扫地机器人的设计方案

扫地机器人（自动打扫机）的设计方案

1.绪论

随着现代社会生活节奏的加快，人们或忙于工作，或享受生活，时间越来越宝贵，所以不会把它浪费在整理家务和打扫卫生方面。收入水平的不断提高使得人们对生活质量的要求越来越高，高品质的生活首先要保证居住环境的干净卫生，因此大家渴望找到一种机器人，能够智能的打扫房间卫生。

机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，在短短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓无所不在。目前机器人已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经离不开机器人的帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和系统化，一些信息学、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。

目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上负责排除路边炸弹的侦查机器人、以及通过编译程序使其能做整套表演动作的舞蹈机器人，还有不少参考人、狗、恐龙等动物的模样制造机器人玩具。

扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。一般来说，将完成清扫、吸尘、擦地工作的机器人，也统一归为扫地机器人。扫地机器人也是当下比较流行的一种机器人，随着不断的研究发展智能化大幅度提高，能够自我定位、感应障碍物、规划路径以及自动充电。

2.扫地机器人的技术指标

综合考虑经济型和先进性的原则，参考淘宝网在售产品，我选择了一款扫地机器人以作对比，实物如图2.1所示。该产品采用革命性清扫系统，真空龙卷大吸力（普通机器人的5倍），无毛刷设计，首创滚筒吸取器，将适配器与座充合二为一（简约、美观而且不占空间），零部件高度模块化，可自由拆卸更换，垃圾盒、独立滤网仓方便抽取和清理。

图2.1 扫地机器人实物仰视图

其技术指标如下所示：

适用面积(m2) 150 根据家居环境而定额定电压(v) 220

额定功率(w) 33

最大功率(w) 33

产品重量(kg) 3.8

产品尺寸(mm) 353*92

包装尺寸(mm) 483*546*127

环境类型干用

过滤级别医疗级别

噪音（db) ＜67

集尘容量（L) 0.6

充电类型自动充电

控制方式遥控

充电时间3小时

连续使用时间2小时

自动充电支持

液晶屏有

虚拟墙支持

定时预约定时一次

自救功能支持

静音级别常规

拖地功能不支持

双充模式支持

自动清扫模式支持

灰尘识别感应器支持

延边清扫功能支持

面积调节功能支持

3.扫地机器人的总体方案

3.1定位方案

航迹推算是一种应用广泛的定位方法。该方法无需外部探测器获取信息即可实现对移动机器人位移和方向的测算，并且能够在一定时间内保证很高的定位精度。航迹推算定位技术的关键是测量出移动机器人在一个较短单位时间间隔的运动距离，以及在这段时间内移动机器人航向转过的角度。陀螺仪和加速度传感器是常用的测量角速度和加速度的工具，对加速度和角速度进行二重积分，即可解出机器人移动的距离以及转过的角度，再根据航迹推算的基本算法，与初始位置进行相对计算，求得移动机器人的位坐标，这就是基于惯性器件的航迹推算定位法。这种方法具有自参自测的优点，即无需外部信息即可自己测量自己的运动参数。但是随工作时间的推移，积分运算误差和定时系统时差造成的误差将会逐渐累进。因此惯性传感器不适于长时间的精确定位。

智能扫地机器人的在室内的运动可以近似看做在地平面上的二维运动，机器人的起始位置和所有时刻的位移如果已知，则可以通过起始位置上对每一个时间间隔的位移向量求和就可以计算机器人的位置，即机器人航迹推算定位的基本原理。

针对智能扫地机器人而言，航迹推算是性价比最高的定位方法。无需外向型传感器在造价上迎合了市场，而单次执行打扫任务的持续时间一般不会超过一个小时，累进误差限定在一个可以接受的范围。

本文设计的智能扫地机器人定位系统采用航迹推算方法。与其他方案相比其优势在于以下几点：

定位功能实现不需要借助外部传感器，定位稳定性不引入外界因素；

理论上不存在定位盲区，适合清扫任务的复杂地形；

累进误差是在时间上的累加，清扫任务每次时间不会超过45分钟，误差控制在可以接受的范围内；

节省硬件成本，有利于控制产品价格或者增厚利润。

3.2路径规划方案

机器人路径规划是指根据已知条件和限定条件，规划一条满足任务要求的安

全、有效、可行的路径。具体到智能扫地机器人，已知条件是传感器感知的外界参数，限制条件即室内活动范围，任务要求机器人以低重复率遍历环境中全部非障碍区，满足这种任务要求的路径规划也称全覆盖路径规划。覆盖路径规划不仅在智能扫地机器人领域有所应用，在油漆喷涂、操场除草、路面铺沥青、智能犁地甚至战场排雷、海底探测诸多涉及“全覆盖”概念的军民技术都有重要意义。与路径规划概念相对的还有随机路径行进，即指机器人以随机尝试的方式覆盖空间，当然效率和质量不如规划方法。随机路径和规划路径应用场合区别在于是否对周围环境已知，如果不能建立环境地图，就无法进行规划，就只能采用随机路径。故而环境地图建立也是路径规划的一个必要前提。虽然机器人路径规划已经得到了多领域长时间的关注，但是至今智能扫地机器人仍没有最佳的路径规划方案。这是由于智能扫地机器人的应用环境特点决定的:环境的不确定性，即大部分区域为静态，局部地区为动态。这样要求机器人在规划绕过障碍的前提下，还有自主避障的能力。

目前关于智能扫地机器人的全覆盖规划方法多种多样，各有优劣，主要的方法可以分为:随机覆盖法、单元域分割法、模板匹配法、神经网络法等。

随机覆盖法是目前中低档智能扫地机器采用的主要逻辑。所谓随机覆盖法，并非是指机器人毫无章法的在地板上随机移动，换言之在工程操作中“随机”也是一个难以达到要求，随机覆盖法是指机器人根据简单的移动逻辑，如三角形、五边形轨迹尝试性的覆盖作业区，如果遇到障碍，则执行对应的转向函数。这种方法是一种以时间换空间的低成本策略，如不计时间可以达100%覆盖率。它无需了解整个作业区全貌，也不用依赖过多的传感器，处理器运算量也很小，是一种性价比很高的方案。但是，随机覆盖算法因为策略简单，面对复杂地形经常出现BUG，造成机器人陷入死区，即在某个区域来回打转。

单元域分割法顾名思义，即是将整个作业区根据尺寸和障碍物位置等地形特征分割为若干不重合的单元域，在每个单元域内单独执行覆盖规划，最后按照最优逻辑顺序链接各个区块的方法。分割策略是单元域分割法的第一个关键，最理想状态即是所有障碍物均处在单元域的边界，这样在单元域的中心可以进行高效的连续覆盖。实际应用中一般都以单独房间或明显具有封闭性的区域为一个单元域，单元域的尺寸过大或者过小都没有意义。单元域法的第二关键即是各个单元域的链接。一个单元域完成覆盖后，如果只有一个单元域相邻，则以其为下一个覆盖作业目标，如果有多个单元域则按照一定逻辑判选下一单元，如没有未覆盖的单元域则返回上一单元域直至有未覆盖的子单元域。这种方法针对一些多房间的场合效果最好，对于连续空间也可以提升运算速度。

本文设计的扫地机器人路径规划方面采用随机覆盖法和单元区域分割法相结合的形式。