智能吸尘器传感器布局及其避障策略研究

智能吸尘器传感器布局及其避障策略研究

【摘要】智能吸尘器能够在陌生复杂环境中完成全方位无死角清扫，完全依赖于多种传感器合理布局的相互配合。本文介绍了几种由简单到复杂的布局方案及其对应避障行走策略。

【关键词】吸尘器;智能;传感器;避障

Abstract：intelligent cleaner can in a strange environment to complete the complex full range and no dead corner cleaning，cooperate fully dependent on the rational distribution of a plurality of sensor.This paper introduces several by the layout scheme of simple to complex and its corresponding avoidance running strategy.

Keywords：cleane;intelligent;sensor;obstacle avoidance

1.引言

智能吸尘器是一种无需人为干预即可完成对所处环境的侦测并完成预定清扫任务的全智能家用电器，由于其优良的工作性能儿获得了广大消费者的青睐和关注，但目前的智能吸尘器仍存在诸如覆盖率不高、避障能力有限、价格持续居高不下等亟待完善解决的问题，针对该问题下文提出了几种可供参考的设计方案。

2.智能吸尘器的总体设计方案

智能吸尘器自启动后，传感器采集到的相关数据交由微处理器MCU进行综合分析判断，再根据分析结果驱动两电机，完成吸尘器自身姿态的校正任务。本文由于采用了多种不同类型的传感器，所占用的单片机片上资源也各不相同，为了很好的完成不同方案下的任务，我们采用了STC89C52和MC9S12两种单片机;吸尘器的机身采用了两驱一辅的圆盘设计，这样的设计可以很好的保障机器行走的灵活性，减小自身的摩擦阻力;吸尘器的外盒及其支撑材料均由铝合金和ABS工程塑料构成，可大大降低机器的重量;内置了陀螺仪、超声波传感器、红外传感器、接近开关、电子罗盘等模块，可用于采集机器的各种运行参数，及时的修正自身的运动轨迹，充分保障系统运行的安全性和稳定性。图1是对智能吸尘器设计的简单逻辑描述。

图1 智能吸尘器整体布局

3.传感器设计方案

3.1 红外传感器

红外传感系统是用红外线为信息传播介质的测量感知系统，采用发射固定波

长的红外线并接收同一波长的回波信号。常见传感器有红外对管等。有点：原理构造简单，探测角度小，方向性强，灵敏度较高;缺点：容易受到光照强度、灰尘、雾霾等因素影响，所以，综合上述优缺点分析，其单独使用往往不能很好的满足我们的控制精度。

3.2 超声波探测传感器

超声波是一种震动频率高于常见声波的机械波，其声波范围大于16KHZ以上。超声波传感器通常有压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、金属网格组成，换能网片在电压的激励下发生机械振动产生超声波。超声波传感器要比红外传感器拥有交由的环境适应性，在各种恶略环境中，依然可以免受影响，顺利完成数据采集任务。与红外传感器搭配使用则可以较好地解决常见避障问题。其优点可总结为：穿透能力强，灵敏系数高，可对障碍物进行测距处理;缺点依然是红外类似，无法较好辨别障碍物的物理特性。

测距工作就是依据其良好的方向性和单向反射性来完成的，从由单片机控制发出声波开始计时，波形遇到障碍后反射被传感器的接收装置所接收，停止计时，计时时间为T1，由声波在空气中传播速度公式即可把距离计算出来，具体计算公式为D=340T/2=KT（K值由于常常受到电子电路、晶振频率和单片机相应速度的影响而常常在165-175之间变动，具体实际数据需要实验测得）。

3.3 接触开关

接触开关是一种静态被动式传感器，当物体接近接触开关的动作距离时，不需要发生接触式的机械形变就可以使装置可靠动作，从而为单片机提供一个的稳定的数字量。将接触开关安置在车体的适当位置即可大体采集到周围环境障碍物的大小尺寸，选择出一条最优的避障路径。

3.4 陀螺仪

陀螺仪简单来说就是一个可以精确控制装置的运动角度的电子器件，一个旋转物体的旋转轴所指的方向不受外力影响，不会发生改变，利用陀螺仪这一特性就可以精准控制吸尘器的运动轨迹。

3.5 电子罗盘

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器、和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿。

4.传感器布局探索与避障算法

4.1 沿边行走算法

将超声波传感器至于车体右侧中央位置，控制超声波传感器的测量值，比较

测量值与设定值，当设定值与测量值不一致产生偏差时，微处理器做出相应的判断处理，并变成测试其靠右贴墙行走效果。由实验效果得出当PWM值输出较小时，可保持直行一段距离后迅速偏离原先运动轨迹。

为了更好的解决上述问题，我们大胆提出了增加红外辅助传感器和改进调用超声波返回的测量值的具体算法的两种改进措施。

图2 沿边算法示意图

该方案采用了三支红外传感器的设计，安装前调整红外传感器的灵敏距离，将2、3调整到同一灵敏距离，单纯的沿边仅有2，3传感器即可实现，而传感器1则是为了保持一个适当的墙距，保障车体和障碍物的安全距离，以减轻重复碰撞对车体和障碍物的损伤程度。

通过对传感器采集到的不同信号来调整车体的运动姿态。如若传感器2采集信号由无障碍的高电平“1”变为低电平“0”时，此时前部右倾，单片机控制电机驱动部分，及时向左调整机身姿态，从而保持靠墙前行;同理车体后部左倾;在缺少红外1传感器的情况下，由于车体惯性，在调姿过程中不断的与障碍物发生碰撞，故在车体右侧中央位置安装红外1传感器，传感器1的灵敏具体设置为1-2cm，常态设置为无障碍，当车体距离障碍物过近时，单片机可以及时做出向左调整处理。