掃地機器人工作流程與路徑規劃技術

掃地機器人的工作流程

1、首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。

2、機器人一旦開始工作，便控制清掃機構進行清掃、掃地機構開始掃地、擦地機構開始擦地。

3、機器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進行分析和決策產生機器人行走的路徑。

4、當路徑規劃需要機器人實現轉向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實現轉向。

5、工作期間機器人可以通過LCD顯示一些相關信息（比如工作模式、工作計時或溫度）。

6、遙控器除了可以控制清潔機器人的啟停，還可以對機器人進行定時，讓機器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。

機器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內環境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等；然后根據獲得的信息，選定相應的控制策略；通過以單片機為核心的控制系統進行障礙物判斷、避障策略選擇和運動行走實施。機器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對機器人進行定時，LCD實時的顯示定時的倒記時和當前的溫度值。

掃地機器人傳感器系統

任何機器人都離不開傳感器，機器人要具備智能行為必須不斷感知外界環境，從而做出相應的決策行為。

超聲波傳感器

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質的界面處，會產生反射現象利用這一特性，就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用其具體的計算公式如下：

s＝v×t／2

注：s：為障礙物與吸塵器之間的距離；

t：為發射到接收經歷的時間；

v：為聲波在空氣中傳播的速度

在掃地機器人中，避障功能的實現正是利用了這一超聲波測距的原理它的傳感器部分由三對（每對包括一個發射探頭和一個接收探頭）共六個超聲波傳感頭組成由單獨的振蕩電路產生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號在控制器送來的路選信號的作用下，40kHz的振蕩信號被加在超聲發射探頭的兩端，從而產生超聲信號向外發射；該信號遇到障礙物時，產生反射波，當這一反射波被接收器接收后，根據前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時，根據信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

超聲波傳感器采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發射的聲波部分地發射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物，經單片機系統處理判斷前方物體的大小、遠近及大體屬性。

紅外測距傳感器

紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，即可利用紅外線的返回信號來識別周圍環境的變化。

接觸式傳感器

接觸式厚度傳感器，通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等（見位移傳感器）進行接觸式厚度測量。為了連續測量移動著的物體的厚度，常在位移傳感器的可動端頭上安裝滾動觸頭，以減少磨損。接觸式厚度傳感器可測量物體高度，空間大小。全能清潔機器人可利用這一點探測障礙物的高度，進一步做出判斷發揮它的功能。

紅外光電傳感器

把渾濁度傳感器的外殼固定在被測箱體內，采用一定波長的紅外發光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，檢測其透射光強來檢測溶液渾濁度的程度。紅外發光二極管發射的紅外光穿透被測溶液的介質，被接收端的光電三極管接受，產生光電流。由于溶液含有的介質、灰塵的顆粒大小、密度不同，光電三極管的光電流近似為線性變化。經濾波后輸出，即得到與渾濁度相關的檢測信號。

防碰撞傳感器

因各種因素的影響，掃地機器人難免會有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開關傳感器來感應車體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使掃地機器人做出相應的決策。

在掃地機器人的前端設計了約180°的碰撞板，在碰撞板左右兩側各裝有一個光電開關。光電開關由一對紅外發射對管組成，發光二極管發射的紅外光線通過掃地機器人機身特制的小孔被光敏二極管接受，當機身碰撞板受到碰撞時，碰撞板就會擋住機身特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統傳達信息。光電開關工作原理如圖所示。此結構可避免測量盲區帶來的誤差。掃地機器人在任何方向上的碰撞，都會引起左右光電開關的響應，從而根據碰撞的方向做出相應的反應。

防跌落傳感器

為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置。

防跌落傳感器也是利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離，當超過限定值時，向控制器發送信號，控制器控制掃地機器人進行轉向，改變掃地機器人前進方向，從而實現防止跌落的目的。掃地機器人防止跌落。

防過熱傳感器

為了防止掃地機器人持續工作導致電機過熱，從而導致電路的燒毀，在掃地機器人電路板上安裝兩個溫度傳感器。當掃地機器人工作一段時間電機溫度達到一定限度后一個溫度傳感器發送信號給控制器，控制器再控制掃地機器人停止工作，并運行散熱風扇進行散熱。當溫度降到一定程度后，另一個溫度傳感器發送信號給控制器，控制器在控制掃地機器人繼續工作。

床底深度清掃

床底、沙發底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點清掃，以保證清潔度。為實現此功能，在掃地機器人正面安裝8個光敏傳感器。

掃地機器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強較弱。當掃地機器人運行離開床底或柜子底時，光敏傳感器接收到的光強發生變化，向控制器發送信號，控制器發出控制信號，使掃地機器人轉向，重新回到暗處，繼續進行清掃。

灰塵盒防滿傳感器

為了檢查掃地機器人灰塵盒中的灰塵是否裝滿，在灰塵盒兩側安裝變介質型電容傳感器。當灰塵盒中灰塵高度到達電容傳感器高度時，電容傳感器中的介質發生改變，由于灰塵的介電常數與空氣的介電常數不同，從而引起傳感器電容變化，傳感器將信號傳給控制器，控制器控制掃地機器人發出報警信號，提醒主人應該清理灰塵盒了。

低電量自動返回充電功能

掃地機器人所帶電池容量有限，所以就需要在電量低時自動返回充電基座進行充電再返回原位置繼續打掃。當電量低于限定值時，控制器會向紅外線發射器發送信號，紅外線發射器向四周發射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器，感受到來自掃地機器人發射來的紅外線后，會向掃地機器人發射紅外線。掃地機器人內部的紅外線傳感器接收到后會向控制器發送信號，控制器就會控制掃地機器人按照接受到紅外線的方向找到充電基座，并自動返回進行充電。

