自清潔掃拖烘掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王星宇　孫京誥

摘? 要：隨著智能化的時(shí)代到來，清潔類移動(dòng)機(jī)器人逐漸代替了傳統(tǒng)的人工清潔工作，通過功能模塊化的設(shè)計(jì)，搭載智能化軟件算法控制水箱及水泵實(shí)現(xiàn)自動(dòng)洗拖布，引入LDS激光導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)快速定位建圖，建立TOF感知模型實(shí)現(xiàn)無接觸式的避障和回充，從而設(shè)計(jì)出具有吸塵、拖地、烘干等多種清潔功能的機(jī)器人，解決了市面上大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人功能單一、清掃效率低下等問題。

關(guān)鍵詞：LDS;TOF;掃拖烘;自清潔;掃地機(jī)器人

中圖分類號：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0155-04

Abstract： With the advent of the intelligent era， cleaning mobile robots gradually replace the traditional manual cleaning work. Through functional modular design， intelligent software algorithm is equipped to control the water tank and water pump to realize automatic mop washing， LDS laser navigation is introduced to realize rapid positioning and mapping， TOF perception model is established to realize contactless obstacle avoidance and recharge， Thus， a robot with multiple cleaning functions such as dust collection， mopping and drying is designed， which solves the problems of single function and low cleaning efficiency of most mobile robots in the market.

Keywords： LDS; TOF; sweeping+dragging+drying; self cleaning; sweeping robot

0? 引? 言

智能清潔類機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能化的室內(nèi)清掃，結(jié)合了機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、電子技術(shù)、路徑規(guī)劃、傳感器技術(shù)等多學(xué)科[1]，受到了國內(nèi)外廠商和研究人員的關(guān)注。掃地機(jī)器人是一種智能化的吸塵器，它能夠在未知的環(huán)境中，利用多種傳感器技術(shù)對周邊的環(huán)境進(jìn)行感知，并結(jié)合路徑規(guī)劃等運(yùn)動(dòng)算法，最終實(shí)現(xiàn)家居的高效清潔。市面上大多數(shù)掃地機(jī)的清掃效率低，此款機(jī)器人采用大吸力風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)高速吸塵，雙水箱基站集成多種清潔功能，大大提高了清潔的效率。路徑規(guī)劃作為移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵性技術(shù)，是國內(nèi)外的研究重點(diǎn)，因而采用了LDS（Laser Direct Structuring）進(jìn)行定位導(dǎo)航，同時(shí)建立TOF（Time of flight）感知模型，實(shí)現(xiàn)有效避障。

1? 硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

掃地機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)和清潔塢兩大部分，主機(jī)負(fù)責(zé)清潔地面，清潔塢負(fù)責(zé)給主機(jī)清洗拖布及供電。

1.1? 主機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為主機(jī)硬件系統(tǒng)的電路框圖，主機(jī)MCU控制單元選取了GD32F303芯片，通過GD32的PWM功能來控制其風(fēng)機(jī)、抹布驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速;利用霍爾傳感器判斷抹布和塵盒是否安裝;采樣電路主要采集的是下視、外設(shè)電機(jī)電流、傳感器、充電電路電流、電池包的溫度及電壓等;通過LDS激光導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃及定位，同時(shí)引入TOF模組感知外界環(huán)境中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)快速避障，最后將數(shù)據(jù)傳送給MCU和MR133中。

1.2? 清潔塢硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

清潔塢的紅外回充發(fā)射電路給主機(jī)發(fā)送回充信號，主機(jī)接收到信號后才開始進(jìn)行回充;UI人機(jī)交換界面的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)按鍵或者APP控制來實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的清洗、暫停、回充等功能;霍爾檢測電路主要實(shí)現(xiàn)對清洗盤的安裝檢測、污水箱清水箱的安裝檢測等;外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要通過MCU來控制風(fēng)扇、PTC、水泵、電磁閥、流量計(jì)等電子件的驅(qū)動(dòng)，從而完成清洗、烘干的邏輯。圖2為清潔塢硬件電路框圖。

2? 自清潔掃地機(jī)的軟件清潔邏輯

2.1? 清洗過程

電磁閥配合流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對水流量的實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)流量超過預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，通過軟件補(bǔ)償減小水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而達(dá)到減少水流量的目的。清水泵負(fù)責(zé)抽取清水箱中的水，通過內(nèi)部管道機(jī)構(gòu)，下水到清洗盤底部，從而完成對主機(jī)拖布的清洗。污水泵負(fù)責(zé)抽取清洗盤底部中集成的污水，從而實(shí)現(xiàn)對污水的存儲(chǔ)。鼓風(fēng)機(jī)配合PTC，通過導(dǎo)風(fēng)管吹出熱風(fēng)到清洗盤底部，從而實(shí)現(xiàn)對潮濕拖布的烘干。

整機(jī)清洗邏輯為：

（1）第0 s～44 s：電磁閥開啟后，清水泵開始動(dòng)作開始下水。

（2）第36 s～44 s：污水泵開始抽水。

（3）第44 s～115 s：清水泵、污水泵均處于關(guān)閉狀態(tài)，只進(jìn)行拖布的高速旋轉(zhuǎn)。

（4）第115 s～125 s：污水泵開啟，進(jìn)行二次抽水。

（5）第125 s～134 s：污水泵停止工作，同時(shí)關(guān)閉拖布，準(zhǔn)備進(jìn)入烘干狀態(tài)。

（6）第134 s：語音播報(bào)，鼓風(fēng)機(jī)和PTC同時(shí)打開進(jìn)入烘干模式。

2.2? 主機(jī)清潔狀態(tài)轉(zhuǎn)換

圖3為主機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，定義了掃地機(jī)的三種模式選擇：回充、清掃、暫停。

