基于色差分析法的清潔機器人的研究

南昌航空大學飛行器工程學院 劉 科

1.引言

在生活節奏日益加快，工作壓力逐漸增強的今天，研究智能清潔機器人把人們從繁瑣的家務勞動中解脫出來對改善生活品質、提高生活質量具有重要意義。清潔機器人將成為家居和各大公共場所肩負清潔工作不可或缺的工具。目前市場上各公司生產的清潔機器人大多數沒有地面污漬檢測功能，針對污漬不同的地面只能做同樣的清潔處理，而我們研究的清潔機器人是基于色差分析法，它可以檢測出地面上色差較大的污漬，在正常清潔的基礎上進行重點清潔直到去除污漬，同時機器人自帶清潔水，清潔刷，污漬明顯的地方直接噴灑清潔水再用清潔刷強力擦出，去污效果明顯，抗光線干擾能力強。機器人根據規劃路徑清潔整個房間，遇到桌椅等障礙自動避開，可以輕松清除地板上的污漬。

2.清潔機器人

清潔機器人由顏色識別模塊，紅外避障模塊，清潔模塊和人機交互模塊組成。顏色識別模塊通過TCS230顏色傳感器將采集的色差信號送給主控器，清潔模塊立即響應主控器的命令完成清潔任務。紅外避障模塊通過遠距離紅外傳感器將采集是否有障礙的數字信號送給主控器，電機驅動將立即響應決定是否避障。主控制器選用STC增強型51單片機STC12C5A60S2，具有高速、高可靠性、低功耗、超強抗干擾能力且價格低廉。電機采用額定電壓6V的直流減速電機，通過L298N電機驅動控制簡單高效。

與現在網上所賣的成品清潔機器人如“地寶”相比自動色差分析機器人明顯的優勢在于：(1)它可以對地面的有色污漬進行識別而不是所有的地方都清理。(2)自動色差分析機器人對地面比較潮濕的污漬可以有效清理，而“地寶”對此束手無策。(3)具有自載水的新特性，在需要噴水的地方噴灑適量的清潔水，強化清潔效果。

與現在大多數高校和研發部門研究的基于圖像處理的或帶機械手的清潔機器人相比自動色差分析機器人也具有以下先進性：(1)圖像識別的機器人多采用攝像頭實現垃圾識別，而且只能記住特定的垃圾，即識別單一化，而自動色差分析機器人識別顏色多元化；同時攝像頭采集圖像需要良好的光線，受光線影響大，在光線不好的地方基本無法識別垃圾，而自動色差分析機器人傳感器自帶光源，識別基本不受光線影響。(2)對于帶機械手的機器人一般行動遲緩不靈活，抓取成功率低，實用性差，而且對地面的污漬束手無策，與之相比自動色差分析機器人小巧靈活，檢測和擦除成功率高，實用性強，對家居和畫室的有色污漬具有良好的清理效果。

2.1 顏色識別模塊

TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率轉換器。它把可配置的硅光電二級管與電流頻率轉換器集成在一個CMOS電路上，同時一個芯片集成紅綠藍(RGB)三種濾光器，是業界第一個有數字兼容接口的RGB顏色傳感器，引腳與功能框圖見圖2。

當入射光投射到TCS2300上時，通過光電二極管引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經過電流到頻率轉換器后輸出不同頻率的方波，不同的顏色和光強對應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調整，以適應不同的需求[1]，如表1所示。

測量頻率的方法：設置定時器為一固定時間(例如10ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內TCS230的輸出脈沖數，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數變為255。在實際測試時，使用同樣的時間進行計數，把測得的脈沖數再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應的RGB值。

2.2 紅外避障模塊

如圖3所示：紅外避障傳感器充分利用了物體的反射性質。傳感器發射端發射紅外線，在設定的范圍內，如果沒有障礙物，發射出去的紅外線，因為傳播距離越遠而逐漸減弱，最后消失，而如果有障礙物，紅外線遇到障礙物后反射，被傳感器接收端所接收。

