專利名稱：清潔機器人臟物識別系統及清潔方法
技術領域：
本發明屬于清潔機器人領域，具體涉及一種清潔機器人臟物識別系統及清潔方法。
背景技術：
在現有智能清潔機器人產品及相關技術中，大多數的智能清潔機器人不能自主感知待清潔區域的臟物量。只可以實現除障礙物以外地面的遍歷清潔。結合實際情況，不同位置地面的干凈程度差別很大，不考慮地面的實際干凈程度而盲目利用相同方式清潔很可能造成資源的浪費或者特殊位置清潔不干凈等問題。 針對上述情況，目前出現技術改進型的智能清潔機器人，其可通過安裝在機器人前方的攝像頭對待清潔區域進行整體拍照，再經過圖像處理，判別待清潔區域中較臟的位置，清潔機器人直接到達較臟的位置進行清掃，較干凈的位置不清掃。此方法可以在一定程度上提高清潔機器人的效率，但是存在以下不足1.由于同一房間內地面的光照程度受天氣及室內燈光的影響，相同時間不同位置光線分布不均，相同位置不同時間光線也會不同， 直接通過整體拍照進行圖像處理，沒有考慮光照對圖像灰度的影響；2.此方法采用實際清潔過程中灰塵傳感器的示數進行校正，實際情況，地面上的臟物不僅包含灰塵等顆粒，還包括附著在地面上的附著物，單通過灰塵傳感器的示數矯正不準確；3.該方法只根據灰塵量確定清潔方法，沒有考慮附著物對地面干凈程度的影響。由于地面的臟物包括灰塵及附著物，有的地面灰塵較多但附著物較少，有的地面灰塵較少但附著物較多，因此僅通過地面灰塵量作為檢測地面干凈程度的標準不夠準確全面，同時還要考慮光照及地面紋理對臟物識別的影響。

發明內容
鑒于上述問題，本發明的目的在于提供一種能識別地面灰塵量及附著物量的臟物識別系統，該系統可實時判斷出地面的灰塵量及附著物量，并且排除外界光線及地面紋理的影響，從而更準確全面地判別地面的綜合干凈程度。本發明的目的還在于提供一種智能清潔機器人清潔方法，包括吸塵及擦地。所述智能清潔機器人采用上述判斷方法實時監控地面的干凈程度，并根據其判斷結果，調節清潔力度及清潔時間，從而在保證清潔質量的前提下，對地面實現高效地清潔。本發明提供的地面臟物識別系統，即機器人的檢測單元，包括灰塵識別裝置和附著物識別裝置。其中
所述灰塵識別裝置是一個灰塵傳感器，位于清潔機器人灰塵通道的兩側，包括一對光信號元件，即一個光發射元件和一個光接收元件；光發射元件用來發射紅外線，光接收元件用來感應紅外線?；覊m傳感器接收到的實際信號經模擬/數字轉換，再將經過交流變化量放大，得到單位時間內吸入的灰塵量。所述附著物識別裝置包括圖像采集模塊和圖像處理模塊。所述圖像采集模塊用于采集清潔機器人待工作表面的圖像信息，由于待工作表面被機器人覆蓋，光線很弱，需要自帶光源提供光線。圖像采集模塊包括光源及攝像頭，所述光源可以采用LED面光源，均勻分布在所測范圍對應的機器人底部上，以確保所測范圍地面得到均勻的光線，使各點的特征都能映入攝像機；所述攝像頭可以采用廣角CCD攝像頭，設置于機器人底部中心位置，在鏡頭離地面較近的情況下仍能夠保證較大的可視范圍。所述圖像處理模塊用于處理圖像采集模塊采集到的圖像信息，包括圖像差分單元、計算單元和比較單元。首先圖像差分單元將此次擦地前后采集到的兩幅圖像差分處理，得到的差分圖像為擦拭掉附著物的近似圖像， 然后交給計算單元取差分矩陣的絕對值，再求其平均值，最后傳到比較單元，比較平均值與預先設定閾值的大小，以確定清潔區域是否需要再次清潔。本發明提供的清潔機器人的清潔方法，包括吸塵及擦地。對于地板及地板磚，先進行吸塵，吸塵結束后再擦地；對于短毛地毯(長毛地毯不適用清潔機器人)只進行吸塵。