主要內容簡介
掃地機器人主要由移動機構系統(tǒng) 、感知系統(tǒng) 、吸塵系統(tǒng)、 控制系統(tǒng) 和遙控系統(tǒng)五部分組成，通過這五大系統(tǒng)，可以實現室內的智能清掃工作的完成；但是在實際應用過程中還存在吸力不足、容易破壞家具等問題，本次設計過程中選用成本相對較低的ATmega16單片機作為基礎，針對在實際使用過程中發(fā)現的問題進行了方案研究和設計改進；使得家庭型智能掃地機器人能在控制成本的情況下更多更好地服務，更多地節(jié)省了人力物力，為清潔工作做出更多的貢獻。
關鍵字：智能掃地機器人；單片機；問題
目 錄
第一章 引言 1
第二章 智能掃地機器人發(fā)展概述 1
第一節(jié) 智能掃地機器人的產生 1
第二節(jié) 智能掃地機器人的發(fā)展 2
第三章 智能掃地機器人清潔過程中遇到的問題 2
第一節(jié) 清潔區(qū)域劃定不全 3
第二節(jié) 對家具等造成破壞 3
第三節(jié) 吸力不足 4
第四章 智能掃地機器人結構設計 5
第一節(jié) 智能掃地機器人設計關鍵環(huán)節(jié) 5
一、傳感器技術 5
二、室內定位技術 5
三、路徑規(guī)劃技術 5
第一節(jié) 基于AT89C51單片機的智能掃地機器人設計 6
一、整體布局 6
二、移動機構 7
三、感知機構 7
四、控制系統(tǒng) 7
五、清掃和吸塵系統(tǒng) 7
六、外殼設計 8
七、硬件系統(tǒng) 8
第五章 結論 9
參考文獻 9
第一章 引言
隨著科學技術的發(fā)展，人工智能方面的研究引起了人們大量的關注，與此同時智能機器人的研究也越來越受到人們的重視，其中智能掃地機器人正逐步進入人們的日常生活。
進入21世紀，隨著國內生活水平的提高及生活節(jié)奏的加快，原本只存在于歐美市場上的智能掃地機器人開始涌入國內，并逐漸地被人們所接受；可以預見，智能掃地機器人將會像普通家電一樣成為每個家庭必備的幫手，產品也會向著更加智能化發(fā)展，甚至會在不久的將來逐步地取代人工清潔。
在智能掃地機器人步入各種應用場所的同時，對其性價比，使用便捷性，可靠性等都提出了新的要求，因此設計一款符合理論又能迎合市場要求的智能掃地機器人具有重大的意義。所以本次畢業(yè)設計選取了智能掃地機器人作為設計內容，同時與專業(yè)內容相結合，選擇利用單片機設計一款能夠最大程度上解決現狀使用過程中遇到的問題的掃地機器人。
第二章 智能掃地機器人發(fā)展概述
第一節(jié) 智能掃地機器人的產生
智能掃地機器人這個概念最先出自臺灣及美國市場，世界上第一臺掃地機是1996年由瑞典家電巨頭伊萊克斯制造，并在2001年實現量產，叫做“三葉蟲”的掃地機器人，如圖1所示。這一臺機器頗具現在智能掃地機的元素；伊萊克斯三葉蟲掃地機器人最大的亮點在于其使用的超聲波仿生技術可以使掃地機器人很好的規(guī)避障礙物，同時也可以在全黑的環(huán)境下進行工作，完全不受光線的影響。外觀設計上，它的高度有13cm，可以鉆到桌子和床底下清理；在導航上，“三葉蟲”掃地機器人通過超聲波探測躲避障礙，同時幫助它構建房間地圖；避障上，第一代“三葉蟲”掃地機器人不能很好規(guī)避，第二代加入了紅外傳感器，但是沒有下視探頭，所以只能在水平方向上規(guī)避，需要通過在有樓梯盡頭和房門出貼上磁條作為虛擬墻防止跌落；此外，“三葉蟲”掃地機器人每次充電后可以運行60分鐘，分三個擋位運作：正常、快速和點清理，吸塵器充滿垃圾時還會發(fā)出燈光警告。
圖1 世界上第一款智能掃地機器人—“三葉蟲”
第二節(jié) 智能掃地機器人的發(fā)展
2002年后，掃地機器人所使用的各類單片機性能逐步提升，成本也逐漸降低，同時儲存容量更大，可容納更多的程序算法。從2002開始，美國Irobot和臺灣Proscenic分別推出各自系列的掃地機器人。
