智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析

1、2 0 1 4 牟第1 1 期 文章编号：1 0 0 9 2 5 5 2 ( 2 0 1 4 ) 1 1 0 1 9 6 0 3中图分类号：T P 2 4 2文献标识码：A 智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析 薛慧心 ( 黑龙江省社会信用办公室，哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 摘要：对家庭型智能扫地机器人的工作原理进行研究与分析，在实践中发现该机器人在工作 过程中出现清扫区域划分不全、对不规则物体无法完全规避和大颗粒物质无法吸入扫除等问题， 针对以上问题应用A T 8 9 C 5 l 单片机、新型软碰撞板和大口径吸尘口等设计来解决，经市场调研 证明了这几种解决方法的可行性。 关键词：智能机

2、器人；A T 8 9 C 5 1 单片机；红外遥感技术 D e s i g np r i n c i p l ea n dr e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tf a m i l yc l e a n i n gr o b o t X U EH u i x i n ( S o c i a lC r e d i tO f f i c eo fH e i l o n g j i a n gP r o v i n c e ，H a r b i n1 5 0 0 9 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：T h ew o r k i n

3、 gp r i n c i p l eo ff a m i l yi n t e l l i g e n tc l e a n i n gr o b o ti sr e s e a r c h e da n da n a l y s e d ，s o m e p r o b l e m sa r ef o u n di nt h ep r a c t i c ei nt h ew o r k i n gp r o c e s s ，s u c ha sc l e a n i n gt h ez o n i n gs y s t e mi s n o t c o m p l e t e ，t h

4、 ei r r e g u l a ro b j e c t sc a n tb ea v o i da n dl a r g ep a r t i c u l a t em a t t e rc a n ti n h a l ec l e a n i n g A i m i n g a tt h ea b o v ep r o b l e m s ，n e ws o f tc o l l i s i o np l a t ea n dl a r g ed i a m e t e rs u c t i o nm o u t ha r ed e s i g n e dt os o l v e t

5、 h o s ep r o b l e m sb a s e do nA T 8 9C 51 T h em a r k e tr e s e a r c hh a sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s es o l u t i o n s K e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tr o b o t ；A T 8 9 C 51 ；i n f r a r e dr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y 0 引言 现今社会发展迅速，家用电器已逐渐改变为智 能电器

6、，最常见的如手机、电视等。其余家用电器在 近年来也加入智能控制系统，比如现今很多家庭选 择的扫地机器人，已经基本智能化，不但加人了语音 控制，最新技术已实现通过摄像以及远程红外操控 获得更加人性化的清扫体验。 智能家庭扫地机器人是种可对平整地面进行 一定程度清扫的智能家用电器，本文就此机器人的 设计原理进行研究与分析，对现今大多数扫地机器 人在清洁过程中产生的问题，诸如清洁区域划定不 全、对不规则物体有一定破坏程度、大颗粒物质无法 清扫干净等进行研究比较，通过单片机控制器、G P S 导航和新型电子技术等对上述问题提出解决方案， 尽量使智能家庭扫地机器人在非高昂成本的情况下 更加静音，清扫力度

7、更大。 1 智能清洁机器人现状与设计原理 智能家庭扫地机器人也可称为吸尘机器人，因 1 9 6 一 其主要作用为清扫地面灰尘和垃圾，是一个小型的 自主移动吸尘器。智能化的吸尘机器人拥有先进的 G P S 导航定位系统，能够自主通过类似于走路的方 式来构建清洁地图，自动对房间进行清扫工作。这 种机器人是一种无线机器，机身大多为圆形，一般来 说通过遥控器或机身自主的控制面板来操控，大多 数可定时打扫并自动归位完成充电，充电结束后自 动转为充电休眠过程，清扫时可躲避障碍物和自动 转弯，自动地完成清扫工作。 随着现今人类工作性质的发展和转变，加之工 作节奏的加速化，使得这种操作相对简单、功能便利 性大

8、的智能清洁机器人受到推崇，已经在普通家庭 中逐渐普及，成为现代家庭常用家用电器的一种。 智能扫地机器人起源于国外，近几年引入国内并得 到普及与推广。 这种智能机器人大多数采用红外线传感原理来 收稿日期：2 0 1 4 一0 1 1 3 作者简介：薛慧心( 1 9 8 9 一) ，女，本科，研究方向为电子工程。 万方数据 控制，也有少数采用了尖端的科技成果如超声波仿 生技术来控制。红外线传感原理成本低，但对环境 要求高，如遇浅色物质表面无法返回，造成了机身与 物体的碰撞，虽碰撞后机器人感知系统检测后会尽 量避开，然而长期使用会对物体的表面造成破坏，如 家具掉漆等。超声波仿生技术可以有效解决这些问