邊緣檢測傳感器

邊緣檢測傳感器是一個機械開關，開關的觸發端設計成一個滑輪結構，在機器人的兩側各裝有一個，用于保證機器人可以始終貼著墻的邊緣走。這樣就可以對墻壁邊緣死角部分進行更好的清掃。

光電編碼器

光電編碼器是掃地機器人上的位置和速度檢測的傳感器，掃地機器人上的光電編碼器通過減速器和驅動輪的驅動電機同軸相連，并以增量式編碼的方式記錄驅動電機旋轉角度對應的脈沖。由于光電編碼器和驅動輪同步旋轉，利用碼盤、減速器、電機和驅動輪之間的物理參數，可將檢測到的脈沖數轉換成驅動輪旋轉的角度，即機器人相對于某一參考點的瞬時位置，這就是所謂的里程計。光電編碼器已經成為在電機驅動內部、輪軸，或在操縱機構上測量角速度和位置的最普遍的裝置。因為光電編碼器是本體感受式的傳感器，在機器人參考框架中，它的位置估計是**的。

電子羅盤

電子羅盤是利用地磁場，檢測電子羅盤模塊相對于地磁場方向的偏轉角度的傳感器。電子羅盤模塊是由高可靠性的磁性傳感器及驅動芯片組成，集成度非常高，實現了高可靠性、高精度、強抗磁場干擾的數碼電子羅盤功能。電子羅盤模塊有兩個磁性傳感器和一個驅動芯片構成。磁性傳感器里面包含一個LR振蕩電路，當磁性傳感器與地球磁感線平行方向夾角發生變化時，LR振蕩電路的磁感應系數也會發生變化。驅動芯片通過磁性傳感器磁感應系數的變化可以計算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，驅動芯片可以連接三個磁性傳感器，這三個磁性傳感器方向互為垂直，這樣就可以測量在三維方向上與地球磁感線的夾角，從而得到當前的三維方向。電子指南針模組只要得到水平方向上與地球磁感線的夾角就可以測得方向。

陀螺儀

針對電子羅盤容易受到電磁干擾以及光電編碼器會受到輪子打滑等不確定因素造成的角度測量不準的特點，確定物體的運動方向還需要一個傳感器，在上述情況發生時能夠精確測量運動物體運動的角度。陀螺儀是用來測量運動物體的角度、角速度和角加速度的傳感器，它能夠有效解決上述問題。

掃地機器人路徑規劃技術

掃地機器人的路徑規劃就是根據機器人所感知到的工作環境信息，按照某種優化指標，在起始點和目標點規劃出一條與環境障礙無碰撞的路徑，并且實現所需清掃區域的合理完全路徑覆蓋。

根據機器人對環境信息知道的程度不同，可以分為兩種類型：環境信息完全知道的全局路徑規劃和環境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機器人的工作環境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規劃。

對未知區域的邊沿學習

由于掃地器人采用的是紅外線傳感器，考慮到紅外線的探測范圍和清掃環境的未知性，采用了一種沿邊學習的方式，即讓清潔機器人從指定位置沿墻壁及其靠近墻壁的障礙物外緣按逆時針（或順時針）方向繞房行走一周，行走過程中實時記錄清潔機器人中心點的位置坐標，這樣就可以大致描述出清掃環境的輪廓及靠墻障礙物的分布情況。并記錄下當y坐標達到**值ymax時，x能達到的**值xmax（考慮到障礙物可能存在于墻壁的右下角）。

在機器人的整個運動過程中，采用角度測量系統對當前的自身角度進行檢測并由光電編碼器得到在該方向上運行的位移，通過實時記錄，并對運動路線進行積分，得到當前位置。

全區域覆蓋路徑規劃方案

若該區域內無任何障礙物出現，則主要是控制程序驅動掃地機器人在該區域內做直線帶狀往復運動，當機器人前方的紅外傳感器檢測到其運動到x方向**位置，則機器人繞右側輪子轉180°，在機器人轉角時，只驅動一個驅動輪，以另一個驅動輪為支點向左或向右轉，這樣做能夠使得機器人在轉過180°后正好移過一個車位，保證機器人在往返清掃過程中不留下清掃死區。

若在運動過程中遇到障礙物，則機器人能夠智能越障。障礙物主要分三種情況，一種是靠最遠處墻壁的障礙物，如障礙物D，第二種是不靠墻障礙物，第三種是其他靠墻障礙物。由于在清掃前，機器人進行了邊沿學習，獲得了空間的邊緣信息，因此可自動將第三種障礙物作為墻壁處理。若障礙物不是靠墻障礙物，則機器人能利用紅外測距傳感器沿障礙物邊沿行走，直到其在y軸方向的位置移動一個車位，然后轉180°運動。同時系統內的存儲單元可以記錄該障礙物的y軸**坐標和最小坐標，即記錄障礙物在y軸方向的尺寸，當機器人超高障礙物運動到x軸**或者最小位置處時，需要沿y軸反方向走一個障礙物尺寸的距離，然后繼續清潔障礙物另一側的區域。若障礙物靠最遠處墻壁時，若y軸達到**值，且x軸方向未達到xmax，且前方傳感器檢測到障礙物，則機器人繞過障礙物運動y軸方向最遠處，清掃剩余區域，當y軸方向和x軸方向同時達到邊沿檢測時得到的**位置值時，停止檢測。