美國機器人iRobot公司推出的是Roomba系列智能掃地機器人，其研發(fā)的Roomba780于2012獲得了“紅點設計榮譽提名獎”。與之前的掃地機器人相比，Roomba780掃地機器人最大的技術特征在于實現了掃地機器人的優(yōu)化算法，其核心是在達到全覆蓋清掃的同時，減少對同一區(qū)域的重復打掃。Proscenic以臺灣工研院為產品研發(fā)背景，專注于智能家居清潔的設計開發(fā)，其產品針對東方家庭設計，采用可升降V刷加真空吸入的清掃模式，升降V刷可以更好的貼合地面，針對靜電吸附在光滑地面的灰塵有更加明顯的處理效果。除了經典王牌Pro-902備受歡迎外，Proscenic還先后推出了Pro-COCO，COCO SMART等眾多熱銷的智能掃地機器人，與走高端路線的iRobot和國產品牌科沃斯共同占領了80%左右的國內掃地機市場份額。
2007年至今，逐步地有更多的公司進入智能掃地機器人市場，其投入的大量資源及行業(yè)間激烈的技術競爭大力地推動了智能掃地機器人技術的革新與整個產業(yè)的升級，產品也被更多的普通消費者所接受。
第三章 智能掃地機器人清潔過程中遇到的問題
智能家庭清掃機器人發(fā)展至今已經基本普及，雖然智能掃地機器人體積小巧，清掃區(qū)域相對于其他吸塵機器來說更廣，減輕人類操作的負擔等等優(yōu)點，但仍有一定不足。以下為本次畢業(yè)設計調研過程中針對用戶體驗總結的智能家庭清掃機器人使用問題。
第一節(jié) 清潔區(qū)域劃定不全
現今的智能清掃機器人都有清潔區(qū)域劃定的功能，一般工作原理都是通過紅外線傳感技術( 該技術有一定缺點但成本控制較低) 得以實現，當機器人進行清掃工作時，移動過程中會從特定的發(fā)散口發(fā)出紅外射線，當射線碰觸到深色物體表面時會返回到機器人，這樣機器人內部的控制記憶面板會產生此處記憶并自動轉彎，從而進行其余區(qū)域的清掃。
這種清掃雖然有軌跡可循，然而由于家庭中家具顏色深淺度不同，靜物擺放多而雜亂，且大多數都為不規(guī)則形狀，使得射線無法百分百的進行回射，從而機器人清掃區(qū)域雖廣，但劃定并不全面，有許多死角無法清潔到，而且同時別的地方又存在被多次清潔的情況出現，使得清掃成果并不均勻。
第二節(jié) 對家具等造成破壞
清掃機器人在進行清掃工作時會對障礙物進行規(guī)避，這種規(guī)避包括完全規(guī)避與緩沖碰撞規(guī)避。如果運用超聲波仿生技術可以有效進行完全規(guī)避，即機身完全不會碰觸障礙物表面，然而這種技術成本非常高，所以應用的并不廣泛，大多數清掃機器人還是以紅外線傳感技術為主，這種情況下機器人在躲避障礙物時無法完全不碰觸表面，會在碰觸之前進行緩沖，減小碰撞力度，盡量避免對障礙物表面的破壞。然而這種技術只限于實心且規(guī)則的障礙物，如大面積的柜門等，對于非實心物體，如圓柱體或不規(guī)則物體無法識別緩沖，故而會對物體表面（如柜角和桌腿的表層漆）有一定的破壞。
圖2 掃地機器人損壞家具實拍圖
第三節(jié) 吸力不足
掃地機器人吸力的大小與其的清掃能力有著直接的關系，換句話說吸力的大小決定了掃地機器能掃除哪些類型的垃圾，如果吸力不夠，大顆粒雜質和細小綿塵就會被忽略，極大的影響清掃效果。智能家庭清掃機器人大多具有吸塵能力，對普通灰塵有一定清潔能力。然而由于這種機器人體積的限制，吸塵口徑過小，而且滾刷的毛也是呈螺旋狀，一些大顆粒物質( 如沙、土、水果的籽等) 無法吸入，導致清潔不徹底，這也是這種智能清掃機器人清潔力度不夠的原因。如圖3所示，為試驗過程中部分較大顆粒的雜物無法被智能機器人清除。
圖3 試驗過程中較大/重顆粒雜物清除效果實拍圖
第四章 智能掃地機器人結構設計
第一節(jié) 智能掃地機器人設計關鍵環(huán)節(jié)
掃地機器人完成清掃任務可以分成4個步驟,即定位、構圖、規(guī)劃、清掃。機器人的定位、構圖和路徑規(guī)劃等決定著機器人的清掃效率和清潔效果，這些直接影響用戶的使用體驗。
