智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析

２０１４牟第１１期

文章编号：１００９—２５５２（２０１４）１１—０１９６—０３

中图分类号：ＴＰ２４２

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１５００９０）

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ＡＴ８９Ｃ５ｌ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：智能机器人；ＡＴ８９Ｃ５１单片机；红外遥感技术

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｒｏｂｏｔ；ＡＴ８９Ｃ５１；ｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

０

引言

现今社会发展迅速，家用电器已逐渐改变为智

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ＧＰＳ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

能电器，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

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

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、ＧＰＳ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，清扫力度更大。１

性大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：２０１４一０１—１３

作者简介：薛慧心（１９８９一），女，本科，研究方向为电子工程。

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

～１９６一万方数据

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

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

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

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

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

前缓冲，并通过红外扫射躲避悬崖地带，防止外翻等

事故。２

出以下解决方案。

３．１

棚９Ｃ５ｌ单片机控制器

ＡＴ８９Ｃ５１是一种低电压的处理器，其性能高，

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，

也可以叫做单片机。这种ＡＴ８９Ｃ５１单片机带有４ｋ字节的Ｆｌａｓｈ处理器，可以反复地擦除１０００余次。

Ａ髓９Ｃ５１单片机的排脚如图ｌ所示。

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。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

图１

ＡＴ８９Ｃ５１单片机排脚

ＡＴ８９Ｃ５１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

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

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ＡＴ８９Ｃ５ｌ单片机来对机器进行有效控

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

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

一１９７—

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。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。

图２

智能扫地机器人底部吸尘口

４

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

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。

地节省了人力物力，为清洁工作做出更多的贡献。

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责任编辑：么丽苹

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（上接第１９５页）

术［Ｊ］．上海航天，２００７（６）：４９—５５．Ｈ

４结束语

改进的捕获算法基于并行码相位搜索算法，针对收发端载波不同的问题，在产生本地副载波时分别产生Ｉ路和Ｑ路两路信号，分别基于捕获算法，最后对捕获到的峰值进行比较，这样可以选择最优的

捕获结果．

［６］Ａｋ。ｐｉ。Ｄ．阳。Ｆ高ｂ。ｓｅｄ：Ｐｓｓａｔｅ。ｌｌｉｔｅ。。ｑＩｌ淼。。。ｔｈｏｄ。…．

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ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＧＮｓＳ２００４．２００４：１７一１９．

责任编辑：薛慧心

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智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析作者：

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英文刊名：

年，卷(期)：薛慧心， XUE Hui-xin黑龙江省社会信用办公室,哈尔滨,150090信息技术Information Technology2014(11)

引用本文格式：薛慧心.XUE Hui-xin 智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析[期刊论文]-信息技术 2014(11)