安防清潔機(jī)器人的研究

榮海波+雍喬+康安+劉婷婷

[摘 要]智能安防清潔機(jī)器人主要由清掃機(jī)器人，和充電站組成，清掃機(jī)器人是最主要的功能體現(xiàn)，該清潔機(jī)器人采用國內(nèi)外高端嵌入式常用的ARM芯片STM32為主控核心板，應(yīng)用系統(tǒng)功能強(qiáng)，性價(jià)比高，基本可以滿足清潔機(jī)器人對(duì)芯片的要求，清潔機(jī)器人由超聲波模塊，紅外模塊，碰撞檢測模塊，充電模塊，鍵盤，液晶顯示等組成，采用高級(jí)C語言，通過模擬退火算法，人工勢場法，模糊邏輯算法，禁忌搜索算法以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭地板全場優(yōu)化。

[關(guān)鍵詞]安防；清潔機(jī)器人；自主規(guī)劃路線

中圖分類號(hào)：TF36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）04-0162-02

[Abstract]Intelligent cleaning robot is mainly composed of a cleaning robot， and charging stations， cleaning robot is the main function of the cleaning robot， the use of domestic and foreign high-end embedded commonly used ARM chip STM32 as the control core board， the application system of strong function， high cost performance， the cleaning robot can meet the requirements of the chip， the cleaning robot by ultrasonic module， infrared module， collision detection module， charging module， keyboard， LCD and other components， the use of advanced C language， simulated annealing algorithm， artificial potential field method， fuzzy logic algorithm， tabu search algorithm to achieve the optimization of the family floor.

[Key words]security； cleaning robot； autonomous planning route

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水品的日益提高，人們越來越想從繁重的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來，于是一款結(jié)合單片機(jī)嵌入式開發(fā)與人工智能結(jié)合的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生——清潔機(jī)器人。目前市面上的清潔機(jī)器人主要服務(wù)于小型家庭，對(duì)于各種復(fù)雜地形的識(shí)別和路徑的規(guī)劃依舊純在嚴(yán)重的不足。本文介紹的安防清潔機(jī)器人集多功能于一體，不僅克服了傳統(tǒng)清潔機(jī)器人對(duì)于各種復(fù)雜地形不能識(shí)別的不足，并且具有路徑規(guī)劃功能，可以因地制宜，自主規(guī)劃最佳路線，達(dá)到節(jié)能，省時(shí)省心的效果。相對(duì)于其它市面上的清潔機(jī)器人，安防清潔機(jī)器人更是將安防與清潔相結(jié)合，巧妙的運(yùn)用了清潔機(jī)器人的靈動(dòng)性，相對(duì)于其它容易被躲過的固定安防設(shè)備，四處游走的清潔機(jī)器人更加具有防盜防止家庭局部火災(zāi)或其它災(zāi)難的能力。

一、總體設(shè)計(jì)

安防清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)思路：

總控制部分：采用意法半導(dǎo)體公司的STM32芯片。具有高性能，低成本，低功耗等特點(diǎn)。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分：采用BTS7960芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有較大過載電流，不易燒毀經(jīng)久耐用。

驅(qū)動(dòng)渦流吸塵部分：渦流吸塵部分對(duì)PWM控制要求低，使用市面上常見的L298N模塊供電。價(jià)格低廉使用方便持久。

傳感器部分：主要使用超聲波模塊進(jìn)行避障，使用紅外對(duì)管防止高處跌落，并使用人體紅外模塊進(jìn)行對(duì)家財(cái)產(chǎn)安全探測，使用GSM模塊對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，火焰報(bào)警模塊能有效探測家中某處小型火災(zāi)。

二、主控部分

一個(gè)性能優(yōu)良的清潔機(jī)器人必然與它的主控芯片有關(guān)，安防清潔機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)需要處理大量不同地形，并實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化路線的既定，所以處理器需要極其強(qiáng)大的性能，并且還需要處理紅外防跌落，火焰報(bào)警等模塊信息，綜合以上要求選定意法半導(dǎo)體公司的STM32作為安防清潔機(jī)器人的主控板。

