自清潔掃拖烘掃地機器人的設計與實現

王星宇　孫京誥

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

關鍵詞：LDS;TOF;掃拖烘;自清潔;掃地機器人

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：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

智能清潔類機器人可以實現智能化的室內清掃，結合了機械運動學、電子技術、路徑規劃、傳感器技術等多學科[1]，受到了國內外廠商和研究人員的關注。掃地機器人是一種智能化的吸塵器，它能夠在未知的環境中，利用多種傳感器技術對周邊的環境進行感知，并結合路徑規劃等運動算法，最終實現家居的高效清潔。市面上大多數掃地機的清掃效率低，此款機器人采用大吸力風機實現高速吸塵，雙水箱基站集成多種清潔功能，大大提高了清潔的效率。路徑規劃作為移動機器人的關鍵性技術，是國內外的研究重點，因而采用了LDS（Laser Direct Structuring）進行定位導航，同時建立TOF（Time of flight）感知模型，實現有效避障。

1? 硬件設計系統

掃地機硬件系統設計主要包括主機和清潔塢兩大部分，主機負責清潔地面，清潔塢負責給主機清洗拖布及供電。

1.1? 主機硬件系統設計

圖1為主機硬件系統的電路框圖，主機MCU控制單元選取了GD32F303芯片，通過GD32的PWM功能來控制其風機、抹布驅動電機轉速;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、外設電機電流、傳感器、充電電路電流、電池包的溫度及電壓等;通過LDS激光導航實現路徑規劃及定位，同時引入TOF模組感知外界環境中的數據實現快速避障，最后將數據傳送給MCU和MR133中。

1.2? 清潔塢硬件系統設計

清潔塢的紅外回充發射電路給主機發送回充信號，主機接收到信號后才開始進行回充;UI人機交換界面的設計可實現按鍵或者APP控制來實現對主機的清洗、暫停、回充等功能;霍爾檢測電路主要實現對清洗盤的安裝檢測、污水箱清水箱的安裝檢測等;外設驅動電路的設計主要通過MCU來控制風扇、PTC、水泵、電磁閥、流量計等電子件的驅動，從而完成清洗、烘干的邏輯。圖2為清潔塢硬件電路框圖。

2? 自清潔掃地機的軟件清潔邏輯

2.1? 清洗過程

電磁閥配合流量計實現對水流量的實時檢測，當流量超過預設的標準時，通過軟件補償減小水泵的驅動電機，從而達到減少水流量的目的。清水泵負責抽取清水箱中的水，通過內部管道機構，下水到清洗盤底部，從而完成對主機拖布的清洗。污水泵負責抽取清洗盤底部中集成的污水，從而實現對污水的存儲。鼓風機配合PTC，通過導風管吹出熱風到清洗盤底部，從而實現對潮濕拖布的烘干。

整機清洗邏輯為：

（1）第0 s～44 s：電磁閥開啟后，清水泵開始動作開始下水。

（2）第36 s～44 s：污水泵開始抽水。

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

（4）第115 s～125 s：污水泵開啟，進行二次抽水。

（5）第125 s～134 s：污水泵停止工作，同時關閉拖布，準備進入烘干狀態。

（6）第134 s：語音播報，鼓風機和PTC同時打開進入烘干模式。

2.2? 主機清潔狀態轉換

圖3為主機系統狀態轉換模塊，定義了掃地機的三種模式選擇：回充、清掃、暫停。

2.3? 自動清潔模式

自動清潔模式分為兩種，按面積和按房間清洗：

（1）按面積自動清洗。當主機清洗完5平方米區域后，自動返回基站洗拖布，洗完后繼續從當前狀態開始處理。

（2）按房間自動清洗。按照地圖定位的房間號依次處理。

3? 自清潔掃地機的路徑規劃系統

路徑規劃系統是掃地機最重要的部分，通過LDS激光導航可實現快速建圖，同時建立TOF感知模型可以實現有效地避障，主要過程為[2]：

使用LDS激光導航進行定位建圖及算法框架的搭建步驟為：

（1）從環境中獲取雷達點云、里程計信息。

（2）通過點云與點云、點云與地圖匹配定位。

（3）通過定位信息將點云映射到地圖，從而完成地圖的更新。

（4）保存上述地圖。

3.1? 基于LDS的清掃行動軌跡

基于LDS的清掃行動軌跡主要有以下幾種：

（1）先沿邊清掃，后弓字形清掃。掃地機啟動后，首先沿著目標區域的邊界清掃一整圈，建立區域輪廓。沿邊結束后，在輪廓內規劃出整齊的弓字形路線。這種LDS激光導航可快速構建房屋輪廓，高效清掃。

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

（3）智能規劃路徑。機器清掃完后，依據清掃時探測到的環境信息，智能選擇下一塊清掃區域，并規劃出最佳路徑。機器會重復以上步驟，直到清掃完所有的目標區域。

清掃行動軌跡如圖4所示。

3.2? 基于TOF避障的感知模型

3.2.1? TOF測量原理

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

根據激光測距儀坐標系與掃地機坐標系的互相關系，可以推算出感知量Zk與X（k）之間的函數關系，即傳感器模型。

（3）基于TOF的避障過程：

1）計算參考面：通過地面點云來計算參考面，參考面以上的視為物體的點云。

2）初步點云分割：濾波所有不可信的點，然后根據高度分割點云。

3）IR輔助二次分割點云：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，并傳送給規劃的二維點云。

3.3? 融合硬件設計

利用LDS傳感技術，搭載TOF模組，進行硬件原理圖的設計。通過TOF感知到的圖像信息與LDS進行融合，將LDS的接收信號LDS_TX傳送給MCU中，通過MCU內部數據處理，實時判別機器的位置信息，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器人研究領域中的難題，會直接影響到用戶的體驗感。因此，通過清潔效果測試來驗證此款掃地機結構模塊、軟硬件模塊設計的合理性。在相同時間內，掃地機通過該區域，將地面上的灰塵吸取到塵盒中，計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，測試數據如表1所示。

由此可見，清潔機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? 論

本論文完成了自清潔掃拖烘機器人的設計，采用多種傳感器進行功能模塊化的設計，通過LDS激光雷達進行地圖的定位，同時建立TOF感知模型進行高效地避障。在硬件系統的架構上，引入智能化的軟件清潔邏輯，實現吸塵除灰、清洗、烘干、回充等多種功能。實測表明，所設計的自清潔機器人可以實現有效避障，提高清掃效率。

參考文獻：

[1] 王鵬.全球服務機器人：待掘的金礦 [J].機器人產業，2015（2）：46-53.

[2] 段榮杰.室內環境下移動機械臂的目標抓取技術 [D].太原：中北大學，2019.

[3] 段志堅.基于3D-TOF圖像傳感器采集系統的設計與實現 [D].長沙：湘潭大學，2015.

[4] 劉洞波.移動機器人粒子濾波定位與地圖創建方法研究 [D].長沙：湖南大學，2013.

[5] 蔣燕.基于多傳感器信息融合的同步定位與地圖創建研究 [D].長沙：湘潭大學，2009.

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