通過對紅外傳感器的信息進行采集，使用二極管D1發射紅外線，二極管D2接收紅外信號。紅外線發射部分不設專門的信號發生電路，直接從單片機實現時鐘頻率，既簡化了線路和調試工作，又能使電路的穩定性和抗干擾能力大大加強[2]。

表1 S0、S1及S2、S3的組合選項

圖1 清潔機器人各模塊關系圖

圖2 TCS230引腳信號與功能結構框圖

圖3 紅外避障傳感器工作示意圖

表2 部分顏色的RGB對照值（16進制）

圖4 通過鍵盤設置液晶顯示啟動機器人

圖5 機器人發現污漬準備靠近

圖6 機器人噴完清潔水強力清除污漬

圖7 機器人正在自主避開桌椅

2.3 清潔模塊

清潔模塊由水泵、水箱、繼電器、清潔刷、百潔布等組成。機器人運行時遇到污漬比較多地方，單片機將通過繼電器控制打開直流微型水泵，清潔水從水箱中經過噴頭噴灑到地面，機器人來回移動通過清潔刷和百潔布強力去除地面的污漬。清潔水是洗滌液和自來水按比例混合而成，同時可加入芳香劑，使得清潔后的地面散發香氣。清潔刷和百潔布固定在機器人底部，用一段時間后需要及時更換。

2.4 人機交互模塊

人機交互模塊主要由鍵盤和OLED液晶顯示組成，開機Logo過后將進入參數設置，通過鍵盤可以選擇不同清掃路徑：螺旋狀路徑和梳狀路徑，以及正常清掃的時間，污漬清掃時間，清潔水噴射時間等。OLED即有機發光二極管，又稱為有機電激光顯示，具備輕薄，省電等特性。通信協議采用SPI總線，只需要4根信號線連接單片機就可以實時顯示并能保持畫面。

3.色差分析法

單片機通過TCS230顏色傳感器可以定時讀取RGB值，根據RGB對照表就可以分析出地面的顏色。機器人出發時要先記錄干凈地面的RGB值作為參照，當運行到RGB值與參照值相差較大時，即色差大于設定值，就是存在污漬的地面，要進行重點清潔噴灑清潔水，使用清潔刷和百潔布去除污漬，機器人前后來回運動直到污漬清除（這里的清除主要是指當前地面RGB值與參照地面RGB值的色差小于設定值）。

當然可能有些污漬粘性強，多次清掃也無法清除，當清除時間超過預先設定的污漬清掃時間，機器人會繼續清掃剩余沒有清潔的地面，此處污漬留給主人人工參與清除。當遇到地磚的縫隙時色差比較大，但由于縫隙較小，機器人會認為是誤識別，忽略不計。需要特別說明的是色差分析清潔機器人只適用于做顏色比較統一的地面清潔工作，帶花紋的地面難以實現清潔功能。

4.實驗效果

本文所研究的清潔機器人在實驗室環境下運行良好，污漬清除效果明顯。該機器人在2012中國服務機器人大賽暨RoboCup家庭服務機器人公開賽上嶄露頭角，并獲得清潔機器人項目亞軍。

圖4為通過鍵盤對機器人進行初始參數設置，實現人機交互功能，圖5為機器人在行進過程中發現污漬并準備靠近，圖6為機器人對污漬地面噴灑清潔水并使用清潔刷、百潔布等清潔工具對地面進行污漬清除，圖7為機器人在行進過程中紅外避障傳感器探測到前方存在障礙物，自主進行避障操作。在實驗室環境下，先后使用油漬、果汁、黑膠帶等進行多次實驗，實驗結果表明，除與地面粘性最強的黑膠帶以外，該清潔機器人能對其他污漬做有效清除。

5.結束語

本文研究了一種基于色差分析法的清潔機器人，該機器人由各模塊間的相互配合，通過單片機控制顏色傳感器并自動進行色差分析，依據規劃路徑對發現的污漬進行強有力的清除，最終實現地面的清潔。實驗室環境下運行穩定，效果良好。

清潔機器人未來的市場潛力巨大，將圖像識別、色差分析、機械控制等多種技術融合的新型智能機器人必將迅速嶄露頭角，在機器人領域占有一席之地。

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