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自动化专业知识在扫地机器人中的应用

热度0票浏览83次时间：2021年6月22日 16:50

（辽宁科技大学电子与信息工程学院，辽宁?鞍山?114051）摘要：随着科学技术的不断提高，越来越多的智能家具进入人们的生活，扫地机器人就是其中之一。本文对扫地机器人的基本组成部分进行研究，并与自动化的专业知识进行结合，为学生提供理论与实践相结合的范例，进一步提高学生的学习兴趣和创新意识。

关键词：扫地机器人；传感器；自动控制；电子技术随着科技的发展和进步，越来越多的智能产品进入

了人们的家庭，大大解放了人们的双手，节约了人们的宝贵时间。扫地机器人就是其中的智能产品之一。本文针对扫地机器人各组成部分进行研究，并和自动化专业相关专业知识进行联系，使学生在学习专业理论知识的基础上，和实际相联系，学以致用，从而真正掌握所学专业理论，为以后在实际中的创新提供帮助。

一、扫地机器人的基本组成

扫地机器人的功能是代替人的劳动，自动完成地

面的清扫工作，其组成部分主要包括传感器部分、移动部分、电源部分和系统软件部分。

自动化专业课涉及的知识主要有：模拟电子和数

字电子技术基础、传感器技术、测控技术、自动控制原理、单片机原理及接口、程序设计语言等。

下面详细介绍自动化专业知识在扫地机器人中的

应用。

二、自动化专业知识在扫地机器人中的应用

众所周知，自动化技术在国民经济和人们日常生

活中发挥着很重要的作用。本文以扫地机器人各部分组成情况为例，使人们进一步了解自动化技术的实际应用，尤其为自动化专业学生能够深入了解、钻研所学专业知识提供实际资料。下面针对扫地机器人的基本组成部分和自动化专业知识在其中的应用进行研究。

（一）传感器部分

要获得扫地机器人的位置、速度、位移方向和清

扫环境等信息，必须借助传感器的作用。自动化专业学生学了专业课“现代传感器”后，结合扫地机器人中传感器部分的内容可以加深对该课程的掌握。通常，传感器在扫地机器人中包含有两种模块类型，一种是红外传感器，另一种是超声波传感器。扫地机器人前端障碍物的识别和距离计算的功能由超声波传感器来实现，主要完成的功能是避开障碍物。比如扫地机器人在向前运动时,发现前方有障碍物,为了绕开障碍物，超声波传感器就会给单片机发送信息，单片机获得信息后 , 对信息进行分析 , 从而得出下一步采取的相应措施；扫地机器人机身两侧障碍物和机身前端的底盘下方悬挂的功能由红外传感器模块来完成。当扫地机器人在清扫过程中到达悬崖或者悬空的状态时，红外传感器立即反应，进行数据采集，并将采集到的数据传送给主控模块，主控模块根据具体情况进行有危险情况的处理

[1] 。由上所述，扫地机器人的周围环境数据

主要由超声波和红外两种传感器进行采集，然后将获得的数据传送到主控模块单片机，由主控模块再做进一步处理 , 然后得出合理的控制指令 , 对扫地机器人中的电机的运行状态比如开启、停下、转动等进行有效控制。

以往的扫地机器人经常出现运动轨迹混乱的问题 ,

针对这个问题 , 人们采用基于光流传感器的方案来进行解决。当扫地机器人在寻找合理的线路 , 进行路径规划定位时 , 该方案采用的定位方式是光电鼠标和测量移动位移方法 , 并且和激光测距传感器结合使用 , 对工作中的扫地机器人进行监测 , 得出扫地机器人目前的位置、位移方向、速度和运动方向等数据 , 并将数据传给主控模块单片机；如果扫地机器人的周围环境的布局发生了变化，扫地机器人身上搭载的激光测距传感器、超声波传感器、摄像头等就会获得相应的数据，并且把数据传给主控模块单片机，单片机对获得的数据进行分析，合理规划扫地机器人的运动轨迹，使机器人在清扫过程中不会有碰撞现象发生，并且对周边环境的各个方向和各个角落都能进行彻底的清扫

[2] 。

经实践检验，这种方式清扫覆盖率大，工作效率高。

因为扫地机器人需要电力驱动，所以事先需要给

机器人充电。当扫地机器人清扫过程中电量快耗尽，不足以驱动机器人继续工作时，有必要给机器人及时进行充电。目前较好的充电方式是基于红外传感器的自动无线对接充电方式。扫地机器人的充电座靠墙放置，靠墙外侧有红外信号接收器，扫地机器人外侧有红外传感器，如果要对机器人进行充电，充电座的红外信号接收器会接收到扫地机器人外侧红外传感器发出的信号，然后把接收到的信号送给充电座中的传感器，使扫地机器人和充电座进行对接，然后对扫地机器人进行充电。具体点说，就是扫地机器人在清扫过程中，如果发现电量不足，影响继续清扫，扫地机器人就会根据事先规划好的路径搜寻周边的充电座。当扫地机器人运动到靠近充电座时，其外侧红外传感器发出的信号就会被充电座中的红外接收器接收，然后发出指令，使扫地机器人边移动边旋转，向充电座进一步靠近，和充电座进行对接，同时对充电座的电压进行检查，当对接到充电位置准确无误时，扫地机器人的充电开关就会打开，开始充电过程。充电完毕后，扫地机器人将继续按原来的扫地模式进行清扫