9、 题，可有效侦查方位且灵敏度高，然而该技术成本很 高，导致机器人价格昂贵。 智能清扫机器人由微电脑进行控制，底部一般 配置3 个左右清扫刷，配合吸尘区域的滚刷进行清 扫。因机器人机身小巧，呈扁圆形，可清扫床下、柜 底、沙发下等普通吸尘器无法清洁的地区。清扫机 器人大多配置智能避障功能，可在首次碰撞后产生 记忆，形成地图区域，这样机器人可在下次碰撞前提 前缓冲，并通过红外扫射躲避悬崖地带，防止外翻等 事故。 2 智能机器人清洁过程中产生的问题 智能家庭清扫机器人发展至今已经基本普及， 虽然智能扫地机器人体积小巧，清扫区域相对于其 他吸尘机器来说更广，减轻人类操作的负担等等优 点，但仍有一定不足。

10、以下为本文对智能家庭清扫 机器人分析研究后发现的问题。 2 1 清洁区域划定不全 现今的智能清扫机器人都有清洁区域划定的功 能，一般工作原理都是通过红外线传感技术( 该技 术有一定缺点但成本控制较低) 得以实现，当机器 人进行清扫工作时，移动过程中会从特定的发散口 发出红外射线，当射线碰触到深色物体表面时会返 回到机器人，这样机器人内部的控制记忆面板会产 生此处记忆并自动转弯，从而进行其余区域的清扫。 这种清扫虽然有轨迹可循，然而由于家庭中家具颜 色深浅度不同，静物摆放多而杂乱，且大多数都为不 规则形状，使得射线无法百分百的进行回射，从而机 器人清扫区域虽广，但划定并不全面，有许多死角无 法清

11、洁到，而且同时别的地方又存在被多次清洁的 情况出现，使得清扫成果并不均匀。 2 2 对不规则和柱形物体有一定破坏 前文提到，清扫机器人在进行清扫工作时会对 障碍物进行规避，这种规避包括完全规避与缓冲碰 撞规避。如果运用超声波仿生技术可以有效进行完 全规避，即机身完全不会碰触障碍物表面，然而这种 技术成本非常高，所以应用的并不广泛，大多数清扫 机器人还是以红外线传感技术为主，这种情况下机 器人在躲避障碍物时无法完全不碰触表面，会在碰 触之前进行缓冲，减小碰撞力度，尽量避免对障碍物 表面的破坏。然而这种技术只限于实心且规则的障 碍物，如大面积的柜门等，对于非实心物体，如圆柱 体或不规则物体无法识别

12、缓冲，故而会对物体表面 ( 如柜角和桌腿的表层漆) 有一定的破坏。 2 3 对大颗粒物质清洁力度不够 智能家庭清扫机器人大多具有吸尘能力，对普 通灰尘有一定清洁能力。然而由于这种机器人体积 的限制，吸尘口径过小，而且滚刷的毛也是呈螺旋 状，一些大颗粒物质( 如沙、土、水果的籽等) 无法吸 人，导致清洁不彻底，这也是这种智能清扫机器人清 洁力度不够的原因。 3 针对智能机器人清洁不足的应对方案 针对智能家庭扫地机器人出现的以上问题，提 出以下解决方案。 3 1棚9 C 5 l 单片机控制器 A T 8 9 C 5 1 是一种低电压的处理器，其性能高， 也可以叫做单片机。这种A T 8 9 C 5

13、 1 单片机带有4 k 字节的F l a s h 处理器，可以反复地擦除1 0 0 0 余次。 A 髓9 C 5 1 单片机的排脚如图l 所示。 图1A T 8 9 C 5 1 单片机排脚 A T 8 9 C 5 1 单片机灵活性很高，而且成本低廉， 所以大多运用到嵌入式控制系统。智能家庭扫地机 器人机身轻、体积小，必须使用嵌入式控制系统，所 以可以应用A T 8 9 C 5l 单片机来对机器进行有效控 制，使得机器运行轨迹合理规范，对运动轨迹进行规 划分析，设定记忆路线，以走步式进行清洁活动，有 一1 9 7 万方数据 效地避免了重复劳动以及逃避型清扫。 3 2 新型材料外壳 针对家庭扫地智

14、能机器人对物体表面造成破坏 的问题，提出一定的解决方法。 大多数机器人已经安装半包式软胶外体来减缓 撞击造成的破损，然而这种方法由于红外遥控射线 对颜色的要求严格，使得未软包部分常常碰撞到物 体表面，久而久之会对物体表面造成损坏，这也是很 多家庭放弃选择智能扫地机器人的原因。这种情况 下如果选择超声波仿生技术，造价会过于昂贵，建议 使用一种新型的软性防撞板，这种材料经常运用于 建筑材料中，本身具有可塑形性及软碰撞性。软性 防撞板轻薄且成本较低，可以对机器人进行全包设 计，并且可以在机器人底部红外遥感处流出空隙，不 会妨碍射线的返回，故而可以有效地防止空心及不 规则物体表面( 如沙发角等) 破损