三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

安防清潔機(jī)器人采用完全集成的大電流BTS7970芯片作為主驅(qū)動(dòng)芯片，主要具有死區(qū)時(shí)間短，防止過熱，過壓，欠壓，過流和短路保護(hù)，低靜態(tài)電流等功能。

電機(jī)采用全橋MOS管驅(qū)動(dòng)，使清潔機(jī)器人具有極快的的剎車和啟動(dòng)，靈活的轉(zhuǎn)向。、驅(qū)動(dòng)電路采用芯片隔離，能防止因突發(fā)原因而燒毀主控板。以下是電路圖和PCB布局圖

四、避障采集部分

安防清潔機(jī)器人避障采用超聲波遠(yuǎn)程測距提前定位；紅外傳感器近距離精確定位；觸動(dòng)開關(guān)防撞作為機(jī)器人的主要避障傳感器。

（一）超聲波遠(yuǎn)程提前測距定位

主要使用三個(gè)超聲波模塊對(duì)前方180°的障礙物進(jìn)行全面提前掃描，類似于生物界中的蝙蝠捕食昆蟲的定位方法，通過發(fā)射器依次不斷地發(fā)射超聲波，再由接收端接收反饋回來的超聲波，通過芯片內(nèi)部自帶的時(shí)鐘計(jì)算時(shí)間差，再在芯片內(nèi)部繪制出前方障礙物的位置。使用超聲波模塊的優(yōu)勢在于十分的價(jià)格低廉，雖然存在一定的盲區(qū)，但是三個(gè)超聲波相互互補(bǔ)幾乎能覆蓋所有盲區(qū)。

（二）紅外近距離精確測量

安防清潔機(jī)器人采用的超聲波模塊對(duì)于近距離的障礙物判斷存在一定的誤差，所以采用紅外傳感器模塊對(duì)超聲波模塊進(jìn)行一定的修正，該模塊是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器，當(dāng)發(fā)射管將調(diào)制過后的紅外線發(fā)射，接收管對(duì)接收的光進(jìn)行解調(diào)接收，能夠準(zhǔn)確判斷近距離的障礙物，并且檢測障礙物的的距離精度均可以通過電位計(jì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

五、吸塵模塊部分

吸塵模塊作為吸塵機(jī)器人的主體部分，吸塵部分主要由吸塵風(fēng)扇和濾塵部分組成，吸塵風(fēng)扇采用離心蝸道吸塵，扇葉采用了阿基米德螺線，離心風(fēng)機(jī)極大的降低了噪音，離心蝸道吸塵相對(duì)于普通風(fēng)扇吸塵擁有更加優(yōu)越的性能，蝸道吸塵更加的節(jié)能，增加了機(jī)器人的續(xù)航能力。濾塵部分主要由箱體和濾塵網(wǎng)構(gòu)成。

六、路徑規(guī)劃部分

路徑規(guī)劃是目前清潔機(jī)器人最主要所面臨的問題，根據(jù)市場調(diào)研得到的目前市面上人們對(duì)于清潔機(jī)器人最煩惱的就是每個(gè)家庭的環(huán)境不同，市面上的大多數(shù)清潔機(jī)器人容易在一個(gè)地方原地打轉(zhuǎn)。路徑規(guī)劃也是目前程序前沿的一個(gè)核心問題之一。目前路徑規(guī)劃對(duì)于系統(tǒng)的主要要求是：

1.在不同地圖中尋找最合適移動(dòng)距離最短的路徑，盡量減少重復(fù)的地域。

2.保證不與地圖中的任何障礙物發(fā)生碰撞，并保證障礙物邊緣地段的清掃。

3.避免不同的家具對(duì)傳感器感知環(huán)境模型造成不可預(yù)知的影響。

4.通過最優(yōu)算法，確定最佳清掃路線，并保證不會(huì)在一些特殊角落陷入死循環(huán)狀態(tài)。

目前清潔機(jī)器人的普及化，遍歷路徑也出現(xiàn)了越來越多的算法，遍歷路徑規(guī)劃是指機(jī)器人根據(jù)傳感器所探知的周圍環(huán)境，按照最優(yōu)化路徑在起始點(diǎn)和終點(diǎn)之間規(guī)劃處一條能夠覆蓋地圖上除去障礙物以外的所有地域。

