哈尔滨远东理工学院 黑龙江哈尔滨 150025
摘要：本文介绍了扫地机器人的发展现状，基本组成。分析了扫地机器人的主要技术特征，多传感器信息融合技术，室内导航和定位技术，高性能传感器的融合应用技术，识别技术和图像处理技术等。最后总结了扫地机器人的应用。
关键词：扫地机器人；技术特征；分析；研究
扫地机器人优于普通吸尘机的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程不需要人的控制，减轻操作负担；还比一般吸尘器的噪音小很多，清洁房间的时候可以免受噪音之苦；还可以净化空气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达96%，清扫效率接近100%；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器打扫不到的死角。总之，自动扫地机器人，具有操作简单，使用方便、智能、安全、清洁效果显著的主要特点。
1.扫地机器人的发展现状
随着技术的进步和社会发展，特别是受生活节奏的加快和工作压力的增大影响，人们希望更多地从繁琐的家庭日常清洁事务中解脱出来。这无疑是清洁机器人进入家庭的市场诉求。扫地机器人作为清洁机器人的一种，其针对的目标用户是所有家庭，其需求痛点恰恰是为了使人们从日常地板清洁工作中解放出来，它迎合了市场痛点的需求。最早的扫地机器人来源于伊莱克斯、戴森等领衔的吸尘器行业。近几年，扫地机器人正在以惊人的速度普及，市场发展十分迅猛。前期发展阶段，扫地机器人主要以改进扫地效能为主。现阶段，扫地机器人在保证提供较优良的清洁效果后，势必转向多传感器融合、导航、路径规划等智能化核心技术的发展方向上。
2.扫地机器人的组成分析
扫地机器人主要分为五个组成部分：系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C52控制，包括超声波测距模块，对输入输出器件的操作，对执行电机的控制，以及传感器的响应等。执行电机部分是扫地机器人的主要构成部分，包括行走驱动子系统和扫地系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，地盘为电动三轮小车，前面两轮由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。扫地系统由电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集于吸风口处，由洗尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘储存箱中。轮子电机、洗尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机；传感器部分即测距子系统，主要为了保障机器人能够安全的工作；输入输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电池部分使用5伏可充电锂电池。
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3.扫地机器人的技术特征
多传感器信息融合技术的应用，信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据，以便产生更可靠、更准确或更全面的机器人状态信息，如在扫地机器人中融合激光雷达、超声传感器、红外传感器、里程计的信息等。多传感器信息融合处理的基本原理类似于人类大脑处理信息的过程，能够通过对多种传感器反馈信息的合理分析与使用，得以降低各种单一传感器在空间和时间局限性方面的影响，并且通过冗余信息的解析，更加完善和更加精确地反映出检测对象的特性，消除信息的不确定性，得到对观测环境具备较高可行性的一致性结果。
室内导航和定位技术，扫地机器人需要自主移动，无论是局部实时避障，还是全局规划，都需要较精确地确定机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务。一般地，机器人通过航位推算方法、信标定位方法以及混合定位方法，实现室内移动机器人的导航和定位。位推算方法是最为常用的一种方法，通过机器人自身的里程计、陀螺仪、加速度计等内部传感器，实时解算机器人自身的速度、姿态信息。以出发点为绝对零点，则可以渐进累加地推算出机器人当前所在的位置和姿态。此种方法随着工作时间的增加，积分运算误差和定时系统时差引起的误差将会逐渐累积，因此不适于长时间的精确定位。
扫地机器人在室内地板上的运动可视为在二维平面内的运动，如果室内允许布置信标（如充电桩或其他满足信标条件的标志物），则可以通过传感器，检测机器人与信标之间的相对距离与位姿，实现扫地机器人的室内导航与定位。信标定位的优点是可实现实时检测，没有累积误差，精度稳定性好，且可通过多信标冗余覆盖的方式，彼此互为位置校准或当某个信标故障时，机器人仍可成功定位。混合定位方法融合了航位推算方法与信标定位方法各自的优势。
高性能传感器的融合应用，目前，机器人多采用红外传感器、接触式传感器、超声波传感器等，少部分高端机型使用了线扫描激光雷达传感器。对于智能化的扫地机器人室内定位和复杂路径规划的需求而言，传感器提供的信息尚显不足。将来，视觉传感器（深度摄像头、仿生视觉、结构光传感器）、低成本高性能激光雷达传感器、软体防碰撞接触式传感器等高性能、新型传感器的应用，将给扫地机器人决策提供更丰富的参考信息。同时，在算法层面，需要深挖多传感器信息融合处理算法，在纷繁复杂的传感器反馈信息中，提取有效信息，并根据优化策略规则制定决策。
识别技术和图像处理技术的逐步发展，如声源定位和声纹识别技术研究的深入、人脸识别技术的成熟、物品识别技术性能的提高，我们可更有效地提高扫地机器人对家庭环境的融入程度，提升扫地机器人与家庭成员的智能交互能力。同时，我们应研究并设计各种智能人机接口，如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等，以更好地适应不同用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互的和谐性，实现人机交互的简单化、多样化、智能化、人性化。智能扫地机器人作为现阶段销量最大的家用服务机器人，未来将能够对语言进行自我学习，并在社会化环境中向他人学习，把这种语言能力转化为自主学习和处理问题的能力。未来，机器人将掌握更多的自主性能力，实现智能扫地机器人功能定位的本质性革新与发展。
4.结束语
机器人市场处在不断发展壮大的时期。为不断提升用户体验和拟合实际功能的需求，扫地机器人会不断进化和提升，将在融合型传感系统、功能定位、智能化程度、网络服务，以及多机协作和自我学习等方面不断发展，实现扫地机器人真正意义的智能化，使扫地机器人发展成为人们的家用高科技伙伴。
参考文献：
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[2]王东.郭兆正.机器人避障功能的设计[J].长春师范学院学报;2005年12期
[3]刘祚时.罗爱华.童俊华.全自主机器人避障控制方法的研究[J];煤矿机电;2009年02期
作者简介：郝举红（1980——），女，硕士研究生，讲师，研究方向：教育教学。
基金项目：2019年度高等教育教学改革研究项目“新工科背景下电气控制与PLC课程实践教学模式及运行机制创新研究”（项目编号：YDJGY2019011）阶段性成果。
论文作者:郝举红
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第08期
论文发表时间:2019/9/10
标签：机器人论文; 传感器论文; 信标论文; 信息论文; 技术论文; 方法论文; 电机论文; 《科学与技术》2019年第08期论文;