关于智能扫地机器人的市场调查报告以及总体设计

关于智能扫地机器人的市场调查报告以及总体设计杨浩荣王健聪(北京理工大学珠海学院电气工程及其自动化系)引言：机器人技术作为20世纪最伟大的发明之一，自上世纪60年代问世以来，已获得巨大的进步。在机器人技术不断成熟的今天，机器人在工业领域大放异彩的同时，它已快速地在农业、军事、服务等非工业领域不断拓展，并取得一定的成果。关键词：市场需求智能扫地机器人寻路算法Marketresearchreportonintelligentrobotsweepsthefloor,andtheoveralldesignYangHaorongWangJianlinAbstract:robottechnologyasoneofthegreatestinventionsofthe20thcentury,sincethe1960s,hasacquiredgreatprogress.Intoday'srobottechnologycontinuestomature,toshineinthefieldofindustrialrobotatthesametime,ithasquicklyinnon-industrialsectorssuchasagriculture,militaryandservicedevelopment,andachievedcertainresults.Keywords:marketdemandintelligentsweepingrobotpathfindingalgorithm1.市场需求及其调查：作为新兴的朝阳产业，机器人出现的时间虽然短暂，但是对社会的影响是巨大的，对人类的影响也是深远的。其中，服务型机器人因更为贴近人类的生活已经有越来越多的大企业把目光投注到服务型机器人上，并制定了一些列的产品开发战略规划，产品内容包括从提供家庭日常服务的机器人到机器人玩具。尤其是玩具机器人，因为技术起点相对低，目前已成为诸多大的生产厂家的追逐热点。服务型机器人，如今的定义尚未统一。服务型机器人的范围很广。为了更高地了解人们对服务型机器人的了解与期望，我们进行了问卷调查，调查结果如下：由上面的调查结果可以看出，人们对服务型机器人的了解并不多，有些甚至并不知情。人们更期待出现一种能帮助他们打扫家庭卫生，同时兼具监控家庭安全的机器人。10万元以下的服务型机器人能更好地被人所接受。2.智能扫地机器人机器人发展到今天，人们习惯于将他们划分成三个时代：第一代机器人属于遥控操作的机器人，它们需要人类操作才能工作。第二代机器人可以进行编程，并按照已经设定的编程去完成既定的工作内容。第三代机器人是智能机器人，他们通过各种传感器与测量仪器去实现对外界环境的交流，获取信息，然后通过智能科技手段进行识别，认知，做出判断，然后行动的高级别机器人。可以看出，人工智能是现在机器人发展的最主要的方向。随着人类科技的进步，残疾人，老人需要现代的高新技术来改善他们的生活质量与行动自由。这时候，智能轮椅应运而生。由于城市用地紧张，地价高昂，一座又一座的大厦林立于城市之中。许多的高楼为了美观与更好的采光效果，都会选择玻璃幕墙。有利必有弊。在获得了好的采光的同时，玻璃幕墙的清洗成为一个大问题。以前，工人们需要借助工具，直接在大厦外墙清洗。户外清洗机器人可以代替这种危险的作业方式。曾有人说：世界是懒惰的人改变的。这些人寻找更高效的方法去做事。当出现了吸尘器，人们并不满足于此，一种自动的吸尘机器人悄然出现。服务型机器人相比于其他类型的机器人，起步较晚，属于年轻成员。但是，服务型机器人更直接应用于大众的生活之中，因而发展前景不容小视。相信不久的将来，每个家庭都会有一个属于自己的服务机器人，人们走在大街上也能经常看到服务型机器人的身影。2.1硬件设计概要：众所周知机器人是由硬件和软件组成，而软件下面会详细叙述，本段就不再详细叙述。本段主要叙述一下机器人的各种硬件。首先，要想让机器人动起来就比须有能量，所以我们首先想到的是电池组；其次，有了能量就要让它有处可用，理所当然就轮到电机组；最后，有了以上的硬件基础我们就要让它拥有一颗智能的“芯”——单片机（MCU）以及它“五官”——各种传感器。2.2.电路总体概述电池组分串联和并联,并联的电池组要求每个电池电压相同,输出的电压等于一个电池的电压,并联电池组能提供更强的电流。由于一次性电池天生就有不可多次利用、质量比容量和体积比容量均大于普通充电电池、内阻大、负载能力低等缺点均不在本次讨论范围之中。主要介绍常用的可充电电池常用的充电电池类型有：镍镉电池、镍氢电池、锂离子/锂聚合电池等等，以及部分新型电池。虽然镍氢电池高比能量、组合灵活、可快速充电、简单、免维护、低成本，但是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。实际情况可能是容量高的是因为电极材料中多了增加初始容量的材料,而减少了电极稳定用的材料,其结果就是循环使用几十次以后,容量高的电池迅速容量衰竭,而容量低的电池却依然坚挺。而自从1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成全球首个锂电池。锂电池优越性能就开始步入人们的视野。锂离子/锂聚合电池具有电压高、自放电小、比能量大、可循环次数高等优点。其中像SONY公司生产的VTC-5的动力电池最高持续放电电流可达60A，放电比率可达60C。可以广泛被用于航模，工业机器人等对电池便携性，放电性能有着极高的、严格的领域。其中像18650等尺寸的锂离子电池生产和研发已经非常成熟、可靠。新型电池是指拥有自重小、体积小、容量大、温度适应范围宽、使用安全、储存期长、维护方便等较普通电池优秀特点的电池总称。太阳能电池受限于现在其产业的发展，太阳能电池的效率以及制作成本都不尽人意，应用范围较狭窄。还有通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成的核电池（放射性同位素电池），其可分为热转换型核电池及非热转换型核电池。但由于人们谈“核”色变，普遍对核电池天生有一种抗拒的心理，再加上其安全性以及性能受到很大的质疑，所以核电池在未来数十年都不会应用到机器人以及我们身边的电子产品中。