TWI423779B

TWI423779B - 清潔機器人及其控制方法

Info

Publication number: TWI423779B
Application number: TW100103303A
Authority: TW
Inventors: Yung Shen Lee; Shui Shi Chen
Original assignee: Micro Star Int Co Ltd
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2014-01-21
Also published as: CN102613947A; TW201231000A; US20120197437A1; CN102613947B; US8442683B2

Description

清潔機器人及其控制方法

本發明係有關於一種清潔機器人，特別是有關於一種根據牆面輪廓變化而改變行走路徑的清潔機器人。

隨著科技的進步，電子產品的種類愈來愈多，其中清潔機器人(robot)就是其中一種。為了達到清潔的功能，清潔機器人在開始打掃前，可先沿牆行走，並記錄行走路徑，然後，清潔機器人再根據所記錄的資料，開始進行打掃工作。

第1圖為習知清潔機器人沿牆行走的一可能路徑。如圖所示，在清潔機器人110沿牆的過程中，牆面可能具有一凹陷區域100。當凹陷區域100的寬度小於清潔機器人110的寬度時，清潔機器人110將無法進入凹陷區域100。然而，清潔機器人110會一直嘗試進入凹陷區域100。因此，降低清潔效率。

另外，清潔機器人的基地台(dock)一般置於牆角。當清潔機器人電量不足時，其可沿牆行走，回到基地台進行充電動作。然而，當牆面具有許多凹陷區域時，清潔機器人可能會進入每個凹陷區域，因此造成清潔機器人無法即時回到基地台充電。

本發明提供一種清潔機器人，包括一滾輪單元、一感知單元、一第一控制單元以及一第二控制單元。滾輪單元具有複數滾輪。感知單元接收一反射信號，並根據反射信號，產生一偵測信號。當偵測信號小於等於一參考信號時，第一控制單元根據偵測信號，控制滾輪的轉動方向，使得清潔機器人與牆面之間的距離等於一第一距離。當偵測信號大於該參考信號時，第二控制單元根據偵測信號，控制滾輪的轉動方向，使得清潔機器人與牆面之間的距離等於一第二距離。第二距離大於第一距離。

本發明另提供一種控制方法，用以控制一清潔機器人。清潔機器人具有一第一控制單元以及一第二控制單元。第一及第二控制單元用以控制清潔機器人的行走路徑.本發明之控制方法包括，令清潔機器人接收一反射信號；根據反射信號，產生一偵測信號；當偵測信號小於等於一參考信號時，選用該第一控制單元，使清潔機器人與一牆面之間的距離等於一第一距離；當偵測信號大於參考信號時，選用第二控制單元，使清潔機器人與牆面之間的距離等於一第二距離，其中第二距離大於第一距離。

為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第2圖為本發明之清潔機器人之一可能內部示意圖。如圖所示，清潔機器人200包括，感知單元210、控制單元221、222以及滾輪單元230。滾輪單元230具有複數滾輪。藉由該等滾輪的轉動，便可使清潔機器人200自行移動至任何地方。

感知單元210接收一反射信號S_REX ，並根據反射信號S_REX ，產生一偵測信號S_DET 。本發明並不限定感知單元210的種類。在一可能實施例中，感知單元210具有一超音波接收器，用以接收超音波信號(如反射信號S_REX )。

控制單元221及222根據偵測信號S_DET ，控制滾輪單元230，用以調整清潔機器人200與一牆面之間的距離。在本實施例中，控制單元221及222對於偵測信號S_DET 的反應速度不同。

舉例而言，當清潔機器人200與一牆面之間的距離在一參考距離內時，控制單元221立即根據偵測信號S_DET ，控制滾輪單元230。由於控制單元221對於牆面的反應速度較高，故可避免清潔機器人200撞上牆面。

相反地，當清潔機器人200與一牆面之間的距離較遠時，控制單元222不立即根據偵測信號S_DET ，控制滾輪單元230。因此，由於控制單元222對於牆面的反應速度較慢，故可平滑化清潔機器人200的行走路徑，並可避免清潔機器人200一直往狹縫裡鑽，進而提高行走效率。

第3A圖為本發明之清潔機器人之一可能行走路徑。如圖所示，當牆面310不具有凹陷區域時，清潔機器人200與牆面310之間的距離便會小於一參考距離。因此，偵測信號S_DET 將小於等於一參考信號S_REF 。當偵測信號S_DET 小於等於參考信號S_REF 時，控制單元221便立即根據偵測信號S_DET ，控制滾輪單元230，使得清潔機器人200與牆面310之間的距離等於一第一距離D₁ 。

當偵測信號S_DET 大於參考信號S_REF 時，表示牆面310具有凹陷區域，如區域320。因此，改由控制單元222根據偵測信號S_DET ，控制滾輪單元230，使得清潔機器人200與牆面310之間的距離等於距離D₂ 。在本實施例中，距離D₂ 大於距離D₁ 。