2.3? 自動(dòng)清潔模式

自動(dòng)清潔模式分為兩種，按面積和按房間清洗：

（1）按面積自動(dòng)清洗。當(dāng)主機(jī)清洗完5平方米區(qū)域后，自動(dòng)返回基站洗拖布，洗完后繼續(xù)從當(dāng)前狀態(tài)開始處理。

（2）按房間自動(dòng)清洗。按照地圖定位的房間號依次處理。

3? 自清潔掃地機(jī)的路徑規(guī)劃系統(tǒng)

路徑規(guī)劃系統(tǒng)是掃地機(jī)最重要的部分，通過LDS激光導(dǎo)航可實(shí)現(xiàn)快速建圖，同時(shí)建立TOF感知模型可以實(shí)現(xiàn)有效地避障，主要過程為[2]：

使用LDS激光導(dǎo)航進(jìn)行定位建圖及算法框架的搭建步驟為：

（1）從環(huán)境中獲取雷達(dá)點(diǎn)云、里程計(jì)信息。

（2）通過點(diǎn)云與點(diǎn)云、點(diǎn)云與地圖匹配定位。

（3）通過定位信息將點(diǎn)云映射到地圖，從而完成地圖的更新。

（4）保存上述地圖。

3.1? 基于LDS的清掃行動(dòng)軌跡

基于LDS的清掃行動(dòng)軌跡主要有以下幾種：

（1）先沿邊清掃，后弓字形清掃。掃地機(jī)啟動(dòng)后，首先沿著目標(biāo)區(qū)域的邊界清掃一整圈，建立區(qū)域輪廓。沿邊結(jié)束后，在輪廓內(nèi)規(guī)劃出整齊的弓字形路線。這種LDS激光導(dǎo)航可快速構(gòu)建房屋輪廓，高效清掃。

（2）弓字形清掃避障。遇到障礙物時(shí)，機(jī)器會(huì)繞開障礙物清掃一圈，然后繼續(xù)走弓字，行走的軌跡十分簡潔，提高了清掃的效率。

（3）智能規(guī)劃路徑。機(jī)器清掃完后，依據(jù)清掃時(shí)探測到的環(huán)境信息，智能選擇下一塊清掃區(qū)域，并規(guī)劃出最佳路徑。機(jī)器會(huì)重復(fù)以上步驟，直到清掃完所有的目標(biāo)區(qū)域。

清掃行動(dòng)軌跡如圖4所示。

3.2? 基于TOF避障的感知模型

3.2.1? TOF測量原理

TOF雷達(dá)避障是通過測量光的飛行時(shí)間來計(jì)算物體的距離。光路返回時(shí)通過光接收器實(shí)現(xiàn)，光源發(fā)射光脈沖開始到光脈沖被探測器接收的這段時(shí)間，與光的飛行速度的乘積就是所需測量距離結(jié)果的兩倍[3]。設(shè)定光波發(fā)射時(shí)間為T1，接收器接收到回波的時(shí)間為T2，則可通過測量該時(shí)間間隔TOF來計(jì)算激光測距儀與物體之間的距離L。

根據(jù)激光測距儀坐標(biāo)系與掃地機(jī)坐標(biāo)系的互相關(guān)系，可以推算出感知量Zk與X（k）之間的函數(shù)關(guān)系，即傳感器模型。

（3）基于TOF的避障過程：

1）計(jì)算參考面：通過地面點(diǎn)云來計(jì)算參考面，參考面以上的視為物體的點(diǎn)云。

2）初步點(diǎn)云分割：濾波所有不可信的點(diǎn)，然后根據(jù)高度分割點(diǎn)云。

3）IR輔助二次分割點(diǎn)云：使用IR圖幫助分辨物體來決定是避障還是越障。

4）建立障礙物累積地圖：建立地圖，并傳送給規(guī)劃的二維點(diǎn)云。

3.3? 融合硬件設(shè)計(jì)

利用LDS傳感技術(shù)，搭載TOF模組，進(jìn)行硬件原理圖的設(shè)計(jì)。通過TOF感知到的圖像信息與LDS進(jìn)行融合，將LDS的接收信號LDS_TX傳送給MCU中，通過MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)判別機(jī)器的位置信息，從而完成定位和避障。

4? 清潔效果測試

清潔效果一直是清潔機(jī)器人研究領(lǐng)域中的難題，會(huì)直接影響到用戶的體驗(yàn)感。因此，通過清潔效果測試來驗(yàn)證此款掃地機(jī)結(jié)構(gòu)模塊、軟硬件模塊設(shè)計(jì)的合理性。在相同時(shí)間內(nèi)，掃地機(jī)通過該區(qū)域，將地面上的灰塵吸取到塵盒中，計(jì)算塵盒前后的變化量?x，即可得出吸取灰塵的清掃效率，測試畫面如圖5所示，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由此可見，清潔機(jī)器人清掃一段地面的過程，通過吸取地面灰塵前后的對比可知，地面灰塵總體上被清理干凈，清掃灰塵的效果滿足性能要求。

5? 結(jié)? 論

本論文完成了自清潔掃拖烘機(jī)器人的設(shè)計(jì)，采用多種傳感器進(jìn)行功能模塊化的設(shè)計(jì)，通過LDS激光雷達(dá)進(jìn)行地圖的定位，同時(shí)建立TOF感知模型進(jìn)行高效地避障。在硬件系統(tǒng)的架構(gòu)上，引入智能化的軟件清潔邏輯，實(shí)現(xiàn)吸塵除灰、清洗、烘干、回充等多種功能。實(shí)測表明，所設(shè)計(jì)的自清潔機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)有效避障，提高清掃效率。

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作者簡介：王星宇（1996.04—），男，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士在讀，研究方向：控制工程。