文献综述-基于Stm32扫地机器人的控制系统设计

1前言随着人口老龄化的到来和人民对提升生活品质的需要人们对在现实生活场景中取代人力的服务机器人有着迫切的需要。，同时机电，自动控制、计算机、传感器等技术的发展也为制造服务机器人提供了技术支持。扫地机器人是服务机器人中技术最成熟和最为广泛使用的机器人，。它可以自动的在室内行走通过刷扫和吸尘将地面上的碎屑吸收进垃圾收集装置中完成清洁地面的任务。有效的减少了人们清洁地面这种简单重复的家务劳动，节约了劳动力，提高了生活品质。对于许多忙于工作和生活的人来说，扫地机器人已经成为家庭必备的产品。近年来我国扫地机器人销售量猛增，。有数据显示，国内扫地机器人市场近五年的零售量综合增长速度已经超过50%。截至2017年底，国内扫地机器人市场总零售量332.5万台，零售总额约44亿元。对比其他清洁类家电产品，国内扫地机器人的普及率依然较低，具有庞大的市场需求和广阔的发展潜力。2018年国内扫地机器人的市场总量达到53.8亿元，零售总量达到约435万台。众多公司推出了结构各异、种类繁多的扫地机器人产品，。扫地机器人系统通常由四个部分组成，移动机构，传感系统，控制系统和真空吸尘系统。对于工作环境不确定的扫地机器人而言，感知系统和控制系统是提高产品自动化水平的关键。，目前，在扫地机器人控制技术方面，传统的随机碰撞模式使用红外线避障，像无头苍蝇一样到处乱撞，覆盖率低、重复清扫，低下的效率已经不能满足人们的需要。扫地机器人的路径规划根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径。并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖，。根据扫地机器人对环境信息掌握程度的不同，可以分为两种类型:全局路径规划，环境信息完全知道，局部路径规划，环境信息完全未知或部分未知，通过传感器实时地对机器人的周边环境进行探测，以获取障碍物的位置、形状和大小等信息。2国内外现状及发展趋势2.1国外研究现状及发展趋势扫地机器人的诞生最早可以追溯到2001年，瑞士家电品牌伊莱克斯制造了一台名叫“三叶虫”的扫地机器人。三叶虫通过超声波躲避障碍，超声波仿生技术最大的特点在于它可以使扫地机器人很好的规避障碍物，能够在没有光线的情况下行走同时成本高昂。Roomba由iRobot公司于2002年9月发布，是扫地机器人发展历史上的一个里程碑。，Roomba主要适用于木质地板、瓷砖地面、防水地毯和中短毛的地毯，有S、M、，L三种模式，分别对应小、，中、大三种清扫面积。，Roomba以螺旋状运动并逐渐扩大螺旋半径的方式来覆盖整个室内空间，一旦遇到墙壁或其他大型障碍物阻碍时，其特殊的障碍物感应调节器就会抵住墙面保护机身不受损害，同时沿着墙壁开始清扫。当一部分空间清洁完毕后，Roomba会转过90°以相同的方式清洁房间的其他区域，通过分区域的螺旋清扫完成对整个房间的清洁，Roomba清洁能力强而且价格便宜具有较高的性价比在市场上受到欢迎。Roomba扫地机器人iRobot公司将获得专利的vSLAM视觉运算处理技术应用在新一代旗舰产品Roomba，980扫地机器人上，。并应用了多种模式自动智能适应技术，顶部一个斜向上的视觉传感器获取图像信息，通过对图像信息的处理创建地标，通过地标实现机器人的定位和导航，机器人可以清楚了解已清洁和未清洁区域，结合地图进行智能路径规划提高清洁效率。视觉导航系统能够获取丰富的环境信息，可以获得较好的定位、构图效果但在光线不足的情况下，效果不佳。因此Roomba，980扫地机器人使用了多传感器融合技术，具有三重传感系统，Wheel，Odometry，，轮胎里程计，Optical，Float，Sensor，，光学移动传感器和vSLAM视觉运算处理技术。各传感器信息相互补充和校正，使Roomba，980扫地机器人即使是在光线不足，或者单个传感系统不适用时，仍能够较为精确的获取环境信息，从而进行定位和导航，具有较强的环境适应能力。在路径规划技术上，和其它的Roomba扫地机器人一样，Roomba，980扫地机器人使用了iAdapt情景规划算法，具备多重模式的自动智能切换能力。通过多种传感器获取的环境信息和先进的智能算法，超过60次每秒的决策，使扫地机器人能够实时的针对不同的室内环境采取相适应的清洁模式。获得较高的覆盖率和良好的清洁效果，清扫彻底。Roomba，980扫地机器人主要的清洁模式有四种，边角清洁模式、脱困模式、防缠绕模式和重复清扫模式。边角清洁模式，扫地机器人沿墙边角运动，特殊设计的边刷能够对墙壁边缘和角落进行无死角清扫。脱困模式，主要应对狭窄复杂环境中寻找出口，在确保不被困住的同时完成清扫任务。防缠绕模式，在遇到线缆的情况下，特殊设计的主刷将反向旋转以避免缠绕。重复清扫模式，通过进阶版Dirt，Detect污垢探测程序，自动检测地面是否清理干净，对未清洁干净区域进行小范围的重复清扫。