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掃地機器人的人工智能與傳感器

近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的飛速發(fā)展，智能機器人技術逐漸成為現(xiàn)代機器人研究領域的熱點。其中，服務機器人開辟了機器人應用的新領域。隨著人們生活水平的提高，健康、舒適的家居環(huán)境越來越被更多的人所關注。買房、裝修成為人們茶余飯后談論的熱點話題，但裝修后又臟又累的衛(wèi)生清掃工作，成為困擾家庭主婦的又一大難題。對不少家庭而言，清潔機器人已成為清潔家庭的必備小家電。自動進行房間地面清潔的自動掃地機器人，集機械學、電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、機器人技術、人工智能等諸多學科為一體。自動掃地作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，掃地機器人，又稱自動打掃機、智能吸塵、機器人吸塵器等，是智能家用電器的一種，能憑借一定的人工智能，自動在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理的功能。本設計掃地機器人采用刷掃吸塵方式，機身為無線機器，以圓盤型為主，使用充電電池運作，操作方式使用遙控器、或是按機器上的操作面板相應按鈕。本次設計的掃地機器人可設定時間預約打掃，自行充電。前方設置超聲破測距傳感器，可偵測障礙物，如碰到墻壁或其他障礙物，會自行轉彎，從室內(nèi)邊沿開始走矩形路線，有規(guī)劃清掃地區(qū)。掃地機器人的工作原理及特點掃地機器人由微電腦控制，可實現(xiàn)自動導航并對地面進行清掃和吸塵，通過碰撞頭實現(xiàn)對前方障礙物的躲避和繞過可以使所到角落得到清潔，同時兩個超大邊掃輪的設計，可使角落和地面掃的更徹底，更干凈，兩個清掃輪的相對旋轉，更使得垃圾不會從機體底部溜掉，清潔更完善，同時清掃吸塵一體的雙重作用，使掃起來的塵土更有規(guī)律和順暢的進入垃圾收集盒內(nèi)，并且通過在前輪和清掃輪動力箱內(nèi)上安裝光電傳感器，可以使該機器人擁有自動防機體卡死和掃輪卡死的功能，當被卡住使其自動后退或關機，并在碰撞頭上裝有紅外反射探測器，可自動判斷前方是否懸崖，并自動繞開。特點： 1、掃地省時、省力、提高工作效率、能源利用率：整個清潔過程不需要人控制，減輕人的操作負擔，人們可以利用節(jié)省的時間做其他有意義的事。 2、低噪音：小于50分貝，清潔房間的過程免受噪音之苦。 3、凈化空氣：內(nèi)置活性碳、吸附空氣中有害物質。 4、輕便小巧：輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。掃地機器人的關鍵技術掃地機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成：移動機構、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構是掃地機器人的主體，決定了機器人的運動空間，一般采用輪式機構。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。隨著近年來計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的迅速發(fā)展，掃地機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。掃地機器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義。近年來對智能機器人的研究表明，對于工作在復雜非結構環(huán)境中的自主式移動機器人，要進一步提高其自動化程度，主要依靠模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當人工智能方法，還需要進一步開發(fā)全局模型，從而為機器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對掃地機器人發(fā)展影響較大的關鍵技術是:傳感技術、智能控制技術、路徑規(guī)劃技術、掃地技術、電源技術等。掃地機器人的機械結構掃地機器人主要包括以下幾部分： 1、個行走驅動輪及驅動電機。該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動。