專利名稱：單目家用清潔機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及清潔機器人，特別是用圖像處理技術(shù)來實現(xiàn)家用清潔機器人的避 障功能，并能對特殊物品進(jìn)行拍攝、貯存、顯示的單目家用清潔機器人。
背景技術(shù)：
清潔機器人又稱自動吸塵器，它融合了多項人工智能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于家庭、賓 館、寫字樓等環(huán)境下的半自動或全自動清潔。目前，家用清潔機器人的結(jié)構(gòu)包括控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)等，其中控制系 統(tǒng)以處理器芯片為中心，感知系統(tǒng)大多由感應(yīng)探測器組成包括超聲波傳感器、紅外傳感器 和防碰撞傳感器等。感知系統(tǒng)的各傳感器分別與處理器芯片連接，處理器芯片通過驅(qū)動電 路與驅(qū)動電機連接，驅(qū)動電機與移動機構(gòu)連接?，F(xiàn)有技術(shù)對家用清潔機器人的移動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)等的研究已經(jīng)具備 了良好的基礎(chǔ)，但在障礙物檢測、自主避障以及路徑規(guī)劃等方面還有很大不足，這也是制約 清潔機器人自動化程度和清潔效率的主要因素?，F(xiàn)在市面上大多數(shù)家用清潔機器人可以對 房間做出測量，自動清潔房間的每個角落、記錄理想設(shè)置，躲避墻壁和樓梯。雖然它們大部 分都寫明具有躲避障礙物的能力，但實際效果并不很好。原因是其中的避障系統(tǒng)大都采用 傳感器避障，而運用最多的還是超聲波傳感器和紅外傳感器，它們設(shè)置在清潔機器人的前 半個端面上，通過檢測反射回來的信號來判別障礙物的遠(yuǎn)近，從而躲避障礙物。首先，雖然超聲波傳感器有環(huán)境適應(yīng)能力強，價格便宜，不容易損壞等優(yōu)點，也被 廣泛應(yīng)用于避障系統(tǒng)中。但這種傳感器的缺點也是很明顯的，比如波束角大、方向性差、在 非垂直的反射下測距很不穩(wěn)定，當(dāng)移動機器人偏離平行墻面時，探測系統(tǒng)往往很難得到實 際的距離；另外，超聲波這種發(fā)散特性在應(yīng)用與測量障礙物的時候，只能提供目標(biāo)障礙物的 距離信息，而不能提供目標(biāo)的方向和邊界信息，所以存在著一定的局限性，雖然在實際應(yīng)用 中采用其他一些傳感器來彌補，但效果并不是很好。特別對于運動物體的檢測，問題就更加 突出，致使清潔機器人缺乏足夠的自我防衛(wèi)功能，因為清潔機器人工作時的環(huán)境是不確定 的，而且它們的個頭一般又很小，很容易就出現(xiàn)被踢到、被撞到的問題，特別是在家人走動 頻繁、有小孩、有寵物的情況下，問題就更加突出，而且清潔機器人屬于較精密器件，稍有不 慎就會損壞，所以應(yīng)該盡量避免這樣的事情發(fā)生。此外，清潔機器人對每一個可以清潔的地方都要走到，所以對房間的每個角落都 很熟悉，現(xiàn)在的清潔機器人沒能很好的利用這一點開發(fā)出它的潛在價值，造成清潔機器人 功能較單一，不方便查看各個角落的清潔情況，如果能開發(fā)出更新更人性化的功能將對這 類機器人提供更大的發(fā)展空間，也更容易走進(jìn)千萬百姓家。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種具有較好的避障功 能、便于用戶查看清潔信息的單目家用清潔機器人。[0008]本實用新型的目的是通過下述的技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種單目家用清潔機器人，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的處理器芯片、存儲器、以及 分別與處理器芯片連接的超聲波傳感器、紅外傳感器和防碰撞傳感器，與現(xiàn)有技術(shù)不同的 是增設(shè)有分別與處理器芯片連接的攝像頭和顯示屏。