2.3电源转电路而我们用到智能扫地机器人上作为动力能源的动力源是锂离子/锂聚合电池。其中供电系统分为三个部分，一为供给单片机的+5V电源，二为供给各种无线通信模块和传感器的+3.3V/+5V电源，三为供给电机的+12V/+24V/+48V的电源。外加一个太阳能板以及相应的配套运转装置，和一个无线充电模块。2.4芯片的应用目前市场上关于机器人应用领域的芯片类型纷繁多样，大致可以分为51系列、arduino系列、ARM系列以及低端的x86架构系列。其中51系列以Intel的80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等;ATMEL:89C51、89C52、89C2051，89S51(RC)，89S52(RC)等;Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品为代表。以及国产宏晶STC单片机，但因其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。而arduino系列则是以ArduinoMega2560为主体以及基础衍生了诸如ArduinoUno、ArduinoNano、ArduinoLilyPad、ArduinoEthernet、ArduinoDue（使用SAM3X8ECPU）、ArduinoLeonardo、ArduinoYun、ArduinoMini、Arduinopro、Arduinomicro。以及一些以专用场合而设计的型号ArduinoBT、Arduinoesplora、ArduinoNG、ArduinoGSMShield、ArduinoEthernetShield、ArduinoWiFiShield、ArduinoWirelessSDShield、ArduinoUSBHostShield、ArduinoMotorShield等等。至于ARM系列的单片机就只有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore系列、Intel的XscaleIntel的StrongARMARM11系列。但因为ARM系列的单片机不但能够同时兼容CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机）和RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机），而且还具有支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件等优良性能特点，现在在市场上也逐渐渐露锋芒，成为市场销售的主力军。最后由于x86的芯片功耗高，对运行环境和条件都比较严格，且一般应用于比较复杂的功能应用场所，不在本次讨论范围内。在对市场上的主流单片机型号有所了解后，考虑到智能扫地机器人需要较高的运算性能，所以我认为应该应用ArduinoMega2560/ARM7系列的单片机为主控芯片为好。在无线通信方面，我们使用ESP8266wifi无线通信模块。2.5机器人传感器2.5.1光电检测电路采用红外光电检测管为单光束反射取样式光电传感器ST188，它由红外发射器和感光器组成。ST188正常工作时，红外线发光二极管发出红外线。如果检测面表面光洁度平整，发出的红外线经检测面反射后在光敏三极管产生光电效应。产生的电流经过放大后输出信号。比较器LM311的同相输入端在没有检测到反射信号（不在白线区）时固定为高电平，而反相输入端的电压由电阻分压提供（一般在1.5V左右，由可变电阻器改变电压值）。LM311比较同相端和反相端的输入电压。当在白线区时，反射的红外线导致光敏三极管导通，同相端输入低电平，比较的结果为输出端为低电平，发光二极管亮；当不在白线区时，光敏三极管截止，同相端输入高电平，比较的结果为输出端为高电平，发光二极管灭。I2.5.2三轴陀螺仪扫地机器人则采用单片集成CMOS－MEMS陀螺仪。2005年何晓磊和施芹等分别报道了一种Z轴微陀螺的研究。2010年美国HongzhiSun，等报道了一单片集成CMOS－MEMS惯性测量单元(IMU)，其是由一个3轴加速度计，一个z轴和一个x/y横轴陀螺仪组成。IMU是集成了接口电路在5mm×5mm的CMOS晶圆芯片上，并采用了一种改进的深离子刻蚀的post－CMOS批量微加工流程。x/y轴加速度计灵敏度达到191mV/g，噪声为35μg/Hz1/2，z轴加速度计的灵敏度为124mV/g。II2.5.3太阳能充电电路以及无线充电模块设计在本电路中采用多晶硅材料制作的35W的太阳能板进行电力提供源，然后通过72W额定功率的12V稳压器对4AH的摩托车12v电瓶进行电力的储存。当智能扫地机器人电量不足的时候，自动巡航至12V、36W输出的无线充电模块处进行充电，这时通过无线充电模块处的压力感应器感应到压力以及通过wifi模块与路由器进行确认，再通过电池给无线充电模块供电，从而实现智能机器人无线充电功能。3.寻路算法3.1机器人自主导航总概移动机器人自主导航是指移动机器人在未知的、复杂的及动态变化的环境中能自主根据环境信息，完成从起始点到目标点的无碰撞运动，同时尽量减小时间或能量的消耗．在机器人的各项研究中，导航是最基本的也是最重要的问题。导航的过程存在着机器人与环境的交互，根据机器人对环境信息感知程度的不同，可分为3种类型:一是环境信息已知的全局路径规划;二是环境信息未知或部分未知，通过传感器在线地探测周围环境，以获取障碍物的位置、形状和尺寸等信息的局部路径规划;三是前两者相结合的混合型方法．移动机器人大多工作在未知环境中，并需要实时的规划路径和自主导航，所以大多数机器人的路径规划是局部路径规划．局部路径规划常用的方法有:人工势场法、遗传算法、蚁群算法、神经网络及模糊控制算法．人工势场法存在局部最优解，容易产生死锁的问题;遗传算法及蚁群算法是一种优化算法，需要占据很大的存储空间，计算时间也不确定;神经网络因容错性强与具有自适应学习的特点，可更