殼體前端和側面裝有紅外開關，作為碰撞檢測傳感器。底面的3個紅外開關作為臺階檢測傳感器，防止跌落。驅動輪上裝有光電編碼盤，可以對輪速進行檢測和控制，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。同時還擴展了超聲波傳感器，用于精確定位的需要； 2、清掃機構。用電機帶動兩個清掃刷，使左面清掃刷順時針轉動，右面逆時針轉動，這樣就可以在清掃灰塵時將灰塵集中于吸風口處，為掃地機構的工作做準備； 3、掃地機構。制造強大的吸力，將灰塵吸入灰塵存儲箱中； 4、擦地機構。在清掃、掃地之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦除殘留在地面上的細小灰塵，保證清潔工作的質量。掃地機器人的工作流程 1、首先可以通過鍵盤或者遙控器啟動清潔機器人，讓它開始清掃工作。 2、機器人一旦開始工作，便控制清掃機構進行清掃、掃地機構開始掃地、擦地機構開始擦地。 3、機器人開始工作，傳感探測模塊就開始不斷地采集外部信息，送到CPU進行分析和決策產(chǎn)生機器人行走的路徑。 4、當路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉向的時候。CPU就分別改變左右輪的速度，通過差速來實現(xiàn)轉向。 5、工作期間機器人可以通過LCD顯示一些相關信息(比如工作模式、工作計時或溫度)。 6、遙控器除了可以控制清潔機器人的啟停，還可以對機器人進行定時，讓機器人在一定時間后開始工作或者工作一定時間后停止工作。機器人利用安裝的各類傳感器來獲取室內(nèi)環(huán)境以及自身的基本信息，如障礙物的位置、自身走過的距離等;然后根據(jù)獲得的信息，選定相應的控制策略;通過以單片機為核心的控制系統(tǒng)進行障礙物判斷、避障策略選擇和運動行走實施。機器人面板上有控制其開始/停止工作的按鍵。同時也可以通過遙控來控制，遙控還可以用來對機器人進行定時，LCD實時的顯示定時的倒記時和當前的溫度值。掃地機器人傳感器系統(tǒng) 任何機器人都離不開傳感器，機器人要具備智能行為必須不斷感知外界環(huán)境，從而做出相應的決策行為。超聲波傳感器超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質的界面處，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用其具體的計算公式如下： s＝v×t／2 注：s：為障礙物與吸塵器之間的距離； t：為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間； v：為聲波在空氣中傳播的速度在掃地機器人中，避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理它的傳感器部分由三對（每對包括一個發(fā)射探頭和一個接收探頭）共六個超聲波傳感頭組成由單獨的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號在控制器送來的路選信號的作用下，40kHz的振蕩信號被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號向外發(fā)射；該信號遇到障礙物時，產(chǎn)生反射波，當這一反射波被接收器接收后，根據(jù)前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。超聲波傳感器采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物，經(jīng)單片機系統(tǒng)處理判斷前方物體的大小、遠近及大體屬性。紅外測距傳感器紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，即可利用紅外線的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。接觸式傳感器接觸式厚度傳感器，通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等（見位移傳感器）進行接觸式厚度測量。為了連續(xù)測量移動著的物體的厚度，常在位移傳感器的可動端頭上安裝滾動觸頭，以減少磨損。接觸式厚度傳感器可測量物體高度，空間大小。全能清潔機器人可利用這一點探測障礙物的高度，進一步做出判斷發(fā)揮它的功能. 