一、傳感器技術
掃地機器人的主要功能就是在無人干預下獨立完成清潔任務，在室內環(huán)境下機器人需要避障、防跌落、檢測污染物，知道自己的位置和建立環(huán)境模型，甚至有的還需要檢測環(huán)境溫度和PM2.5的含量。那么防跌落傳感器、溫度傳感器、重量傳感器和自身定位傳感器等很多傳感器需要集成在機器人身上。目前，用的最多的傳感器是紅外傳感器和超聲波傳感器，紅外傳感器一般放在機器人前端發(fā)射紅外線遇到障礙物后反射，確定與障礙物的距離并繞開障礙物。紅外傳感器的優(yōu)點是方向性強、測量精度高，主要缺點是探測視角小，很難探測到前方狹小障礙物、透明物體或深色物體。超聲波傳感器相對于光學傳感器而言，具有環(huán)境適應能力強，能測實距、可沿聲波方向獲得三維信息的優(yōu)點。但是，方向性差、視域有限，并且有反射、噪音、交叉等問題。紅外傳感器和超聲傳感器單只能獲得目標的距離信息，不能獲得目標的邊界信息，在實際使用中，通常多個傳感器聯合使用。當前傳感器向著多樣化、微型化發(fā)展，精確性也有很大提升，但有些傳感器價格較高，這是當前沒有得到普及的主要原因。
二、室內定位技術
隨著傳感器技術的發(fā)展，室內的定位方式多種多樣。當前市面上主流的定位系統(tǒng)有RPS激光定位系統(tǒng)、SLAM圖像位移定位系統(tǒng)。RPS是基于谷歌無人車的激光定位系統(tǒng)，通過位于機器人頂部的激光探頭每秒5次掃描周圍環(huán)境，能夠測量出機器人與周圍環(huán)境的距離，實時變化定位坐標，但由于激光探頭一直在高速旋轉，所以壽命短、維修率高。VSLAM圖像位移定位系統(tǒng)是通過攝像頭實時拍攝周邊的環(huán)境提取特征點，通過位移的偏差變化定位坐標。
三、路徑規(guī)劃技術
清潔機器人的路徑規(guī)劃是根據感知到的環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，從起始點到目標點規(guī)劃一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并實現對工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復僅在無環(huán)境建模的情況下，常采用隨機的方法進行規(guī)劃，即將機器人放到清潔的環(huán)境下，隨機的方向前進直到遇到障礙物后轉一定的角度繼續(xù)向前，通過大量隨機往復式清潔來提高機器人的覆蓋率，采用這種方式的成本不高，但是效率低。第二種情況是，以環(huán)境地圖為基礎，采用“S”形的方式往復清掃，一般第一次清掃的覆蓋面積達到90%以上。采用這種方式覆蓋面積大，清潔效率高，但一般用在有環(huán)境建模的掃地機器人上。
第一節(jié) 基于AT89C51單片機的智能掃地機器人設計
受專業(yè)知識水平、設備和資金等的限制，本次設計過程中在平衡各方面條件和最終設計效果之后，選擇使用ATmega16 單片機完成掃地機器人的設計；單片機控制電路和引腳如圖4所示。
圖4 單片機控制電路和引腳示意圖
一、整體布局
機器人的結構主要由感知機構、移動機構、吸塵機構以及車體組成，機器人的前輪采用差動式驅動，后輪采用隨動輪。基于機構和控制的復雜性，機器人使用圓形狀結構，圓形狀結構的最大優(yōu)勢就是控制起來簡單，運動起來不易和障礙物發(fā)生碰撞。車體前端兩側采用兩個光電傳感器，這樣就有四種組合方式，也就是有四種狀態(tài)，這樣就可以識別一切障礙物，不會有盲點。
二、移動機構
