扫地机器人设计报告

扫地机器人设计报告

1.调研取证

当前市场上的扫地机器人多种多样，打开京东或者淘宝可以看到各个型号的扫地机器人，通过对各家进行对比获取相关的信息，现有的国外的扫地机器人如伊莱克斯，iRobot,三星，Karcher等等都价格不菲，功能完善，而国产的扫地机器人如科沃斯等价格较低，却又缺少地图的构建等功能，导致效率较低。但是无论哪种扫地机器人，其根本的清扫原理都是相通，说到底，就是一个带有吸尘器的智能小车。其主要创新点在于解脱了人力，通过传感器与内部算法实现了智能的清扫控制。

2.硬件结构设计

由于家里养狗，狗毛到处都是，天天用吸尘器不厌其烦，正好还要做这份报告，于是我购买了一款科沃斯的扫地机器人。由于扫地机器人的大体构造均形同，我将其进行了拆解，并分为如下几部分介绍：

1.供电部分，采用8节串联动力锂电池供电，由于扫地机器人自身尺寸限制（需要钻到床下，柜子下等），同时又采用了大功率风扇用以吸尘，所以对电池的尺寸重量以及放电电流限制较大，对比市场上现有的充电电池，放电电流最大的当属磷酸铁锂，但同等体积下其容量却不到锂电池一般，考虑到成本问题，铅蓄电池成本较低，充电方式也很灵活，但是重量体积又无法与锂电池相比，故最终选用为动力锂电池。

2.机械部分，采用双电机控制两个轮子，轮子放在车身中心，与前方一个万向轮形成支撑作用，可以保证车子可以360度原地旋转，这样无需担心车子钻到某个角落之后出不来。

3.清扫部分，两边各有一组三根清扫刷，固定在两个小电机轴上，通过快速旋转将灰尘送入到机器腹部的吸尘孔中。同时中心部分为一个大功率风扇，前方放置HEPA过滤装置与大灰尘过滤网，可以有效将通过气流中的灰尘收集到中间的沉盒中。

4.传感器部分，这部分是最重要的，考虑到如果没有传感器来识别是否可以前进的话，扫地机器人就没有自己的外界环境感知能力，到处乱撞是不可能将室内清理干净的。扫地机器人分为如下几种传感器：

a.行进路线感知传感器，由于扫地机器人只向前行进进行清扫，所以传感器的排布

均放在前180度，我现在手里的这个科沃斯牌子的扫地机器人前方放有六组光电对管，可以探测六个方向的情况，并在机器人撞上之前通知主控部分调整行进路线。但是，仅仅六组光电对管依旧存在盲区，所以采用了轻触开关的方式，在机器人前方有一圈活动挡板，以按钮的方式连接到了轻触开关上，当光电对管未能有效探测到的时候，机器人撞到物体的时候轻触开关会使能通知机器人转向。

b.灰尘感知传感器，在清扫过程中，有些地方比较脏，扫地机器人腹部有一个灰尘

感值传感器，遇到这种地方就可以转圈仔细清扫。我所购买的扫地机器人成本较低，并没有这个，控制其转圈清扫需要人为控制，这一部分我会在后面介绍。

c.防止跌落传感器，清扫过程中有些地方如跃层的房子里，台阶等部分无法有效探

知，必须有一个防跌落传感器放置在机器人腹部用以探知以防跌落，一般都在腹部放置一个光电开关用以探知下方是否为空。我所购买的扫地机器人太便宜了，估计买这种机器人的家庭也不会住跃层，所以没有这个功能。

d.姿态传感器，用以区分机器人姿态，如被翻过来，上坡等异常情况需要识别。以

翻过来为例，一般扫地机器人开关在正面，翻过来后如不停机清扫刷仍在飞快旋转容易带来危险，所以需要有感知器件，大品牌的一般采用加速度传感器与陀螺仪进行判断，而我买的这个便宜货用的是水银开关，在这个功能上这两种传感器没啥太大的区别，但是，光靠水银开关是无法识别上坡的，所以当扫地机器人上了一个自己上不去的坡的话，高端机器人可以掉头走，而没有这个传感器的就会不断的尝试，用力前进，直到把自己玩没电。当然，实际情况并非如此，那就要看下面那种传感器了。

e.电流传感器。通过对行进电机与清扫电机的感知，可以控制在电流较大的情况下

判断当前电机堵转，从而通知扫地机器人停机自检。由于上坡等特殊状态可能导致行进电机堵转，而清扫刷有时候会铰到电线头发之类的也会引发堵转，这种情况如果不及时停机电机发热就会过大最后烧毁，所以这个传感器也是必须的。

f.通讯传感器。无论是自回充电还是限制行进的“虚拟墙”，都需要通讯进行控制，

先谈谈虚拟墙，我买的这个没有虚拟墙，所以我得把厕所厨房门关上以免它不小心闯入，一开始我以为虚拟墙技术一般都是采用光电对管，当对管被遮住的时候发出无线信号通知机器人转向，这种缺点就是必须要有两个设备而且人过去的时候也会触发报警。现在发现很多都是靠无线信号强弱实现的，通过定向天线控制范围与方向，有信号就转向，没信号就行进。同理，自回充电也是如此，通过信号强弱找到充电器进行充电。

5.电路设计，扫地机器人电路很简单，主控板连接传感器部分与电机控制部分，传感器部分上面已经介绍过了，电机控制部分则分别控制了如下电机：行进，清扫等，我买的这个机器人不需要规划行进路线以及绘制地图，所以，采用的都是最普通的直流电机，较好控制。

3.软件算法控制

不考虑到路线规划的话，算法极为简单，只需要采用“右手定则”就可以满屋子转个遍，但是缺点是无法走到中心部分，所以，我观察了下，机器人是采用了一种“之”字型的右手定则行进规律，在保证右手定则的前提下以之字形行走，就可以覆盖屋内的面积了。

4.改进想法

从性能角度，我考虑了如下几点想法

1.行进感知传感器，可以采用超声测距，红外测距，甚至蓝牙4.0室内基站定位等方式对机器人进行定位。

2.路程绘制传感器，可以采用选择激光描绘器(IROBOT)，用快速旋转的激光测距仪对室内结构进行绘制与建模。

3.灰尘感知传感器，可以采用灰尘颗粒探测传感器进行探测，甚至可以通过红外漫反射光强度进行探测。

4.行进电机传感器，可以采用步进电机控制行进步进，同时加入旋转编码器调整行进速度。