15、。这种设计现已 有少数机器人运用，效果非常可观。 3 3 大口径清扫齿轮 家庭智能扫地机器人机身小，大多数机器人吸 尘口径小，齿轮密度大，导致无法清洁大颗粒物质， 如图2 所示。 家庭摆设的花草等大多需要土壤支持，有小孩 的家庭更是无法保证没有大颗粒物质掉落，如水果 的籽和果皮等，这时就需要手动清扫或使用手动吸 尘器进行清洁，费时又费力。给智能扫地机器人底 部配置一个大口径的吸尘口及齿轮便可解决此类问 题。这种口径占地面积大，所以需配备一个短细疏 通管直接接入存尘盒，使得大颗粒灰尘不通过螺旋 软刷，直接进入存尘盒，之后只需进行正常的清洗维 护机器人工作即可。 图2智能扫地机器人底部吸尘口 4

16、结束语 本文就家庭型智能扫地机器人的工作原理进行 了研究分析，并在实践中发现清扫区域划分不全、对 不规则物体表面进行一定程度破坏和对大颗粒物质 清洁力不够等问题，针对这些问题分别进行详细的 分析，提出相应的解决方案，也从市场实践角度证明 了这些解决方案的可行性，使得家庭型智能扫地机 器人能在控制成本的情况下更多更好地服务，更多 地节省了人力物力，为清洁工作做出更多的贡献。 参考文献： 1 刘会芬，宋章军基于卡尔曼滤波的扫地机器人定位算法的研 究 J 先进技术研究通报，2 0 0 9 ，3 ( 7 ) ：3 4 3 7 2 程小辉，李明强，沈旭基于A T 8 9 C 5 1 单片机嵌入式系统硬件

17、平 台的设计 J 自动化与仪表，2 0 0 5 ( 4 ) ：1 2 1 5 3 贺红林，赵淳生机器人的超声电机驱动及其控制研究 J 压 电与声光，2 0 0 5 ( 6 ) ：6 9 4 6 9 7 4 谢瑞霞模糊神经网络在机器人控制中的应用 J 计算机系 统应用，2 0 0 8 ( 1 0 ) ：8 8 9 1 ，1 0 2 5 代颖，施颂椒模的机器人鲁棒自适应分散控制策略 J 上海 交通大学学报，2 0 0 0 。3 4 ( 1 2 ) ：1 6 9 4 1 6 9 8 责任编辑：么丽苹 膏e 膏e 埒e e 辜斗g 斗g 牛e c 斗e 斗g 斗g * g 膏e 斗搴晕拍c 蚌g 帕：

18、斗g 斗晕牛g 斗阜斗晕斗阜斗g 斗g 舟g 斗g 拍膏阜膏g 斗晕斗g 斗g 牛晕斗g 斗g 斗g 斗g 拍艇斗掣斗g 斗阜斗翠水# ( 上接第1 9 5 页)术 J 上海航天，2 0 0 7 ( 6 ) ：4 9 5 5 4 结束语 H 3 = ：i = 2 篱盎竺? j ：窭h o f a 。s i 眠n g l e ：瞄f r e q u e n c y 诵 改进的捕获算法基于并行码相位搜索算法，针 6 A k 。p i 。D 阳。F 高b 。s e d ：P ss a t e 。l l i t e 。q I l 淼。t h o d 。 对收发端载波不同的问题，在产生本地副载波时分S

19、o n 。dN a f i g a t io n ，2 0 0 5 ( 8 ) ：2 7 7 2 8 6 别产生I 路和Q 路两路信号，分别基于捕获算法，最 7 杨俊，武奇生G P S 基本原理及其M a t l a b 仿真 M 西安：西安电 后对捕获到的峰值进行比较，这样可以选择最优的 子科技大学出版社，2 0 0 6 ：1 2 6 1 8 1 捕获结果 参考文献： 1 S c o t tG l e a s o n ，D e m o r G e b r e - E g r i a b b e r G N S S 应用与方法 M 电 子工业出版社，2 0 1 1 ：1 6 2 2 2 杨力基于B O C 调制的导航信号同步接收关键技术研究 D 南京：南京理工大学，2 0 0 9 3 楚横林，李春霞B O C 调制导航信号关键技术研究 J 无线电 工程，2 0 1 0 ，4 0 ( 6 ) ：3 4 3 8 4 王智