移動系統(tǒng)是由兩個伺服電機以及相應的驅動組成，兩個伺服電機分別帶動兩個后輪，而后輪則采用隨動輪，這樣就帶動吸塵系統(tǒng)前行。后輪采用隨動輪，而不是雙輪，這樣做可以很好的加強了小車轉彎的靈活性。通過改變控制系統(tǒng)輸出的pwm占空比，可對兩個伺服電機實現較高精度的調速。對兩個伺服電機輸出相同頻率不同占空比，電機的轉速則不同，通過這樣差速方式，實現吸塵器的前進，后退，左轉彎，右轉彎等功能。這樣便可是使掃地機器人隨意轉彎.同時轉彎的速度可以通過單片機的程序進行調節(jié)。
三、感知機構
感知機構由分布在機器人兩側的光電傳感器組成。其采用光電元件作為檢測元件，一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成，光電傳感器對機器人的位置進行探測，判斷左右轉彎是否可行。光電開關輸出與障礙物位置間的關系如下：
左光電開關：0；右光電開關：0；障礙物位置：正前。
左光電開關：0；右光電開關：1；障礙物位置：左前。
左光電開關：1；右光電開關：0；障礙物位置：右前。
左光電開關：1；右光電開關：1；障礙物位置：未碰撞。
四、控制系統(tǒng)
綜合本次設計的目標和具有的外部條件，本次選擇使用ATmega16單片機進行系統(tǒng)開發(fā)，AVR單片機功能強大，能夠使得I/O口資源靈活，是一種處理能力極強的微控制器，同時提供許多控制系統(tǒng)的選擇方案。
五、清掃和吸塵系統(tǒng)
吸塵系統(tǒng)采用小型吸塵器，主要由吸道，吸嘴，氣泵和吸室組成。
吸塵原理：吸塵器的電機葉扇在電動機驅動下將電機中的空氣排出，這樣電機內部和外界就形成了一個氣壓差，于是外界的氣體就會源源不斷進入電機中。這樣的話，塵埃等垃圾就會被吸入吸室內，吸室中有一個過濾器，將垃圾等留在吸室中，空氣則排出吸室。
家庭智能掃地機器人機身小，大多數機器人吸塵口徑小，齒輪密度大，導致無法清潔大顆粒物質。家庭擺設的花草等大多需要土壤支持，有小孩的家庭更是無法保證沒有大顆粒物質掉落，如水果的籽和果皮等，這時就需要手動清掃或使用手動吸塵器進行清潔，費時又費力。給智能掃地機器人底部配置一個大口徑的吸塵口及齒輪便可解決此類問題。這種口徑占地面積大，所以需配備一個短細疏通管直接接入存塵盒，使得大顆粒灰塵不通過螺旋軟刷，直接進入存塵盒，之后只需進行正常的清洗維護機器人工作即可。
六、外殼設計
針對家庭掃地智能機器人對物體表面造成破壞的問題，提出一定的解決方法。
大多數機器人已經安裝半包式軟膠外體來減緩撞擊造成的破損，然而這種方法由于紅外遙控射線對顏色的要求嚴格，使得未軟包部分常常碰撞到物體表面，久而久之會對物體表面造成損壞，這也是很多家庭放棄選擇智能掃地機器人的原因。這種情況下如果選擇超聲波仿生技術，造價會過于昂貴，建議使用一種新型的軟性防撞板，這種材料經常運用于建筑材料中，本身具有可塑形性及軟碰撞性。軟性防撞板輕薄且成本較低，可以對機器人進行全包設計，并且可以在機器人底部紅外遙感處流出空隙，不會妨礙射線的返回，故而可以有效地防止空心及不規(guī)則物體表面破損。
七、硬件系統(tǒng)
硬件電路圖主要有五部分，分別為 AVR 單片機最小系統(tǒng)部分、電源及穩(wěn)壓部分、感知結構部分、遙控模塊和繼電器控制電路。完整的電路圖如圖5所示。
圖5 掃地機器人控制電路
第五章 結論
目前智能掃地機器人已經取得了很大的發(fā)展，但是還有很大的改進之處，比如傳感器還有很大的進步空間，傳感器是非常重要的一部分，只有更復雜，更精良的傳感器才能滿足人們各種復雜的需求，我們才能做出更高級的機器人。其實還可以使用更高級的技術，但是考慮到成本，我們不得不放棄選用。本次設計過程中，選用成本相對較低的ATmega16單片機作為基礎，針對在實踐中發(fā)現清掃區(qū)域劃分不全、對不規(guī)則物體表面進行一定程度破壞和對大顆粒物質清潔力不夠等問題進行了方案研究和設計改進，使得家庭型智能掃地機器人能在控制成本的情況下更多更好地服務，更多地節(jié)省了人力物力，為清潔工作做出更多的貢獻。
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