在本實施例中，控制單元222會使清潔機器人200對於牆面變化的反應較慢。本發明並不限定控制單元222係如何控制清潔機器人200。在一可能實施例中，控制單元222鈍化偵測信號S_DET ，並根據鈍化後的結果，控制滾輪單元230，使得滾輪轉動的方向不會有太大的變化。在其它實施例中，控制單元222係延遲處理偵測信號S_DET ，並根據延遲結果，控制滾輪單元230的滾輪轉動方向。

本發明並不限定控制單元222的構成電路。在一可能實施例中，控制單元222具有一比例-積分-微分控制器(PID controller)、一相位落後控制器(Phase lag controller)、一模糊控制器(Fuzzy controller)或是一學習控制器(Learning controller)。

另外，在其它可能實施例中，控制單元222具有一濾波器。濾波器濾除偵測信號S_DET 的高頻成分，用以忽略清潔機器人200與牆面310之間的距離變化。在本實施例中，濾波器的截止頻率(cutoff frequency)與清潔機器人200的寬度有關。

舉例而言，假設清潔機器人沿牆行走的速度為200mm/s，並且清潔機器人的寬度為320mm。若不希望清潔機器人鑽進寬度為320mm以下的凹陷區域時，則可將濾波器的截止頻率(fc)設定成0.625Hz(fc=v/d=200/320)。

本發明並不限定濾波器的種類。在一可能實施例中，濾波器可為一無限脈衝響應濾波器(infinite impulse response filter；IIR filter)、一有限脈衝響應濾波器(finite impulse response filter；FIR filter)、一卡爾曼濾波器(Kalman Filter)或是一粒子濾波器(particle filter)。

當清潔機器人200離開區域320時，偵測信號S_DET 將小於等於參考信號S_REF ，故改由控制單元221控制滾輪單元230。

第3B圖為本發明之清潔機器人之一可能行走路徑。當清潔機器人200沿牆面330的第一部分331及第二部分332行走時，偵測信號S_DET 將小於等於參考信號S_REF ，故由控制單元221控制滾輪單元230。此時，清潔機器人200與牆面330之間的距離為D₁ 。

當清潔機器人200沿牆面330的第三部分333行走時，由於第三部分333係為一凹陷區域340，故偵測信號S_DET 將大於參考信號S_REF 。因此，改由控制單元222控制滾輪單元230。在本實施例中，凹陷區域340的寬度大於清潔機器人200的寬度，因此，清潔機器人200會進入凹陷區域340。但是，在凹陷區域340中，清潔機器人200與牆面330的第三部分333之間的距離先等於距離D₂ ，然後再等於距離D₃ 。在一可能實施例中，距離D₃ 等於距離D₁ 。在其它實施例中，距離D₃ 大於距離D₁ ，但小於距離D₂ 。

當清潔機器人200進入第四部分334時，偵測信號S_DET 將小於等於參考信號S_REF ，故由控制單元221控制滾輪單元230。此時，清潔機器人200與牆面330之間的距離為D₁ 。

第4A圖為本發明之控制單元210之一可能實施例。如圖所示，控制單元210包括一差異判斷單元410以及一控制器430。差異判斷單元410判斷偵測信號S_DET 與參考信號S_REF 之間的差異Err。控制器430根據差異結果Err，控制滾輪單元230。本發明並不限定控制器430的種類。舉例而言，控制器430可為PID控制器、一相位領先控制器(Phase lead controller)、或是一學習控制器。

第4B圖為本發明之控制單元220之一可能實施例。如圖所示，控制單元220包括一濾波器420、一差異判斷單元440以及一控制器460。濾波器420處理偵測信號S_DET 。在一可能實施例中，濾波器420係為一低通濾波器，用以濾除偵測信號S_DET 的高頻成分。

差異判斷單元440判斷參考信號S_REF 與濾波器420的處理結果之間的差異Err。控制器460根據差異結果Err，控制滾輪單元230。在本實施例中，控制器460係為一相位落後控制器，用以延遲控制滾輪單元230。

在其它實施例中，可省略濾波器420。當濾波器420被省略時，差異判斷單元440直接判斷參考信號S_REF 與偵測信號S_DET 之間的差異。控制器460再對差異判斷單元440的判斷結果進行鈍化處理，使得滾輪的轉動方向不會有太大的變化。

第5圖為本發明之控制方法之一可能流程圖。本發明之控制方法係用以控制一清潔機器人的行走路徑。首先，令清潔機器人沿牆行走，並令清潔機器人接收一反射信號(步驟S510)。本發明並不限定反射信號的種類。在一可能實施例中，反射信號係為一超音波信號。

判斷清潔機器人與一牆面之間的距離是否大於一參考距離(步驟S520)。在本實施例中，藉由反射信號，便可得知清潔機器人與一牆面之間的距離是否大於一參考距離。舉例而言，可先將反射信號轉換成一偵測信號，然後再判斷偵測信號是否大於一參考信號。

當偵測信號小於等於參考信號時，表示清潔機器人與一牆面之間的距離並未大於一參考距離，故令清潔機器人內的一第一控制單元，控制清潔機器人的移動方向，使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第一距離(步驟S530)。