所述的攝像頭的像素為30萬，設(shè)置在清潔機器人的頂端靠前處與殼體固接。所述 的顯示屏設(shè)置在殼體上。所述的處理器芯片為ARM9、ARMlO或ARMll系列芯片。還設(shè)有與處理器芯片連接的報警器。還設(shè)有分別與處理器芯片連接的一組LED燈和光敏傳感器。所述的LED燈和光敏傳感器設(shè)置在清潔機器人的前端與殼體固連。由于涉及到圖像處理，所以對處理器芯片的處理速度有更高要求，現(xiàn)有技術(shù)中所 采用的如AVR單片機、PIC單片機中的處理器芯片無法完成這類工作，出于價格和空間的考 慮本實用新型采用ARM9系列處理器芯片，或者ARM9以上系列芯片，如ARM10、ARM11系列芯 片。這些芯片的特點是價格低、功耗低、性能高，能和嵌入式操作系統(tǒng)很好結(jié)合并且在這方 面的研究也較成熟。出于圖像處理速度考慮，攝像頭不宜選用太高像素，像素為30萬就可以了。顯示屏用于顯示圖片信息。報警器用于提醒人們小心不要碰到清潔機器人。光敏傳感器用于檢測光線強度，當(dāng)光線不足時開啟LED燈，方便攝像頭拍攝圖片。在避障系統(tǒng)方面，本實用新型采用超聲波與攝像頭傳感器相融合的解決方案。平 時清潔機器人上的攝像頭傳感器是不工作的，檢測障礙物由原有的超聲波傳感器來完成。 超聲波傳感器采用間斷式發(fā)出信號并接收信號的方式，由于間斷的時間非常短暫，相對于 清潔機器人的行進(jìn)速度來說，可以將超聲波傳感器看作是連續(xù)工作的，所以，當(dāng)出現(xiàn)固定障 礙物時也是連續(xù)存在的，要消失也是越來越遠(yuǎn)或者是越來越近，然后離開傳感器的工作范 圍，通常不太可能出現(xiàn)突然消失的現(xiàn)象，這里的消失不包括障礙物甲被障礙物乙擋住而障 礙物甲突然消失的情況，而是障礙物突然檢測不到了。出現(xiàn)這種情況就可能說明，障礙物是 存在的，只是超聲波傳感器沒有檢測出來，這時是不能確定障礙物是固定的還是運動的。所 以，一旦出現(xiàn)這種問題，處理器檢測到以后，即控制清潔機器人停止前進(jìn)，處理器立即啟動 攝像頭傳感器，連續(xù)拍攝三幅圖片，時間間隔應(yīng)該盡可能短，最好在0. Is左右。然后對前兩 幅圖片進(jìn)行分析，處理。處理的方法是先將兩幅圖片進(jìn)行灰度化處理，化成灰度圖像，讓前 一幅圖片按像素點逐一的減去后一幅圖片，對小于0的像素取絕對值。由于兩幅圖片拍攝 的地點相同，時間很短，因此可以認(rèn)為兩幅圖片的明暗程度是一樣的，如果不存在運動的物 體時，那么相減后得到的圖片將是一幅全黑的圖片，也就是像素為0的圖片，當(dāng)然這時可能 出現(xiàn)圖片的噪聲干擾，會使像素點不全為0，針對這個問題我們設(shè)定一個閾值，處理器對相 減后的灰度圖片進(jìn)行二值化，對于低于閾值的全給0，對于高于閾值的全給1，這個閾值可 以給的很小，但正是有了這個閾值會使得圖片中不為0的像素點大為減少，可以認(rèn)為幾乎 沒有了，然后再計算這個二值圖片中像素為1的點的個數(shù)。這時可以再設(shè)定一個閾值，當(dāng)計 算個數(shù)小于這個閾值時，就判定兩幅圖片的變化可以忽略，判定前方?jīng)]有運動的物體；當(dāng)計 算個數(shù)大于閾值時，說明兩幅圖片存在很大的變化，從而也說明前方有運動的物體。這時清潔機器人在處理器芯片的控制下立即后退一段距離。這里需要說明的是，就看兩幅圖片是 不能判斷物體是靠近還是遠(yuǎn)離的，這樣做也是出于安全考慮，因為圖像處理是需要時間的， 為了防止清潔機器人在數(shù)據(jù)處理時就碰上運動的物體，所以不管是靠近還是遠(yuǎn)離，先后退 一段距離。在處理完前兩幅圖片后，這時就需要第三幅圖片了，用第三幅圖片與第二幅圖片 進(jìn)行相同的處理，處理后同樣計算數(shù)值為1的像素個數(shù)，用這個值和開始1、2幅圖片得到的 值相比較，當(dāng)2、3幅圖得到的數(shù)值大時就判斷物體在靠近，如果小就判定在遠(yuǎn)離。