而吸塵的強度及時間由地面的實際灰塵量決定，吸塵過程中實時檢測灰塵傳感器，如果在一段時間內持續小于某一閾值說明地面的灰塵已經清潔干凈，進入擦地環節，否則繼續吸塵。 擦地的次數由地面的實際附著物量決定，每次擦地的時間可以人為設定。在每次擦地前后， 采集清潔表面的圖像，再對圖像進行差分處理，得到擦拭掉附著物的近似圖像，如果近似圖像的像素平均值小于某一閾值說明地面的附著物已經清潔干凈或地面上的附著物為不可擦拭附著物，清潔下一區域，否則繼續擦地一次，每處地面的擦地時間=擦地次數X擦地間隔。前述的附著物識別裝置中的圖像處理模塊為所述控制單元的一個組成部分。本發明的有益效果在于通過實時檢測待清潔地面的灰塵量確定吸塵時間及功率，實時檢測附著物量確定擦地的次數，以保證每處地面的清潔。


圖1:臟物識別系統組成框圖。圖2 :灰塵識別裝置組成框圖。圖3 :附著物識別裝置組成框圖。圖4 :吸塵環節工作流程圖。圖5 :擦地環節工作流程圖。圖6 :清潔機器人整體示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖并以一智能清潔機器人為例對本發明的技術方案進行詳細說明。圖I為臟物識別系統組成框圖，圖2為灰塵識別裝置組成框圖，圖3為附著物識別裝置組成框圖。結合圖1，圖2，圖3，本發明臟物識別系統包括灰塵識別裝置，附著物識別
>J-U裝直。在清潔機器人灰塵通道的兩側，分別設有光發射元件和光接收元件，它們構成用于檢測進入灰塵通道灰塵量的灰塵傳感器；在清潔機器人的底部均勻分布所測范圍對應的 LED面光源，底部中心位置設有廣角CCD攝像頭。構成附著物識別模塊的圖像采集模塊。根據實際情況，室內地面大致分為地板磚，地板，短毛地毯(長毛地毯不適合使用清潔機器人)。如何判定地面 的材質，本專利不作介紹。地面上常有的臟物包括灰塵顆粒以及附著在地面上的粘稠物。清潔機器人清潔地面的方式包括吸塵和擦地。其中吸塵用于清潔灰塵等顆粒相當于人類所進行的掃地，擦地用于清潔附著物相當于人類所進行的拖地。 對于地毯的清潔只采用吸塵，對地板和地板磚的清潔采用先吸塵后擦地。根絕地面臟物的分類，地面的臟物識別包括灰塵識別和附著物識別?；覊m識別采用灰塵識別裝置即灰塵傳感器，如圖2，灰塵傳感器的工作原理是通過紅外感應來實現對灰塵的感應和識別，通常是在機器人內部的灰塵通道兩側設置一對光信號元件，一個用來發射紅外線，另一個用來感應紅外線，構成一對灰塵傳感器。當灰塵通道有灰塵進入時，兩光信號元件之間的紅外感應受到干擾減弱?；覊m越多，感應元件接收到的紅外信號越弱，因此機器人通過紅外感應信號的強弱就可以判斷清掃區域灰塵量的多少。對于地板磚和地板，吸塵后擦地，需檢測附著物量。附著物識別采用附著物識別裝置，如圖3，包括圖像采集模塊和圖像處理模塊。圖像處理模塊包括圖像差分單元、計算單元和比較單元。圖像采集模塊用于采集清潔機器人待工作表面的圖像信息，由于待工作表面被機器人覆蓋，光線很弱，安裝在機器人底部的 LED照在待工作表面上，提供光線，再對表面進行拍攝。將得到的圖像發送給圖像處理模塊。 首先圖像處理模塊的圖像差分單元將兩幅圖像相減，然后交給計算單元對所得差分圖像取絕對值再求均值，最后傳到比較單元，比較平均值與閾值的大小。以下結合圖4，圖5，圖6詳細說明具有臟物主動識別功能的清潔機器人在工作時如何實現臟物的主動識別及其工作流程。為表達更為清楚，現針對本實例結合附圖進行總體闡述，具體舉例如下
