智能吸塵器傳感器布局及其避障策略研究

【摘要】智能吸塵器能夠在陌生復雜環(huán)境中完成全方位無死角清掃，完全依賴于多種傳感器合理布局的相互配合。本文介紹了幾種由簡單到復雜的布局方案及其對應避障行走策略。

【關鍵詞】吸塵器;智能;傳感器;避障

Abstract：intelligent cleaner can in a strange environment to complete the complex full range and no dead corner cleaning，cooperate fully dependent on the rational distribution of a plurality of sensor.This paper introduces several by the layout scheme of simple to complex and its corresponding avoidance running strategy.

Keywords：cleane;intelligent;sensor;obstacle avoidance

1.引言

智能吸塵器是一種無需人為干預即可完成對所處環(huán)境的偵測并完成預定清掃任務的全智能家用電器，由于其優(yōu)良的工作性能兒獲得了廣大消費者的青睞和關注，但目前的智能吸塵器仍存在諸如覆蓋率不高、避障能力有限、價格持續(xù)居高不下等亟待完善解決的問題，針對該問題下文提出了幾種可供參考的設計方案。

2.智能吸塵器的總體設計方案

智能吸塵器自啟動后，傳感器采集到的相關數據交由微處理器MCU進行綜合分析判斷，再根據分析結果驅動兩電機，完成吸塵器自身姿態(tài)的校正任務。本文由于采用了多種不同類型的傳感器，所占用的單片機片上資源也各不相同，為了很好的完成不同方案下的任務，我們采用了STC89C52和MC9S12兩種單片機;吸塵器的機身采用了兩驅一輔的圓盤設計，這樣的設計可以很好的保障機器行走的靈活性，減小自身的摩擦阻力;吸塵器的外盒及其支撐材料均由鋁合金和ABS工程塑料構成，可大大降低機器的重量;內置了陀螺儀、超聲波傳感器、紅外傳感器、接近開關、電子羅盤等模塊，可用于采集機器的各種運行參數，及時的修正自身的運動軌跡，充分保障系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性。圖1是對智能吸塵器設計的簡單邏輯描述。

圖1 智能吸塵器整體布局

3.傳感器設計方案

3.1 紅外傳感器

紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為信息傳播介質的測量感知系統(tǒng)，采用發(fā)射固定波長的紅外線并接收同一波長的回波信號。常見傳感器有紅外對管等。有點：原理構造簡單，探測角度小，方向性強，靈敏度較高;缺點：容易受到光照強度、灰塵、霧霾等因素影響，所以，綜合上述優(yōu)缺點分析，其單獨使用往往不能很好的滿足我們的控制精度。

3.2 超聲波探測傳感器

超聲波是一種震動頻率高于常見聲波的機械波，其聲波范圍大于16KHZ以上。超聲波傳感器通常有壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、金屬網格組成，換能網片在電壓的激勵下發(fā)生機械振動產生超聲波。超聲波傳感器要比紅外傳感器擁有交由的環(huán)境適應性，在各種惡略環(huán)境中，依然可以免受影響，順利完成數據采集任務。與紅外傳感器搭配使用則可以較好地解決常見避障問題。其優(yōu)點可總結為：穿透能力強，靈敏系數高，可對障礙物進行測距處理;缺點依然是紅外類似，無法較好辨別障礙物的物理特性。

測距工作就是依據其良好的方向性和單向反射性來完成的，從由單片機控制發(fā)出聲波開始計時，波形遇到障礙后反射被傳感器的接收裝置所接收，停止計時，計時時間為T1，由聲波在空氣中傳播速度公式即可把距離計算出來，具體計算公式為D=340T/2=KT（K值由于常常受到電子電路、晶振頻率和單片機相應速度的影響而常常在165-175之間變動，具體實際數據需要實驗測得）。

3.3 接觸開關

接觸開關是一種靜態(tài)被動式傳感器，當物體接近接觸開關的動作距離時，不需要發(fā)生接觸式的機械形變就可以使裝置可靠動作，從而為單片機提供一個的穩(wěn)定的數字量。將接觸開關安置在車體的適當位置即可大體采集到周圍環(huán)境障礙物的大小尺寸，選擇出一條最優(yōu)的避障路徑。

3.4 陀螺儀

陀螺儀簡單來說就是一個可以精確控制裝置的運動角度的電子器件，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向不受外力影響，不會發(fā)生改變，利用陀螺儀這一特性就可以精準控制吸塵器的運動軌跡。

3.5 電子羅盤

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器、和MCU構成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時進行補償。

