1、 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 Market research report on intelligent robot sweeps the floor, and the overall designYang Haorong Wang JianlinAbst
2、ract:robot technology as one of the greatest inventions of the 20th century, since the 1960 s, has acquired great progress. In todays robot technology continues to mature, to shine in the field of industrial robot at the same time, it has quickly in non-industrial sectors such as agriculture, milita
3、ry and service development, and achieved certain results.Key words: market demand intelligent sweeping robot pathfinding algorithm1.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
4、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
5、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
6、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
7、“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
8、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
9、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
10、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
11、)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Arduino Mega 2560 为主体以及基础衍生了诸如 Arduino Uno、Arduino Nano 、Arduino LilyPad、Arduino Ethernet、Arduino Due（使用 SAM3X8E CPU）、Arduino Leonardo、Arduino Yun、Arduino Mini、Arduino pro、 Arduino micro。
12、以及一些以专用场合而设计的型号 Arduino BT、Arduino esplora、Arduino NG、Arduino GSM Shield、Arduino Ethernet Shield、ArduinoWiFiShield、 Arduino Wireless SD Shield、Arduino USB Host Shield、Arduino Motor Shield 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
13、能够同时兼容 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）和 RISC（Reduced Instruction Set Computer，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 Ardui
14、no Mega 2560/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
15、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 Hongzhi Sun，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 5 mm 5
16、 mm 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 191 mV/g，噪声为 35 g/Hz1 /2， z 轴加速度计的灵敏度为 124 mV/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
17、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
18、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，可更好地在非结构化环境下进行感知信息的分析与融合，但是神经网络的学习需要大量的学习样本，训练时间很长 ; 模糊控制算法由于其模拟人类的驾驶经验，易于实现，适用于时变未知环境下的路径规划，实时性较好 早在 1985 年， Sugeno 等运用模糊
19、逻辑算法控制小车沿着两墙体间的路径运动 目前，已提出了一些基于模糊控制的导航算法 ,这算法在未知环境的适应性、路径平滑性及噪声鲁棒性等方面具有良好的表现本文将模糊控制与虚拟子目标相结合，首先模拟人类在未知环境中寻找路径的行为，提出了一种机器人在探测域内确定子目标点的方法，然后设计了一种基于模糊决策控制的机器人行为规划控制器 将机器人感知到的环境信息及子目标点信息做为控制器的输入，输出机器人的行为控制信息，从而控制机器人的运动 该方法可使机器人的行为具有规划性、主动性，并且可有效地逃离多 U 型半封闭区域，有效克服局部最优解的问题与人类在未知环境中规划路径的过程相比，在机器人的行为规划模块首先定
20、义机器人的 3 个基本行为 : 寻找可行路径、避障、奔向目标 其中，因为机器人在探测域内规划路径，所以在寻找子目标的过程中相当于完成了避障的行为，因此，在机器人的探测域内只存在 2 种行为模式，即寻找可行路径及奔向目标的行为 移动机器人的左、右轮速度可控制机器人的前进及转向行为，并且左、右轮速度也容易控制，所以将左、右轮速度的变化量作为变量来描述 III3.2. 机器人寻路两种基本行为1) 寻找可行路径的行为当在机器人的可探测域范围内没有传感器数据突变点( 没有可视点) 时，说明机器人有可能陷入了封闭或者半封闭区域内，所以需要机器人在原地旋转寻找可视点2) 奔向目标行为当机器人在探测域范围内找
21、到可视点( 或者最终目标点在探测域内) ，则机器人转向子目标点方向。3.2.1 主动寻径概念如图 3 所示，传统的纯粹基于传感器的机器人导航方法会使机器人在到达 D 点后才会被动激发避障行为，这就可能导致机器人选择 A-D-E-F-H-M-G 这条路径到达目标点 G 但是从图中可看到，路径 A-B-C-G 显然是最优路径 所以，如何让机器人主动的选择朝向 B 点运动而不是到达 D 点后被动的激发避障行为是实现主动寻径导航的关键 参照人类的寻路经验，人类寻路通常会不自觉地转向可见范围内的可行路径点，这个过程是有主观能动性的，而不是被动激发的过程，所以在机器人系统中，使机器人主动趋向探测域内的可视
22、点 ( 传感器数据突变处 ) 去寻找最优路径，而不是被动的激发行为，这个过程就是主动寻径导航的过程该系统中，机器人首先通过距离传感器等组成的感知模块来感知周围的障碍物信息及与目标点的距离信息 ; 然后，将感知到的环境信息送入行为规划模块对机器人当前的行为进行规划，其中包括当周围存在障碍物时机器人进行的避障行为及在机器人与障碍物保持安全距离时的奔向目标行为 ; 最后，根据规划出的机器人行为去控制机器人运动系统，使机器人做出最优的反应 机器人探测域内最优子目标生成算法类比于人类在未知环境中寻路的过程，如果最终目标点不在机器人的探测域内，那么对于当前环境可行路径的识别能使机器人最大可能地规划出全局最
23、优路径，所以，当机器人无法直接到达最终目标时 ( 最终目标不在当前探测域内 ) ，找到机器人探测域内的最优子目标点，进而引导机器人一步步驶向最终目标点，可使机器人最大可能地找到最优路径探测域内最优子目标点生成算法的基本步骤如下 :步骤 1 如果在最终目标点的方向有障碍物，如图 6( a) 所示，将机器人探测域内的传感器距离突变点 B 点作为最优子目标候选点，计算子目标点的坐标值标点的最大距离，在文中取值传感器的最大探测距离 5 m; 根据该模糊规则表可知，当目标点距离机器人近且在左侧时，则机器人右轮加速，左轮减速，迅速转向目标点 ; 当目标点远且在左侧时，则右轮加速，左轮保持速度不变，平滑转向
24、目标点 ; 当机器人距离目标点近且在前方时，则左右轮保持速度不变，慢慢靠近目标点 ; 当机器人距离目标点远且在前方时，则左右轮同时加速，快速到达目标点 . 为防止在实际物理实验中机器人与障碍物直接相撞，在实验仿真中需要对障碍物进行 “膨化处理 ”，也就是将障碍物的边界扩大在仿真中，机器人的起始点坐标及目标点坐标值是已知的，并且在机器人仿真过程中随机加入了高斯噪声，模拟环境中的突发事件，机器人的自主导航行为更加接近现实环境 4.总结通过本文上述的讨论，我们可以预见在未来随着生活节奏的加快和人们经济能力的日益增加，智能机器人必将走进千家万户。同时，随着社会对绿色环保的要求越来越高，采用太阳能作为主要绿色能源的应用模式也一定受到广泛应用。参考文献：I 王建国，寻迹机器人系统设计【A 】 ，1007-9416(2013)01-0154-02 II李凌宇，卢 翌，陈 兴，许高斌，微机械陀螺仪设计与研究 【A 】 ，10077820( 2013) 09 17205III高静欣，阮晓钢，马圣策，基于模糊行为决策的机器人主动寻径导航【A】 ，0254 0037( 2014) 09 1308 07
