位的标签显然也不限于一个，通过标签id的区别，本发明可同时对多个标签进行定位。

在获得机器人的当前位置信息后，进一步结合机器人对当前位置周边环境的扫描结果，判断已有的地图信息是否准确；若地图信息存在偏差，则同步更新机器人和服务器中的地图信息。由此，本发明通过多种无线技术混合定位，实现对机器人扫描地图的修正，从而提高了扫描地图的识别和定位精度。

优选的，步骤d中同步更新地图信息包括：

步骤d1，根据校验后的位置信息，进一步结合对当前位置周边环境的扫描结果，判断已有的地图信息是否准确；

步骤d2，若地图信息存在偏差，则同步更新本地和服务器中的地图信息。

机器人的自主移动依赖于地图和自身位置来规划路径，其中地图的建立一般依赖于传感器对周边环境的感测，比如通过激光扫描获得环境中各标志物的位置和形状，而自身位置则依靠机器人的定位能力，现有技术的多种定位方式均是通过比对特定障碍物或标志物，过于依赖传感器对物体的识别能力，识别的正确率和设备成本很难有理想的平衡。随着无线通信技术的发展，无线设备的体积越来越小、成本越来越低，已可广泛应用于小型设备中提供快捷高效的无线服务。本发明的实施例中，在传感器扫描地图的基础上，利用多种无线技术结合实现机器人的室内定位，并根据定位结果进一步修正地图，从而大幅提高地图精度、识别正确率，同时提高了路径规划及移动的效率和可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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