[发明专利]一种实现未知环境地图构建与路径规划的扫地机器人及其使用方法

权利要求书

1.实现未知环境地图构建与路径规划的扫地机器人使用方法，其特征在于，

所述扫地机器人包括：

第一获取模块，用以通过扫地机器人的红外传感器获取环境数据与当前的位置坐标信息，生成二维动态矩阵地图；

第二获取模块，用以通过扫地机器人的红外传感器获取扫地机器人与障碍之间的距离数据以及扫地机器人原地转弯角度；

运动控制模块，用以根据设定的运动方向优先级，控制扫地机器人完成牛耕式运动；

判断模块，用以判断扫地机器人是否进入死点，是否完成全覆盖探测，及回溯路径的选择；

路径规划模块，用以扫地机器人的路径规划；

所述第一获取模块包括：

第一获取单元，用以获取扫地机器人东、西、南、北四个方向上的红外传感器的距离数据；

第二获取单元，用以获取扫地机器人在当前二维动态矩阵地图中，实时移动的位置坐标信息；

判定单元，用以根据当前位置坐标信息与红外传感器获取的距离数据之间的数学关系，判定二维动态矩阵地图是否应当扩展；

建立单元，用以根据二维动态矩阵地图中的云点信息，建立最终地图模型；

标记单元，用以标记二维动态矩阵地图中可能存在的回溯点；

所述第二获取模块包括：

获取单元,用以根据红外传感器获取到的扫地机器人与障碍之间的距离数据，一旦判定距离小于半个扫地机器人的半径，发出停止信号给所述运动控制模块；

旋转单元，用以控制扫地机器人原地旋转90度，并进入下一行清扫；

所述判断模块包括：

存储单元,用以存储所述建立单元得到的最终地图模型，并且将所述最终地图模型的信息发送发给第一判断单元；

所述第一判断单元,用以判断当前二维动态矩阵地图中是否存在回溯点，若当前二维动态矩阵地图中存在回溯点，则将回溯点信息发送给第二判断单元；

所述第二判断单元，用以根据所述回溯点信息，判断当前二维动态矩阵地图中是否存在未清扫点，若当前二维动态矩阵地图中存在未清扫点，则将未清扫点信息发送给规划单元；

所述规划单元，用以根据所述未清扫点信息，选择距离当前位置欧式距离最小的点进行回溯；

所述路径规划模块包括：

检测单元，用以检测已走路径与障碍是否构成封闭区域；

规划单元，用以根据所述检测单元得到的检测结果，规划扫地机器人沿封闭区域边界循迹至封闭区域底端，再从所述底端按牛耕式清扫方式扫出区域；

所述使用方法包括如下步骤：

步骤S1、建立二维动态矩阵地图；

步骤S101、所述扫地机器人接收传感器获取的环境数据，得到在东、西、南、北四个方向上，扫地机器人与障碍之间的距离，所述距离依次为:E_y、W_y、S_x、N_x；

步骤S102、以初始矩阵的西北角为坐标原点，设X为所述二维动态矩阵地图的宽度，设Y为所述二维动态矩阵地图的长度，定义正东方向为Y轴正方向，正南方向为X轴正方向；

步骤S103、以所述扫地机器人的直径为单位对所述二维动态矩阵地图进行单元格划分，将所述二维动态矩阵地图划分成若干单元格，记录所述扫地机器人在当前二维动态矩阵地图中的坐标，坐标记为(y，x)，所述扫地机器人每移动一格，对坐标更新一次；

所述X和所述Y的表达式为：

X＝N_x+S_x-1 (1)

Y＝E_y+W_y-1 (2)

公式(1)和公式(2)中，变量E_y、W_y、S_x、N_x分别表示：在东、西、南、北四个方向上，扫地机器人与障碍之间的距离；

步骤S2、记录所述二维动态矩阵地图的参数；

所述扫地机器人在工作区域以牛耕式运动轨迹交替往复清扫，运动方向优先级为:东西北南，每当清扫过程中遇见障碍，机器人根据运动方向优先级，原地转90度转向下一个优先级方向进行运动；