因為如果 遠(yuǎn)離，雖然也會引起像素變化，但變化是越來越小的，而靠近則相反。除了避障系統(tǒng)上的改進(jìn)外，本實用新型還創(chuàng)新了特殊物品圖片記錄功能。家用清 潔機器人由于體積、清潔機構(gòu)的制約，清除的垃圾種類有限，這些垃圾主要包括灰塵、碎紙 屑、毛發(fā)等碎而小的東西，不可能清除房間里所有的垃圾，當(dāng)出現(xiàn)較大或較重的垃圾時，清 潔機器人一般是無法清潔干凈的。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，本設(shè)計將通過處理器控制清潔機器 人后退到垃圾前，對垃圾進(jìn)行拍攝并保存，然后執(zhí)行下一塊區(qū)域的清潔。等用戶有空時再查 看清潔機器人，這時清潔機器人上的顯示屏將顯示之前拍攝到的圖片，用戶就可以手動清 理那些清潔機器人無法清理的垃圾了。此功能還有另外一個用處，就是清潔機器人無法清 潔的垃圾可能是垃圾也可能不是，換句話說就是當(dāng)一些小東西不慎掉到地上，但人們又沒 及時撿起時，如果清潔機器人無法清潔干凈也會當(dāng)垃圾來拍攝，只是用戶見到時就不是去 清理垃圾，而是去拾取物品了。比如珍珠、項鏈、耳環(huán)等物品，當(dāng)他們掉到地上，特別是掉到 桌子底下、床底下時，人們一時難以發(fā)現(xiàn)，但清潔機器人每次都要對房間的各個角落進(jìn)行清 潔，相當(dāng)于一次地毯式搜索，像珍珠、項鏈、耳環(huán)等貴重物體清潔機器人是無法清潔的，它會 當(dāng)成垃圾來拍攝圖片，事后用戶就可以根據(jù)圖片信息準(zhǔn)確的找到這些物品的位置，這將會 省去我們的很多麻煩。本實用新型的優(yōu)點是在超聲波傳感器失靈的情況下，運用圖像處理技術(shù)使清潔 機器人具有良好的避障功能，特別是躲避運動障礙物的功能；對于清潔機器人無法清潔的 垃圾或物品，機器人能自動拍攝圖片信息，方便用戶查看清潔信息，及時進(jìn)行清理或拾取。

圖1為實施例連接框圖；圖2為實施例避障系統(tǒng)工作流程圖；圖3為實施例圖片記錄系統(tǒng)工作流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型內(nèi)容作進(jìn)一步的闡述，但不是對本實用新型 的限定。實施例參照圖1，一種單目家用清潔機器人，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的處理器芯片1、存 儲器10、以及分別與處理器芯片1連接的超聲波傳感器5、紅外傳感器6和防碰撞傳感器7， 此外，還增設(shè)有分別與處理器芯片1連接的攝像頭3和顯示屏12。攝像頭3的像素為30萬，設(shè)置在清潔機器人的頂端靠前處與殼體固接，該攝像頭 采用USB接口和處理器芯片1相連，利用驅(qū)動程序來驅(qū)動攝像頭3，并保存圖片于存儲器10液晶顯示屏。處理器芯片1為ARM9系列芯片如三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片，主頻到達(dá) 400MHz，最高可達(dá)533MHz，處理器芯片還可采用ARMlO或ARMll系列芯片。還設(shè)有與處理器芯片1連接的報警器11，用于提醒人們小心不要碰到清潔機器 人。還設(shè)有分別與處理器芯片1連接的一組LED燈2和光敏傳感器4。LED燈2和光敏傳感器4設(shè)置在清潔機器人的前端與殼體固連。光敏傳感器4用 于檢測光線強度，當(dāng)光線不足時開啟LED燈2，方便攝像頭3拍攝圖片。工作時，由處理器芯片1通過驅(qū)動電路8驅(qū)動驅(qū)動電機9帶動清潔機器人的機械 行走部分，如圖2所示，在步驟S101，當(dāng)超聲波檢測障礙物突然消失時，則啟動步驟S102，清 潔機器人立即停止前進(jìn)；在步驟S103，啟動攝像頭，連續(xù)拍攝三幅圖片，進(jìn)行上述的圖像處理；在步驟S104，處理前兩幅看結(jié)果是否有明顯變化，當(dāng)處理結(jié)果顯示沒有明顯變化 時，則啟動步驟S109，回到原來位置繼續(xù)工作；當(dāng)處理完前兩幅圖片，顯示變化很大時，則 啟動步驟S105，后退一段距離，等待第三幅圖的處理結(jié)果；然后到步驟S106，判斷障礙物是否靠近，如果判斷的結(jié)果是遠(yuǎn)離，則啟動步驟 S109，回到原來位置繼續(xù)工作；如果判斷的結(jié)果是靠近，則啟動步驟S107，再次后退，并響 起警報；然后到步驟S108，后退一段距離后再次停止，繼續(xù)從步驟S103開始，直到兩幅圖 像沒有變化或者變化很小為止。