[3] 。自

动化专业学生通过传感器相关课程的学习，可以对以上内容有深刻的了解。

（二）移动部分

扫地机器人在清扫工作之前，首先要对清扫区域

进行定位操作，机器人要到达准确的指定位置，必须通过自动调速功能来实现，并对电机进行驱动，从而带动扫地机器人向某个方向进行移动

[4] 。扫地机器人

的移动系统部分包含有两个伺服电机以及相应的驱动部分。扫地机器人有两个后轮，并且后轮采用的是随动后轮，两个后轮的运动由两个伺服电机分别带动，从而将吸尘系统带动前行。这样做可以使扫地机器人在转弯的灵活性得到大大增强

[5] 。比如文献 [1]

中电机

驱动电路部分由两部分共同构成，分别为半桥驱动芯片 IR2104S 和 MOS 管 IR7843，直流减速电动机的驱动动力由二者提供。主控模块单片机通过改变 PWM 的占空比，从而对直流减速电机进行调节，实现对扫地机器人的各个运动状态比如前进、后退、右转、左转的控制。在参考文献

[4]

中，电动机的速度采用变频调

速方式，具体的速度数值在外围设备中有所显示，其中单片机作为变频调速系统的核心起作用。单片机对扫地机器人的速度采用闭环方式进行控制，控制参数由单片机获得的监测速度处理具体的反馈信息来进行调整。通过自控原理和检测技术等课程的学习，学生可以理解所学知识在扫地机器人移动部分中的应用。

（三）电源部分

扫地机器人每一部分都需要有电源供电才能运行，

而且各个模块所需要的电压大小都是不一样的，比如文献

[1]

中总电源选用的是可充电 18650 锂电池，各

个模块需要的电压都由该锂电池提供。由于各个模块需要的稳定电压可能不同，所以先利用 LM2940-5 和LM2575 或 LM2596-5 对总电源进行分压和稳压处理后，再给各模块进行供电。如何具体给各模块进行供电，主要用以下三种方式进行：一是主模块需要的电压是 5V，所需的 5V 电压由稳压芯片 LM2940 进行稳压；二是驱动模块需要的电压是 7.2V，所需电压由开关型稳压芯片 LM2596 来提供；三是传感器模块需要的电压是 5V，所需的 5V 电压采用稳压芯片 LM2575或 LM2596-5 进行稳压，给传感器模块供电。学生通过对电路原理、模拟电子技术、数字电子技术等专业课的学习，能够了解所学内容在扫地机器人电源部分的应用。

（四）系统软件部分

扫地机器人除了含有以上硬件部分，控制机器人

运行的软件部分也是必不可少的。以文献

[6]

为例，在

扫地机器人开始清扫时，机器人内部应该存有周围环境的相关信息，这些信息是否存在由软件部分的程序进行判别，如果有诸如单元占有度、障碍物密度等特征的环境信息，程序就提取这些信息，并进行分析，选择合理的清扫模式，然后执行对应的清扫；如果没有这些环境信息，则扫地机器人首先直接执行普通的扫描清扫模式，同时边清扫边进行合理的路径规划。

当扫描清扫过程结束时，就可以完成对周边环境的轨迹扫描，完成路径规划，此时机器人会根据总的清扫次数判断是否对特征信息进行计算，如果需要计算，则将计算得到的特征信息为下次清扫提供参考。学生通过对所学的程序设计、单片机原理及接口技术等自动化课程的学习，能够了解所学计算机软件在扫地机器人中的应用。

三、结论

随着人工智能的进一步发展和信息革命的兴起和

新经济的冲击，扫地机器人已经走进千家万户，自动化技术的应用已经渐渐地进入人们的家庭，大大改善了人们的居住条件，提高了人们的生活质量。本文将自动化专业的相关知识和扫地机器人的组成部分相结合，使抽象的理论知识具体化，从而提高学生学习专业课的兴趣，为以后将所学知识应用到实际中并加以创新打下基础。

参考文献：

[1]???唐琳，何世超 . 基于 STC15 的智能清洁机器人设计 [J]. 科技风，2017（5）：7.

[2]???李炫志，黄旭铭，姜科，等 . 基于光流定位的自动路径规划清扫机器人 [J]. 微型机与应用，2017，36（5）：57-59.

[3]???霍英杰，张奕樱 . 基于 2.4G 无线通信的智能扫地机器人技术的研究与实现 [J]. 黑龙江科技信息，2017（5）：70.

[4]???唐如龙 . 基于单片机的扫地机器人调速系统设计 [J]. 装备制造技术，2017（7）：116-118.

[5]???孔德平 . 基于 AVR 单片机的智能扫地机器人的设计 [J]. 科技创新与应用，2017（16）：81.

[6]???徐胜华，宋树祥，佘果 . 一种扫地机器人路径规划的改进算法 [J].

测控技术，2017，36（2）：120-123+127.