本發明並不限定如何使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第一距離。在本實施例中，當偵測信號小於等於參考信號時，選用一相位領先控制器處理偵測信號(步驟S531)。在其它實施例中，可使用其它控制器處理偵測信號。接著，對偵測信號進行運算(步驟S532)，然後再根據運算結果，下達控制命令(步驟S533)，用以使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第一距離。

然而，當偵測信號大於參考信號時，表示清潔機器人與一牆面之間的距離大於一參考距離，故令清潔機器人內的一第二控制單元，控制清潔機器人的移動方向，使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第二距離(步驟S540)。在本實施例中，第二距離大於第一距離。

同樣地，本發明亦不限定如何使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第二距離。在一可能實施例中，當偵測信號大於參考信號時，選用一相位落後控制器處理偵測信號(步驟S541)。同樣地，在其它實施例中，亦可使用其它控制器。

在本實施例中，係對偵測信號進行濾波處理(步驟S542)。在其它實施例中，可對偵測信號進行延遲處理。然後，再令相位落後控制器對處理後的結果進行運算(步驟S543)，並根據運算結果，下達控制命令(步驟S544)，用以使清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第二距離。

由於清潔機器人會根據本身與牆面之間的距離，適當地調整本身的行走路徑，故可保持行走路徑的平滑。舉例而言，當清潔機器人與牆面之間的距離小於一參考距離時，選用一第一控制單元，控制清潔機器人，使其與牆面保持一較小距離。當清潔機器人與牆面之間的距離大於一參考距離時，選用一第二控制器，使清潔機器人與牆面保持一較大距離。由於清潔機器人的行走路徑不會有太大的變化，故可增加行走效率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110、200．．．清潔機器人

100、320、340．．．凹陷區域

210．．．感知單元

221、222．．．控制單元

230．．．滾輪單元

310、330．．．牆面

331~334．．．部分

410、440．．．差異判斷單元

430、460．．．控制器

420．．．濾波器

第1圖為習知清潔機器人沿牆行走的路徑。

第2圖為本發明之清潔機器人之一可能內部示意圖。

第3A及3B圖為本發明之清潔機器人之可能行走路徑。

第4A圖為本發明之控制單元210之一可能實施例。

第4B圖為本發明之控制單元220之一可能實施例。

第5圖為本發明之控制方法之一可能流程圖。

200．．．清潔機器人

210．．．感知單元

221、222．．．控制單元

230．．．滾輪單元

Claims

一種清潔機器人，包括：一滾輪單元，具有複數滾輪；一感知單元，接收一反射信號，並根據該反射信號，產生一偵測信號；一第一控制單元，當該偵測信號小於等於一參考信號時，該第一控制單元根據該偵測信號，控制該等滾輪的轉動方向，使得該清潔機器人與一牆面之間的距離等於一第一距離；以及一第二控制單元，當該偵測信號大於該參考信號時，該第二控制單元根據該偵測信號，控制該等滾輪的轉動方向，使得該清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
如申請專利範圍第1項所述之清潔機器人，其中該反射信號係為一超音波信號。
如申請專利範圍第1項所述之清潔機器人，其中該第二控制單元延遲該偵測信號，並根據延遲結果，控制該等滾輪。
如申請專利範圍第1項所述之清潔機器人，其中該第一控制單元包括一相位領先控制器，該第二控制單元包括一相位落後控制器。
如申請專利範圍第4項所述之清潔機器人，其中該第二控制單元更包括一濾波器，當該偵測信號大於該參考信號時，該濾波器處理該偵測信號，該相位落後控制器根據處理後的偵測信號，控制該等滾輪的轉動方向。
如申請專利範圍第5項所述之清潔機器人，其中該濾波器的截止頻率與該清潔機器人的寬度有關。
如申請專利範圍第5項所述之清潔機器人，其中該濾波器係為一無限脈衝響應濾波器(infinite impulse response filter；IIR filter)、一有限脈衝響應濾波器(finite impulse response filter；FIR filter)、一卡爾曼濾波器(Kalman Filter)或是一粒子濾波器(particle filter)。
如申請專利範圍第1項所述之清潔機器人，其中該第二控制單元具有一比例-積分-微分控制器(PID controller)、一模糊控制器(Fuzzy controller)或是一學習控制器(Learning controller)。
一種控制方法，用以控制一清潔機器人，該清潔機器人具有一第一控制單元以及一第二控制單元，該第一及第二控制單元用以控制該清潔機器人的行走路徑，包括：令該清潔機器人接收一反射信號；根據該反射信號，產生一偵測信號；當該偵測信號小於等於一參考信號時，選用該第一控制單元，使該清潔機器人與一牆面之間的距離等於一第一距離；以及當該偵測信號大於該參考信號時，選用該第二控制單元，使該清潔機器人與該牆面之間的距離等於一第二距離，該第二距離大於該第一距離。
如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中當該第二控制單元被選用時，該第二控制單元延遲該偵測信號，並根據延遲結果，使該清潔機器人與該牆面之間的距離等於該第二距離。
如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中當該第二控制單元被選用時，該第二控制單元對該偵測信號進行濾波。