步驟1，清潔機器人在所覆蓋表面工作，控制單元驅動清潔單元的吸塵模塊工作，同時灰塵傳感器對灰塵等臟物進行實時檢測，將實際檢測的灰塵量發送給控制單元，如果灰塵傳感器所檢測到的灰塵量在某一個設定時間段內，一直小于預先設定的閾值al，說明該工作表面灰塵已足夠少，執行下一狀態，控制單元同時向灰塵傳感器和清潔單元的吸塵模塊發送停止命令，使灰塵傳感器和吸塵模塊停止工作，進入步驟2。如果灰塵傳感器所檢測到的灰塵量在某一個設定時間段內，一直大于預先設定的閾值a2 (a2>al)，控制單元向清潔單元的吸塵模塊發送增大功率命令，吸塵模塊將功率提高到原來的n倍，直到灰塵量在某一設定時間段內，一直小于閾值al,說明該工作表面灰塵已足夠少,控制單兀同時向灰塵傳感器和清潔單元的吸塵模塊發送停止命令，使灰塵傳感器和吸塵模塊停止工作，進入步驟2， 否則一直以功率n*P吸塵直到計數器i大于閾值z，說明機器出現異?；蛟搮^域異常，控制單元同時向灰塵傳感器和清潔單元的吸塵模塊發送停止命令，使灰塵傳感器和吸塵模塊停止工作，進入步驟2。步驟2，吸塵環節結束，進入擦地環節?？刂茊卧刂崎_啟清潔機器人圖像采集模塊中的LED照明燈，并使用圖像采集模塊中的攝像機對待測表面拍照，得到清潔機器人所覆蓋待清潔表面的圖像，并將圖像儲存在單元m中，同時關閉LED照明燈。步驟3，控制單元向清潔單元發出控制信號，驅動清潔單元的擦地模塊擦拭地面I 秒鐘。步驟4，控制單元控制開啟清潔機器人圖像采集模塊中的LED照明燈，并使用圖像采集模塊中的攝像機對待測表面拍照，得到清潔機器人所覆蓋表面的圖像，并將圖像儲存在單元n中，同時關閉LED照明燈。步驟5，將單元m，單元n對應的兩幅圖像相減取絕對值，再對其求取均值，如果均值大于b，認為該地面沒有清潔干凈，將單元n中的圖像覆蓋到單元m中，跳到步驟3 ;如果均值小于b，則認為上一環節的擦地操作沒有擦掉附著物即地面已經干凈或地面上的附著物為不可擦拭附著物，此區域的清潔結束，控制單元向清潔單元的擦地模塊發出終止信號， 并且驅動行走單元走到下一個臨近的未清潔區域，繼續從步驟I開始。在本實施例中，圖像處理模塊是控制單元的一部分，在具體實施時，可以采用控制單元中的硬件和內部控制程序來完成，也可以采用一套獨立的硬件和控制程序來完成，此時應與機器人中的控制單元中的其他控制部分配合工作，以此完成機器人的清潔工作。用戶在使用過程中可以選取灰塵傳感器的閾值al，a2 (al〈a2)，附著物圖像矩陣的均值閾值b，擦地間隔1，吸塵功率d及擦地功率e等。所選取的方式可以通過對幾個選項進行選取，也可以由用戶在一定的取值范圍內隨意選取；可通過按鍵來進行設定，也可以采用旋鈕，觸摸屏或是有線、無線遙控裝置來進行設定。
對于灰塵識別裝置，同樣也可以通過一個設定單元，對其標準灰塵量的數值進行選取。所選取的方式可以由用戶在幾個可選項中進行選取，或是由用戶在一定的取值范圍內隨機選取。如果所選取的標準灰塵量數值較小，則意味著灰塵傳感器較靈敏，容易探測到灰塵等臟物；如果所選取的標準灰塵量數值較大，則意味著灰塵傳感器較遲鈍，不易探測到灰塵等臟物。對于附著物識別裝置，同樣也可以通過一個設定單元，對步驟3的擦地時間進行選擇，如果間隔較小，則對不同位置地面的清潔時間會根據地面實際干凈程度，靈活變動； 如果間隔較大，則對每處地面擦拭時間較多，只對附著物很多的地方進行二次擦地操作。同時，可以對清潔前后差分圖像的像素絕對平均值的閾值b進行設定。如果閾值b較小，則意味著附著物識別裝置對附著物敏感，更容易檢測到附著物；如果閾值b較大，則意味著附著物識別裝置對附著物較遲鈍，不易檢測到附著物。