關于實現掃地機器人優化路徑算法

陸檉堂　林桂鋒　林位龍　黃程懷　孫寶福

摘 要 隨著技術的不斷發展進步，人工智能的大趨勢即將到來，掃地機器人作為當代智能型家居電器，它的應用也越來越多。本文主要針對了基于單片機AT89C52RC的掃地機器人的清掃路徑設計以及算法，通過對機器人行走中碰撞的記錄以及障礙物的位置進行定位，大致的把室內地圖描繪出來儲存在存儲器中，進而實現掃地機器人的掃地路徑優化，擇優選擇最佳清掃路徑，盡可能的消除掃地機器人清掃盲區，提高掃地機器人的一次清掃率，降低重復率。

關鍵詞 掃地機器人 單片機 路徑規劃

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2018.05.032

On Optimizing Path Algorithm of Sweeper Robot

LU Chengtang， LIN Guifeng， LIN Weilong， HUANG Chenghuai， SUN Baofu

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract With the development and progress of technology， the trend of artificial intelligence is about to come. As a modern intelligent home appliance， sweeping robot has more and more applications. This paper aims at the cleaning path design and algorithm of sweeping robot based on SCM AT89C52RC. By locating the collision records and the position of obstacles in walking robot， the indoor map is depicted and stored in memory.

Keywords sweeping robot； single chip microcomputer； path planning

1 前言

1.1 問題的提出

掃地機器人，又稱自動打掃機、智能吸塵等，如今已成為廣大家庭需要的智能家用電器，一般采用刷掃和真空的方式進行打掃，一般是通過紅外、超聲波等傳感器進行探測。而如今市場上許多的掃地機器人的清掃路徑存在著許多的缺點：當感應到前方存在著障礙物時，就會進行左或右的轉向，通常會使得掃地機器人反復清掃同一個地方，而其他的區域卻清掃不到，這樣的清掃方式費時且效率低，所以如今迫切需要解決掃地機器人的清掃路徑的優化。

1.2 研究的背景

進入21世紀以來，智能機器人的技術得到了全面的發展。掃地機器人最早起于歐美，國內相較于歐美等發達國家和地區而言，對掃地機器人的研究起步較晚。2004年，重慶大學智能科學技術研究室與寧波波郎電器股份有限公司合作開發室內清潔機器人，最新開發的BL001能根據前端左右兩側的紅外傳感器探測墻壁，沿墻壁行走清掃地面。現如今市面上，國產品牌的掃地機器人如浦桑尼克藍天S、科沃斯DT85G、福瑪特ZJ-C1等很受歡迎。但是基于紅外傳感器與超聲波傳感器的掃地機器人測量精度較為低，而且干擾比較大，導致掃地機器人出現路徑混亂等情況。

2 技術概述

2.1 單片機技術概述

單片機（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。從上世紀80年代，由當時的4位、8位單片機，發展到現在的300M的高速單片機。

本文中采用的是比較成熟而且價格相對低廉的AT89C52RC單片機，此單片機編程較為簡單，比起STM32系列有著十分大的優勢。圖1為單片機AT89C52RC的管腳圖。

2.2 傳感器技術

掃地機器人避障時首先需要對障礙物進行檢測，而后將檢測到的訊息傳送到微機系統中進行處理，再然后輸出信號給控制器，控制器才能夠知道控制量，執行微機系統傳來的命令，從而改變掃地機器人的運動位姿。本文中同時采用紅外傳感器與超聲波傳感器。這兩個種類的傳感器造價便宜，易于應用，結合使用它們并且合理分配好其位置分布能夠較為精確測出障礙物位置。

3 路徑及其算法設計

基于STC89C52RC的掃地機器人路徑規劃算法如下：

首先利用光電編碼器作為掃地機器人的傳感器，該傳感器用于記錄碰撞（驅動輪一旦發生堵轉既認為發生碰撞）和行走距離的數據，遇到障礙物時驅動輪堵轉，將障礙物的地址存放在[x，y]數組中。

機器人從靠墻的一面開始（圖2），進行第一次左（右）轉彎前進試探，掃地機器人在碰到障礙（假如左側）時相反方向一側（右側）旋轉90度前進一段距離A繞開障礙物，并向每前行走一小段吸塵器口徑的距離（b）后，此時總右行距離為（A+nb），向另一側（左側）旋轉90度試探，如果機器人沒有碰到障礙物，則繼續向左行進（A+nb）后轉向繼續前行清掃工作，障礙物的尺寸較小，此時掃地機器人可以避開繼續向前行走，并且在此處記錄一個清掃盲區。如果障礙物的尺寸大于吸塵器的口徑，此時掃地機器人無法通過，則向同一側（左/右）旋轉90度，形成回頭清掃的方式，記錄這次清掃的距離記為y。

重復以上的清掃方法，將每一次清掃的距離都記為y，比較每一次清掃的距離y得出最大的清掃距離。對比障礙物的地址可以得到每次未清掃盲區，對盲區進行試探、清掃。

4 結語

本文提出了一種基于掃地機器人傳感器技術與單片機技術的結合，通過傳感器與碰撞來確定機器人所在位置以及需要做出得命令，與一般的掃地機器人相比，該模型能夠通過記錄行走距離與碰撞次數還有傳感器掃描結合，生成較為準確的室內地圖，從而選擇最優路徑進來清掃，提高掃地機器人的效率與覆蓋率。

參考文獻

[1] 唐如龍.基于單片機的掃地機器人調速系統設計[J]. 裝備制造技術，2017（07）：116-118.

[2] 李炫志，黃旭銘，等.基于光流定位的自動路徑規劃清掃機器人[J].微型機與應用，2017.36（5）：57-59.

[3] 簡毅，高斌，張月.一種室內掃地機器人全遍歷路徑規劃方法研究[J].傳感器與微系統，2018.37（1）：32-34.

[4] 霍英杰，張奕櫻.基于2.4G無線通信的智能掃地機器人技術的研究與實現[J].黑龍江科技信息，2017（5）：70.

[5] 王曉彤，黃魯.基于單目天花板視覺的掃地機器人定位算法設計及實現[J].微電子學與計算機，2018.35（3）：125-129+134.