在运动的过程中，记录当前所在行每一个传感器探测到的N_x、S_x的数值并且生成line列表；

所述扫地机器人清扫过多少行即生成相应个数的line列表，并把每一个line列表中N_x、S_x的最大值分别记为N_xmax、S_xmax；

步骤S3、扩展所述二维动态矩阵地图的宽度和长度；

扩展所述二维动态矩阵地图的宽度，具体为：

所述扫地机器人在工作区域以牛耕式运动轨迹交替往复清扫，一旦监测到E_y＝0或W_y＝0时；

从当前扫地机器人所在行的line列表中提取N_xmax、S_xmax，设所述扫地机器人的当前行为第n行；

若第n行line列表中的N_xmax＞x，x为所述扫地机器人在第n行时纵坐标的值，则在所述扫地机器人进入下一行也即是n+1行后，在原始二维动态矩阵地图的基础之上，向北扩展T₁个单位，生成一个新的二维动态矩阵地图，所述T₁的表达式为：

T₁＝N_xmax-X (3)

在公式(3)中，N_xmax表示为在第n行line列表中，所述扫地机器人北方向上，与障碍的最大距离，X为原始二维动态矩阵地图的宽度；

所述扫地机器人的坐标随即发生相应变化；

若第n行line列表中的S_xmax＞(X- x)，则所述扫地机器人进入下一行也即是n+1行后，在原始二维动态矩阵地图的基础之上，向南扩展个T₂个单位，生成一个新的二维动态矩阵地图，所述T₂的表达式为：

T₂＝S_xmax-(X-x) (4)

公式(4)中，S_xmax表示为在第n行line列表中，所述扫地机器人南方向上，与障碍的最大距离，X为原始二维动态矩阵地图的宽度，x为所述扫地机器人在第n行时纵坐标的值；

所述扫地机器人的坐标随即发生相应变化；

扩展所述二维动态矩阵地图的长度，具体为：

所述扫地机器人在工作区域以牛耕式运动轨迹交替往复清扫，一旦监测到E_y＝0或W_y＝0时，所述扫地机器人随即转向进入下一行也即是n+1行进行清扫，并且获取n+1行的位置数据和

若则在所述扫地机器人进入n+1行后，在原始二维动态矩阵地图的基础之上，向西扩展T₃个单位，生成一个新的二维动态矩阵地图，所述T₃的表达式为：

公式(5)中，表示为，在第n+1行line列表中，所述扫地机器人在西方向上，与障碍的最大距离，y表示为所述扫地机器人在第n+1行时纵坐标的值；

所述扫地机器人的坐标随即发生相应变化；

若则在所述扫地机器人进入n+1行后，在原始二维动态矩阵地图的基础之上，向东扩展T₄个单位，生成一个新的二维动态矩阵地图，所述T₄的表达式为：

公式(6)中，表示为，在第n+1行line列表中，所述扫地机器人在东方向上，与障碍的最大距离，Y表示为原始二维动态矩阵地图的长度，y表示为所述扫地机器人在第n+1行时纵坐标的值；

所述扫地机器人的坐标随即发生相应变化；

步骤S4、回溯

当所述扫地机器人按基础运动机制运到至死点位置时，从回溯点列表中选取最近回溯点回溯，返回步骤S1执行操作命令，若回溯点列表中回溯点个数为0且当前二维动态矩阵地图中不存在未被遍历的栅格，则表示工作区域全覆盖采集，最终地图模型构建完成，结束循环；

所述扫地机器人在清扫的同时检测已走路径是否与障碍物构成封闭区域，若检测到封闭区域，则设置当前所在位置为起始点，封闭区域的底端点为终点；

沿封闭区域的边界循迹至封闭区域的终点，到达封闭区域的终点后，再从该点出发按牛耕式遍历轨迹清扫返回至封闭区域的起始点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种实现未知环境地图构建与路径规划的扫地机器人的使用方法，其特征在于，在所述步骤S4中，采用标记回溯法设置回溯点。