4.傳感器布局探索與避障算法

4.1 沿邊行走算法

將超聲波傳感器至于車體右側中央位置，控制超聲波傳感器的測量值，比較測量值與設定值，當設定值與測量值不一致產生偏差時，微處理器做出相應的判斷處理，并變成測試其靠右貼墻行走效果。由實驗效果得出當PWM值輸出較小時，可保持直行一段距離后迅速偏離原先運動軌跡。

為了更好的解決上述問題，我們大膽提出了增加紅外輔助傳感器和改進調用超聲波返回的測量值的具體算法的兩種改進措施。

圖2 沿邊算法示意圖

該方案采用了三支紅外傳感器的設計，安裝前調整紅外傳感器的靈敏距離，將2、3調整到同一靈敏距離，單純的沿邊僅有2，3傳感器即可實現，而傳感器1則是為了保持一個適當的墻距，保障車體和障礙物的安全距離，以減輕重復碰撞對車體和障礙物的損傷程度。

通過對傳感器采集到的不同信號來調整車體的運動姿態(tài)。如若傳感器2采集信號由無障礙的高電平“1”變?yōu)榈碗娖健?”時，此時前部右傾，單片機控制電機驅動部分，及時向左調整機身姿態(tài)，從而保持靠墻前行;同理車體后部左傾;在缺少紅外1傳感器的情況下，由于車體慣性，在調姿過程中不斷的與障礙物發(fā)生碰撞，故在車體右側中央位置安裝紅外1傳感器，傳感器1的靈敏具體設置為1-2cm，常態(tài)設置為無障礙，當車體距離障礙物過近時，單片機可以及時做出向左調整處理。

圖3 彎道處理示意圖

當遇到上圖這樣的拐角處時，上述設計便無法正常識別。此時，可把中央右側的紅外傳感器替代成超聲波傳感器，超聲波傳感器可對距離數據進行實時測量;當具體大于設定值時，車體大右轉。

4.2 全局行走規(guī)劃設計

4.2.1 隨機遍歷行走

隨機遍歷行走策略，即當傳感器檢測到障礙物時，由單片機控制車體隨機轉過一定角度，避開障礙物，繼續(xù)前行。該算法僅需在車體前后分別安裝兩個紅外傳感器即可，硬件配置、算法設計均較為簡單如圖4所示。當室內障礙物較少時，單次清掃可以覆蓋50%--60%，理論上當時間趨于無窮大時，可以整體全面積覆蓋，但由于此法所用配置簡單，在較為復雜環(huán)境中可能會陷入無限死循環(huán)當中，無法退出障礙區(qū)域。

圖4 隨機遍歷行走示意圖

4.2.2 外螺旋遍歷算法

圖5 外螺旋遍歷算法示意圖

外螺旋遍歷算法，即機器在開始工作以后，以一定的角速度做半徑不斷擴大的外旋運動。當機器沒有遇到障礙時可以無休止的做外旋運動，這種方法在空曠的房間內時，重復率低，覆蓋面高，效率較好;當傳感器在機器旋轉過程中，檢測到前方障礙物時，隨機轉過一個角度，避開障礙物后繼續(xù)以外旋方式清掃室內地面，此時機器的重復率升高，較難保證清掃效率，且死角處無法清理。

4.2.3 往復式遍歷算法

圖6 往復式遍歷算法

往復式遍歷算法，如圖6即機器先縱向遍歷后再進行橫向遍歷的算法，理論上從上一條軌跡的尾端到下一條軌跡的始端所轉過的角度為5度到10度。機器直線行走，遇到障礙物就轉彎掉頭繼續(xù)沿相反方向前行，該算法有一定的重復率，有一定的清掃盲區(qū)，且需要借助陀螺儀實時讀取機器離直線位置的偏移量，實現起來較為復雜。

5.總結與展望

本文對智能吸塵器提出了幾種不同的路徑規(guī)劃方案，并對相關設計作了大量實驗，充分驗證設計方案的可行性。找出了主要影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的主要因素，同時對不同環(huán)境中的相關參數進行了校驗，為盲區(qū)的清理工作提供了可靠數據依據;下一步，我們將融合更多不同種類的傳感器，來滿足對房間所有障礙物的探測，從而更好的實現避障功能。

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作者簡介：段霖（1991—），山西忻州人，大學本科，現就讀于臨沂大學汽車學院，2012年獲全國電子大賽山東賽區(qū)二等獎。

通訊作者：王春梅（1979—），山東臨沂人，碩士，講師，電子大賽指導教師，主要研究方向：電子信息、信號與信息處理。