紅外光電傳感器把渾濁度傳感器的外殼固定在被測箱體內(nèi)，采用一定波長的紅外發(fā)光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，檢測其透射光強來檢測溶液渾濁度的程度。紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光穿透被測溶液的介質，被接收端的光電三極管接受，產(chǎn)生光電流。由于溶液含有的介質、灰塵的顆粒大小、密度不同，光電三極管的光電流近似為線性變化。經(jīng)濾波后輸出，即得到與渾濁度相關的檢測信號。防碰撞傳感器因各種因素的影響，掃地機器人難免會有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開關傳感器來感應車體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使掃地機器人做出相應的決策。在掃地機器人的前端設計了約180°的碰撞板，在碰撞板左右兩側各裝有一個光電開關。光電開關由一對紅外發(fā)射對管組成，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線通過掃地機器人機身特制的小孔被光敏二極管接受，當機身碰撞板受到碰撞時，碰撞板就會擋住機身特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統(tǒng)傳達信息。光電開關工作原理如圖所示。此結構可避免測量盲區(qū)帶來的誤差。掃地機器人在任何方向上的碰撞，都會引起左右光電開關的響應，從而根據(jù)碰撞的方向做出相應的反應。防跌落傳感器為了防止掃地機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖所示。防跌落傳感器也是利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離，當超過限定值時，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉向，改變掃地機器人前進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。掃地機器人防止跌落示意圖如圖所示。防過熱傳感器為了防止掃地機器人持續(xù)工作導致電機過熱，從而導致電路的燒毀，在掃地機器人電路板上安裝兩個溫度傳感器。當掃地機器人工作一段時間電機溫度達到一定限度后一個溫度傳感器發(fā)送信號給控制器，控制器再控制掃地機器人停止工作，并運行散熱風扇進行散熱。當溫度降到一定程度后，另一個溫度傳感器發(fā)送信號給控制器，控制器在控制掃地機器人繼續(xù)工作。床底深度清掃床底、沙發(fā)底、柜子底等地方相對較臟，因此這些地方需要重點清掃，以保證清潔度。為實現(xiàn)此功能，在掃地機器人正面安裝8個光敏傳感器。掃地機器人在床底或柜子底開始工作后，光敏傳感器接收的光強較弱。當掃地機器人運行離開床底或柜子底時，光敏傳感器接收到的光強發(fā)生變化，向控制器發(fā)送信號，控制器發(fā)出控制信號，使掃地機器人轉向，重新回到暗處，繼續(xù)進行清掃。灰塵盒防滿傳感器為了檢查掃地機器人灰塵盒中的灰塵是否裝滿，在灰塵盒兩側安裝變介質型電容傳感器。當灰塵盒中灰塵高度到達電容傳感器高度時，電容傳感器中的介質發(fā)生改變，由于灰塵的介電常數(shù)與空氣的介電常數(shù)不同，從而引起傳感器電容變化，傳感器將信號傳給控制器，控制器控制掃地機器人發(fā)出報警信號，提醒主人應該清理灰塵盒了。低電量自動返回充電功能掃地機器人所帶電池容量有限，所以就需要在電量低時自動返回充電基座進行充電再返回原位置繼續(xù)打掃。當電量低于限定值時，控制器會向紅外線發(fā)射器發(fā)送信號，紅外線發(fā)射器向四周發(fā)射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器，感受到來自掃地機器人發(fā)射來的紅外線后，會向掃地機器人發(fā)射紅外線。掃地機器人內(nèi)部的紅外線傳感器接收到后會向控制器發(fā)送信號，控制器就會控制掃地機器人按照接受到紅外線的方向找到充電基座，并自動返回進行充電。邊緣檢測傳感器邊緣檢測傳感器是一個機械開關，開關的觸發(fā)端設計成一個滑輪結構，在機器人的兩側各裝有一個，用于保證機器人可以始終貼著墻的邊緣走。這樣就可以對墻壁邊緣死角部分進行更好的清掃。