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。随机覆盖法是本机器人路径规划的方法之一，主要原因有如下诸点:(1)随机覆盖法原理简单易于实现;(2)不会对硬件和软件上增加额外的负担;(3)在定位失效的情况下，通过冗余的覆盖依旧可以完成任务;(4)智能选择随机覆盖法的基本移动逻辑可以实现适应性更强的覆盖法。单元区域分割法亦是本机器人路径规划方法之一，主要原因有如下诸点:(1)室内清扫任务区域性特征突出适合单元区域分割法;(2)单元区域分割可以减少规划任务量，化整为零减少软件的缓存压力;(3)单元区的分割策略可以根据智能识别技术，也可以根据模板比对;(4)单元区内部以智能随机覆盖法清扫，单元区之间以“一笔画”问题模型实现。3.3地图建立方案地图建立的备选方案有:拓扑地图、特征地图、栅格地图。栅格地图作为本机器人的地图建立方案，主要原因有如下诸点：(1)栅格适合数字化，便于与规划算法程序结合；(2)栅格地图存储的地形信息全面，为路径规划提供足够数据；(3)栅格化地图便于局部更新修改。拓扑地图不适合选作本机器人地图建立方案，主要因为拓扑地图包含信息量过于简略不能满足路径规划的基本需要。特征地图不适合选作本机器人地图建立方案，主要因为特征地图包含的特征信息与智能扫地机器人路径规划需要的数据不对口。4.扫地机器人的具体设计4.1机械结构图4.1扫地机器人俯视图使用SolidWorks2013绘制了扫地机器人装配体，它采用圆饼形设计（如图4.1所示），最大限度的减小运动路径所占面积，保证能够清洁一些狭窄的角落；采用较高强度的塑料外壳，既减小了自身的重量又具有防碰撞和跌落的特性。运动部分采用三轮结构（如图4.2所示），保证了机身的稳定性，后轮为一个万向轮，前轮为两个差动驱动轮，有两个直流电机驱动，电机配套有光电编码器。通过改变电机驱动芯片的控制线，实现驱动轮的调速，从而实现执行和任意角度转向操作。图4.2扫地机器人仰视图清洁方面有一对表面覆盖虚实胎纹的滚筒（如图4.3所示）和无毛刷结构（如图4.4所示）组成，采用抽吸和滚扫相结合的清扫方式。图4.3防缠绕吸取器一对表面覆盖虚实胎纹的滚筒，一路对向高速转动；软胶富足的弹性零距离贴地旋转，保持真空态势；每一个胎面虚实胎纹交错，实纹巧妙的设计成150度菱形胎纹，专攻顽固污物，刮取、震碎、虚纹趁势连根拔起，高效马达与真空气流增强系统协同发力。摒弃传统滚刷设计，采用滚筒吸取器。高档耐磨橡胶材质，锯齿状胎面设计，高速旋转的同时可强力分解碎屑，斩断毛发，彻底解决缠绕难题。杜绝传统吸尘口吸力多处散失弊端，完全密封通道设计。可加速气流通吸取器，直达垃圾盒，最大限度减少吸力散失。全新定制的大功率吸尘马达，全面提高吸尘动力，优化清扫效率。无毛刷结构可以最大限度的增加清洁周期，只需3-4个月清理一次。图4.4无毛刷结构4.2电机驱动电路图4.5电机驱动电路原理图电机驱动电路如图4.5所示，其核心是一片ST公司的专用电机驱动ICL298N。L298N芯片内含两个全桥式驱动器，可以同时驱动两个直流电机或者一个两相四线步进电机。逻辑输入部分加入TLP521-4光电隔离IC，更好的保护控制器；模块最大输入电压为40V，单路峰值电流为3A，持续2A，最大功率25W，直插式IC背贴散热片，有效避免了芯片过热；逻辑端输入端采用标准TTL电平控制，并设有两个使能端ENA\ENB，用来允许、禁止器件工作。工作温度范围在-25℃到130℃之间。电机为48:1直流减速电机，8.4V零负载实测转速0.75m/s。L298N电路对外有如下接口:IN1-IN4:逻辑输入端，其中IN1、IN2控制电机M1；IN3、IN4控制电机M2。通过改变高电平的占空比调速。ENA、ENB:L298N使能端(高电平有效，默认短接到VCC，可通过这两个端口实现PWM调速(使用PWM调速时取下跳线帽)。VCC/GND:逻辑控制部分供电，可以用控制器的5V/3.3V来供电。VIN/GND:电机供电电源接口，VIN、GND分别接电源正、负极。M1、M2:电机线接口。4.3光电编码器直流减速电机配套有一只两路增量光电编码器用于测速和计算里程。光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的器件。光电编码器由光栅盘、发光器、光电检测和整形电路四部分构成。光栅盘又称码盘，是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。码盘与电动机同轴固定，电动机旋