可以設置吸塵功率，吸塵功率越大吸塵所用的時間越少，同時也可以設置擦地功率。上述具有主動識別臟物的識別裝置和清潔方法可以應用在各種移動機器人上，根據移動機器人內置功能單元的不同，可以為除塵機器人或智能清掃機等所使用。最后應說明的是以上實施例僅用以說明本發明而非限制，盡管參照較佳實施例對本文進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下對本發明進行的修改或者等同替換，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。
權利要求
1.一種清潔機器人的臟物識別系統，其特征在于包括灰塵識別裝置及附著物識別裝置，其中所述灰塵識別裝置是一個灰塵傳感器，位于清潔機器人灰塵通道的兩側，包括一個光發射元件和一個光接收元件；光發射元件用來發射紅外線，光接收元件用來感應紅外線； 灰塵傳感器接收到的實際信號經模擬/數字轉換，再將經過交流變化量放大，得到單位時間內吸入的灰塵量；所述附著物識別裝置包括圖像采集模塊和圖像處理模塊；所述圖像采集模塊用于采集清潔機器人待工作表面的圖像信息，圖像采集模塊包括光源及攝像頭；所述光源采用LED 面光源，均勻分布在所測范圍對應的機器人底部，以確保所測范圍地面得到均勻的光線，使各點的特征都能映入攝像機；所述攝像頭采用廣角CCD攝像頭，設置于機器人底部中心位置，在鏡頭離地面較近的情況下仍能夠保證較大的可視范圍；所述圖像處理模塊包括圖像差分單元、計算單元和比較單元，用于處理圖像采集模塊采集到的圖像信息；首先圖像差分單元將此次擦地前后采集到的兩幅圖像進行差分處理，得到的差分圖像為擦拭掉附著物的近似圖像，然后交給計算單元取差分矩陣的絕對值，再求其平均值，最后傳到比較單元， 比較平均值與預先設定閾值的大小，以確定待清潔區域是否需要再次清潔。
2.一種清潔機器人的清潔方法，其特征在于包括吸塵環節及擦地環節；對于地板及地板磚，先進行吸塵，吸塵結束后再擦地；對于短毛地毯只進行吸塵；而吸塵的強度及時間由地面的實際灰塵量決定，吸塵過程中實時檢測灰塵傳感器，如果在一段時間內持續小于某一閾值說明地面的灰塵已經清潔干凈，進入擦地環節，否則繼續吸塵；擦地的次數由地面的實際附著物量決定，每次擦地的時間人為設定；在每次擦地前后，采集清潔表面的圖像，再對圖像進行差分處理，得到擦拭掉附著物的近似圖像，如果近似圖像的像素平均值小于某一閾值說明地面的附著物已經清潔干凈或地面上的附著物為不可擦拭附著物，本輪清潔結束，進入下一區域，否則繼續擦地一次，每處地面的擦地時間=擦地次數X擦地間隔。
全文摘要
本發明屬于清潔機器人技術領域，具體涉及一種清潔機器人臟物識別系統及清潔方法。所述臟物識別系統即檢測單元包括灰塵識別裝置及附著物識別裝置。所述灰塵識別裝置即灰塵傳感器包括光發射元件，光接收元件。所述臟物識別裝置包括圖像采集單元及圖像處理單元。清潔方法包括吸塵及擦地，吸塵時間及功率由實時檢測到的灰塵量決定，擦地次數由地面附著物量決定。該系統具有主動識別臟物能力，并且可根據臟物量實時調節清潔力度及清潔時間，從而在保證清潔質量的前提下，對地面實現高效地清潔。
文檔編號A47L11/40GK102613944SQ201210083690
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者楊絮, 賈思強, 陸起涌, 高翔 申請人:復旦大學