以下是目前比較前沿的幾種規(guī)劃路線的算法：

（1）人工勢場法。人工勢場法是機(jī)器人導(dǎo)航中提出的一種虛擬規(guī)劃法，原理是將清潔機(jī)器人假象成一種在勢場中的運(yùn)動(dòng)，這種算法運(yùn)用在清潔機(jī)器人這里時(shí)能有效的提高清潔機(jī)器人的清潔效率。但當(dāng)遇到復(fù)雜的地形時(shí)容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，目前市面上比較高端的清潔機(jī)器人采用的就是這種算法。不過，該算法確實(shí)是目前效率較高的算法。

（2）柵格法。柵格法采用的是幾何的方法來清掃，將機(jī)器人假象為一個(gè)點(diǎn)，將需要清掃的空間劃分為一格一格整齊的柵格。。此算法簡單易學(xué)，容易在很多單片機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。但是此算法效率不高，且柵格大小的確定直接影響效率和覆蓋率。家庭的不同大小所需的柵格大小也不盡相同，造成了不同家庭使用效果的不同。

（3）人工智能法。人工智能法是目前最熱門的算法。該算法基于模糊邏輯，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法來解決目前清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題。該算法是最有可能成為以后清潔機(jī)器人規(guī)劃路線的主流算法。但是目前該算法任然具有很大的不足，而且系統(tǒng)過于復(fù)雜對(duì)于主控芯片的要求也比較高，就目前的人工智能算法效率普遍也較低。

前面討論的幾種路徑規(guī)劃算法對(duì)于單片機(jī)而言依舊太過苛刻，經(jīng)過對(duì)單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，最后提出了以下四種遍歷方式：內(nèi)螺旋式，往復(fù)式，橢圓式，隨機(jī)式。經(jīng)過試驗(yàn)，得出結(jié)論往復(fù)式是最適合本機(jī)器人的算法。

七、安防部分

安防清潔機(jī)器人相對(duì)于目前市面上的清潔機(jī)器人最大的優(yōu)勢就在于在普通清潔機(jī)器人的基礎(chǔ)上添加了安防功能。利用了清潔機(jī)器人的移動(dòng)不可預(yù)測性，為安防提供基礎(chǔ)。目前普通安防都是固定于一個(gè)地方的，當(dāng)小偷或其它歹徒有意識(shí)的避開安裝了防衛(wèi)的地方，普通的防衛(wèi)系統(tǒng)根本不能發(fā)現(xiàn)家中的偷竊等行為。而清潔機(jī)器人工作的最佳時(shí)間點(diǎn)正是主人家不在家或者睡覺這種小偷容易光顧的時(shí)候，行走著的機(jī)器人對(duì)于家庭不該出現(xiàn)人時(shí)的監(jiān)控幾乎沒死角。所以在安防清潔機(jī)器人相對(duì)于普通的安防更加有優(yōu)勢。當(dāng)火災(zāi)才發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)苗頭時(shí)，就很容易被安防清潔機(jī)器人發(fā)現(xiàn)。從苗頭上就能發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，避免過大的損失。所以清潔機(jī)器人相對(duì)于目前普通的安防設(shè)備火災(zāi)報(bào)警設(shè)備擁有更大的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多功能。

八、結(jié)論和后期發(fā)展

在未來幾年中，全智能清潔機(jī)器人必將普及，將人們從大量的家庭清潔中解放出來，而且目前都是單一產(chǎn)品，一機(jī)多用的理念也深入人心，安防清潔機(jī)器人不僅具備目前市面上清潔機(jī)器人的特性，更是利用清潔機(jī)器人的不斷移動(dòng)性將安防功能做得比普通安防更加出色。未來清潔機(jī)器人的普及必將帶動(dòng)路徑規(guī)劃算法的發(fā)展，而多功能性復(fù)合清潔機(jī)器人必將更有優(yōu)勢。并且本安防清潔機(jī)器人核心控制板還有很多空閑資源尚未使用，相信在不久的將來還可以在原有基礎(chǔ)上開發(fā)出更多家庭實(shí)用型功能。

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