出現(xiàn)較大或較重的垃圾，如圖3所示，機器人清潔通過紅外傳感器進(jìn)行檢測，在步 驟S201，當(dāng)檢測到地面沒有清潔干凈時，則啟動步驟S202，清潔機器人將后退一段距離，繼 續(xù)進(jìn)行清潔；在步驟S203，是否有后退3次，如果不到3次，垃圾還沒有清潔干凈，則到步驟 S204,再次對垃圾進(jìn)行清潔，然后到步驟S205，檢測是否清潔干凈，如果已干凈，則到步驟 S206，繼續(xù)前進(jìn)；如果還未干凈，則回到步驟S202繼續(xù)進(jìn)行；在步驟S203，如果判斷已后退3次，則啟動步驟S207，開啟光敏傳感器；在步驟S208，檢測是否太暗，如果光線足夠，則到步驟S210，開啟攝像頭，拍攝一 幅圖片并保存；然后到步驟S206，繼續(xù)前進(jìn)；在步驟S208中，如果光線太暗，則到步驟S209，開啟LED燈，然后從步驟S210繼續(xù)進(jìn)行。
權(quán)利要求1.一種單目家用清潔機器人，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的處理器芯片、存儲器、以及分 別與處理器芯片連接的超聲波傳感器、紅外傳感器和防碰撞傳感器，其特征在于增設(shè)有分 別與處理器芯片連接的攝像頭和顯示屏。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目家用清潔機器人，其特征在于所述的攝像頭的像素為 30萬，設(shè)置在清潔機器人的頂端靠前處與殼體固接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目家用清潔機器人，其特征在于所述的顯示屏設(shè)置在殼 體上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目家用清潔機器人，其特征在于所述的處理器芯片為 ARM9、ARMlO 或 ARMll 系列芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目家用清潔機器人，其特征在于還設(shè)有與處理器芯片連 接的報警器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單目家用清潔機器人，其特征在于還設(shè)有分別與處理器芯 片連接的一組LED燈和光敏傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單目家用清潔機器人，其特征在于所述的LED燈和光敏傳 感器設(shè)置在清潔機器人的前端與殼體固連。
專利摘要本實用新型公開了一種單目家用清潔機器人，包括殼體、設(shè)置在殼體內(nèi)的處理器芯片、存儲器、以及分別與處理器芯片連接的超聲波傳感器、紅外傳感器和防碰撞傳感器，其特征在于增設(shè)有分別與處理器芯片連接的攝像頭和顯示屏，還設(shè)有與處理器芯片連接的報警器、分別與處理器芯片連接的一組LED燈和光敏傳感器。本實用新型的優(yōu)點是在超聲波傳感器失靈的情況下，運用圖像處理技術(shù)使清潔機器人具有良好的避障功能，特別是躲避運動障礙物的功能；對于清潔機器人無法清潔的垃圾或物品，機器人能自動拍攝圖片信息，方便用戶查看清潔信息，及時進(jìn)行清理或拾取。
文檔編號A47L9/00GK201905823SQ20102069285
公開日2011年7月27日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者何少佳, 何湘艷, 劉子揚, 陳勇鋼 申請人:桂林電子科技大學(xué)