光電編碼器光電編碼器是掃地機器人上的位置和速度檢測的傳感器，掃地機器人上的光電編碼器通過減速器和驅動輪的驅動電機同軸相連，并以增量式編碼的方式記錄驅動電機旋轉角度對應的脈沖。由于光電編碼器和驅動輪同步旋轉，利用碼盤、減速器、電機和驅動輪之間的物理參數(shù)，可將檢測到的脈沖數(shù)轉換成驅動輪旋轉的角度，即機器人相對于某一參考點的瞬時位置，這就是所謂的里程計。光電編碼器已經(jīng)成為在電機驅動內(nèi)部、輪軸，或在操縱機構上測量角速度和位置的最普遍的裝置。因為光電編碼器是本體感受式的傳感器，在機器人參考框架中，它的位置估計是最佳的。電子羅盤電子羅盤是利用地磁場，檢測電子羅盤模塊相對于地磁場方向的偏轉角度的傳感器。電子羅盤模塊是由高可靠性的磁性傳感器及驅動芯片組成，集成度非常高，實現(xiàn)了高可靠性、高精度、強抗磁場干擾的數(shù)碼電子羅盤功能。電子羅盤模塊有兩個磁性傳感器和一個驅動芯片構成。磁性傳感器里面包含一個LR振蕩電路，當磁性傳感器與地球磁感線平行方向夾角發(fā)生變化時，LR振蕩電路的磁感應系數(shù)也會發(fā)生變化。驅動芯片通過磁性傳感器磁感應系數(shù)的變化可以計算出磁性傳感器與地球磁感線之間的夾角，驅動芯片可以連接三個磁性傳感器，這三個磁性傳感器方向互為垂直，這樣就可以測量在三維方向上與地球磁感線的夾角，從而得到當前的三維方向。電子指南針模組只要得到水平方向上與地球磁感線的夾角就可以測得方向。陀螺儀針對電子羅盤容易受到電磁干擾以及光電編碼器會受到輪子打滑等不確定因素造成的角度測量不準的特點，確定物體的運動方向還需要一個傳感器，在上述情況發(fā)生時能夠精確測量運動物體運動的角度。陀螺儀是用來測量運動物體的角度、角速度和角加速度的傳感器，它能夠有效解決上述問題。掃地機器人路徑規(guī)劃技術掃地機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同，可以分為兩種類型:環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。對未知區(qū)域的邊沿學習由于掃地器人采用的是紅外線傳感器，考慮到紅外線的探測范圍和清掃環(huán)境的未知性，采用了一種沿邊學習的方式，即讓清潔機器人從指定位置沿墻壁及其靠近墻壁的障礙物外緣按逆時針（或順時針）方向繞房行走一周，行走過程中實時記錄清潔機器人中心點的位置坐標，這樣就可以大致描述出清掃環(huán)境的輪廓及靠墻障礙物的分布情況。并記錄下當y坐標達到最大值ymax時，x能達到的最大值xmax（考慮到障礙物可能存在于墻壁的右下角）。在機器人的整個運動過程中，采用角度測量系統(tǒng)對當前的自身角度進行檢測并由光電編碼器得到在該方向上運行的位移，通過實時記錄，并對運動路線進行積分，得到當前位置。如下圖所示：全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃方案為了使清潔機器人能按照我們所要求的工作模式進行清掃，首先要規(guī)定其運動規(guī)律，如下圖所示：若該區(qū)域內(nèi)無任何障礙物出現(xiàn)，則主要是控制程序驅動掃地機器人在該區(qū)域內(nèi)做直線帶狀往復運動，當機器人前方的紅外傳感器檢測到其運動到x方向最大位置，則機器人繞右側輪子轉180°，在機器人轉角時，只驅動一個驅動輪，以另一個驅動輪為支點向左或向右轉，這樣做能夠使得機器人在轉過180°后正好移過一個車位，保證機器人在往返清掃過程中不留下清掃死區(qū)。若在運動過程中遇到障礙物，則機器人能夠智能越障。障礙物主要分三種情況，一種是靠最遠處墻壁的障礙物，如障礙物D，第二種是不靠墻障礙物，第三種是其他靠墻障礙物。由于在清掃前，機器人進行了邊沿學習，獲得了空間的邊緣信息，因此可自動將第三種障礙物作為墻壁處理。若障礙物不是靠墻障礙物，則機器人能利用紅外測距傳感器沿障礙物邊沿行走，直到其在y軸方向的位置移動一個車位，然后轉180°運動。同時系統(tǒng)內(nèi)的存儲單元可以記錄該障礙物的y軸最大坐標和最小坐標，即記錄障礙物在y軸方向的尺寸，當機器人超高障礙物運動到x軸最大或者最小位置處時，需要沿y軸反方向走一個障礙物尺寸的距離，然后繼續(xù)清潔障礙物另一側的區(qū)域。若障礙物靠最遠處墻壁時，若y軸達到最大值，且x軸方向未達到xmax，且前方傳感器檢測到障礙物，則機器人繞過障礙物運動y軸方向最遠處，清掃剩余區(qū)域，當y軸方向和x軸方向同時達到邊沿檢測時得到的最大位置值時，停止檢測。

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