为了提高清洁效率，Roomba，980扫地机器人搭载了改进版的三重高效清洁系统，功率也进行了提升。清洁系统可以灵活的调节自身的高度，保证与不同地面环境的良好接触，最大限度的提高清洁效果。边刷可以反向旋转，搅动并扫起粘附在地面上的碎屑，通过真空吸尘装置将它直接吸入垃圾收集盒，对毛发较多的家居环境也可以达到良好的清洁效果。为了使用户对方便的对扫地机器人进行控制和掌握清扫情况，Roomba，980扫地机器人配置了WIFI模块，用户可以通过安装了iRobot，HOME应用程序的手机、平板电脑等设备与扫地机器人连接，通过应用程序可以进行预约、启动、暂停和取消清扫任务等操作。，iRobot，HOME应用程序还可以为用户以地图形式提供清扫后任务情况报告，清楚的显示清洁区域的面积、清洁时间等信息，用户可以方便的按照自己的需要定制个性化的清扫方案，清扫任务存储能够多达30个。为了将扫地机器人限定在特定的区域内，Roomba，980采用虚拟墙设计，在不想让扫地机器人到达的区域设置虚拟墙，扫地机器人遇到虚拟墙后即转向。虚拟墙既可以单独使用也可以组合使用。在家中有易碎品，门口等区域设置虚拟墙，可以有效的防止扫地机器人碰撞和离开清洁区域。Roomba，980扫地机器人具有断点续扫和自动回充功能，当在清洁任务中途出现电量不足时，扫地机器人将记忆当前位置坐标，返回充电桩进行充电，充电完毕后回到原位置继续进行清扫。可以有效的防止重复清扫，提高清洁效率，延长扫地机器人使用寿命。2.2国内研究现状及发展趋势浙江大学的朱世强教授及其团队成功研制了我国第一台能够自主进行地面清扫工作的机器人，该扫地机器人直径为35厘米、高为10厘米。在长5.5米、宽3.5米的模拟环境中，10分钟时间便可以覆盖90%以上的区域。扫地机器人开机后，通过搭载的超声波传感器，探索墙壁并沿着墙角行走以获取环境信息。随后采取局部覆盖和随机清扫相结合的清扫策略对地面进行清扫，能够实现较高的覆盖率。该扫地机器人具有自动回充功能，在完成清扫任务后可以自动返回充电桩进行充电。目前，该扫地机器人已经发展了四代样机，无论是环境适应性还是智能化水平都有较大的提高。科沃斯公司2018年发布的年度高端旗舰机型地宝DN55，具备较强的清洁能力和较高的智能化水平。地宝DN55采用激光SLAM技术，在机身顶端安装有激光雷达，激光雷达高速旋转以获取周边障碍物的点云数据，结合SLAM算法实现定位和构建环境地图。地宝DN55搭载了Smart，Navi，2.0全局规划系统，具备地图存储和更新功能。在第一次使用后自动将地图信息进行存储，下次使用时无需重新构建地图，在环境信息发生改变时，可以自动更新地图。用户可以通过移动智能终端安装应用程序连接扫地机器人，实时的查看构图和清洁任务完成情况。除此之外，还可以进行设置虚拟墙、选区清扫等操作。地宝DN55会依据地图信息对清扫区域进行自动分区，用户可以通过应用程序自主选择清扫区域。在客厅或房间有人活动、休息时，可以让扫地机器人清洁其他区域，可以有效的避免噪音影响。用户可以在应用程序生成的地图上设置虚拟墙，在门口、贵重易碎物品处划线，扫地机器人便会自动的进行规避。地宝DN55具有自动回充功能，在电量不足时可以自动寻找充电桩并进行充电。3总结随着技术的进步，扫地机器人的智能化水平越来越高，人们对扫地机器人的需求也越来越迫切，但高昂的价格成为扫地机器人普及的障碍，iRobot公司Roomba980售价为8899元，国产的科沃斯地宝DN55也达到了2499元的售价。决定扫地机器人的成本主要在于路径规划和导航方式，激光和视觉导航对传感器、微处理器的性能要求高，导致整体价格居高不下。而传统的随机清扫方式性能差，越来越难以满足用户需要。本论文在研究国内外扫地机器人发展趋势与研究的基础上，提出一种低成本、可靠性好的扫地机器人路径规划算法。主要研究内容如下1、基于STM32F103ZET6芯片搭建扫地机器人控制系统，利用超声波、红外等多种传感器采集信息，通过驱动电路驱动电机，使扫地机器人实现清扫作业。2、在研究和分析现有扫地机器人路径规划算法的基础上，提出一种稳定可靠的路径规划算法，并测试效果。3、对系统硬件如MPU-6050、超声波、驱动模块进行硬件驱动设计。软件实现PID控制算法并调试。参考文献[1]傅一元扫地机器人:它们正在发展,它们正在壮大[J].电器，2017年10期:32-34..[2]柴剑.智能扫地机器人技术的研究与实现[D].西安电子科技大学.2013.12.[3]万军，张郭，杨代强.基于STM32的智能扫地机器人避障系统设计的研究[J].中国高新区，2017年13期:22.[4]徐胜华.基于STM32的智能扫地机器人研究与设计[D].广西师范大学.2016.04.[5]Dying.从“小”入手智能家电尝鲜[J].电脑迷，2014年16期:60-61.[6]齐开阳.科沃斯，做对用户有用的机器人[J].机器人产业，2017年5期:68-