文獻(xiàn)綜述-基于Stm32掃地機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計

1前言隨著人口老齡化的到來和人民對提升生活品質(zhì)的需要人們對在現(xiàn)實生活場景中取代人力的服務(wù)機(jī)器人有著迫切的需要。，同時機(jī)電，自動控制、計算機(jī)、傳感器等技術(shù)的發(fā)展也為制造服務(wù)機(jī)器人提供了技術(shù)支持。掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人中技術(shù)最成熟和最為廣泛使用的機(jī)器人，。它可以自動的在室內(nèi)行走通過刷掃和吸塵將地面上的碎屑吸收進(jìn)垃圾收集裝置中完成清潔地面的任務(wù)。有效的減少了人們清潔地面這種簡單重復(fù)的家務(wù)勞動，節(jié)約了勞動力，提高了生活品質(zhì)。對于許多忙于工作和生活的人來說，掃地機(jī)器人已經(jīng)成為家庭必備的產(chǎn)品。近年來我國掃地機(jī)器人銷售量猛增，。有數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)掃地機(jī)器人市場近五年的零售量綜合增長速度已經(jīng)超過50%。截至2017年底，國內(nèi)掃地機(jī)器人市場總零售量332.5萬臺，零售總額約44億元。對比其他清潔類家電產(chǎn)品，國內(nèi)掃地機(jī)器人的普及率依然較低，具有龐大的市場需求和廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?018年國內(nèi)掃地機(jī)器人的市場總量達(dá)到53.8億元，零售總量達(dá)到約435萬臺。眾多公司推出了結(jié)構(gòu)各異、種類繁多的掃地機(jī)器人產(chǎn)品，。掃地機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個部分組成，移動機(jī)構(gòu)，傳感系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和真空吸塵系統(tǒng)。對于工作環(huán)境不確定的掃地機(jī)器人而言，感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是提高產(chǎn)品自動化水平的關(guān)鍵。，目前，在掃地機(jī)器人控制技術(shù)方面，傳統(tǒng)的隨機(jī)碰撞模式使用紅外線避障，像無頭蒼蠅一樣到處亂撞，覆蓋率低、重復(fù)清掃，低下的效率已經(jīng)不能滿足人們的需要。掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起始點和目標(biāo)點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑。并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，。根據(jù)掃地機(jī)器人對環(huán)境信息掌握程度的不同，可以分為兩種類型:全局路徑規(guī)劃，環(huán)境信息完全知道，局部路徑規(guī)劃，環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器實時地對機(jī)器人的周邊環(huán)境進(jìn)行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和大小等信息。2國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢掃地機(jī)器人的誕生最早可以追溯到2001年，瑞士家電品牌伊萊克斯制造了一臺名叫“三葉蟲”的掃地機(jī)器人。三葉蟲通過超聲波躲避障礙，超聲波仿生技術(shù)最大的特點在于它可以使掃地機(jī)器人很好的規(guī)避障礙物，能夠在沒有光線的情況下行走同時成本高昂。Roomba由iRobot公司于2002年9月發(fā)布，是掃地機(jī)器人發(fā)展歷史上的一個里程碑。，Roomba主要適用于木質(zhì)地板、瓷磚地面、防水地毯和中短毛的地毯，有S、M、，L三種模式，分別對應(yīng)小、，中、大三種清掃面積。，Roomba以螺旋狀運動并逐漸擴(kuò)大螺旋半徑的方式來覆蓋整個室內(nèi)空間，一旦遇到墻壁或其他大型障礙物阻礙時，其特殊的障礙物感應(yīng)調(diào)節(jié)器就會抵住墻面保護(hù)機(jī)身不受損害，同時沿著墻壁開始清掃。當(dāng)一部分空間清潔完畢后，Roomba會轉(zhuǎn)過90°以相同的方式清潔房間的其他區(qū)域，通過分區(qū)域的螺旋清掃完成對整個房間的清潔，Roomba清潔能力強(qiáng)而且價格便宜具有較高的性價比在市場上受到歡迎。Roomba掃地機(jī)器人iRobot公司將獲得專利的vSLAM視覺運算處理技術(shù)應(yīng)用在新一代旗艦產(chǎn)品Roomba，980掃地機(jī)器人上，。并應(yīng)用了多種模式自動智能適應(yīng)技術(shù)，頂部一個斜向上的視覺傳感器獲取圖像信息，通過對圖像信息的處理創(chuàng)建地標(biāo)，通過地標(biāo)實現(xiàn)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航，機(jī)器人可以清楚了解已清潔和未清潔區(qū)域，結(jié)合地圖進(jìn)行智能路徑規(guī)劃提高清潔效率。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)能夠獲取豐富的環(huán)境信息，可以獲得較好的定位、構(gòu)圖效果但在光線不足的情況下，效果不佳。因此Roomba，980掃地機(jī)器人使用了多傳感器融合技術(shù)，具有三重傳感系統(tǒng)，Wheel，Odometry，，輪胎里程計，Optical，F(xiàn)loat，Sensor，，光學(xué)移動傳感器和vSLAM視覺運算處理技術(shù)。各傳感器信息相互補(bǔ)充和校正，使Roomba，980掃地機(jī)器人即使是在光線不足，或者單個傳感系統(tǒng)不適用時，仍能夠較為精確的獲取環(huán)境信息，從而進(jìn)行定位和導(dǎo)航，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在路徑規(guī)劃技術(shù)上，和其它的Roomba掃地機(jī)器人一樣，Roomba，980掃地機(jī)器人使用了iAdapt情景規(guī)劃算法，具備多重模式的自動智能切換能力。通過多種傳感器獲取的環(huán)境信息和先進(jìn)的智能算法，超過60次每秒的決策，使掃地機(jī)器人能夠?qū)崟r的針對不同的室內(nèi)環(huán)境采取相適應(yīng)的清潔模式。獲得較高的覆蓋率和良好的清潔效果，清掃徹底。Roomba，980掃地機(jī)器人主要的清潔模式有四種，邊角清潔模式、脫困模式、防纏繞模式和重復(fù)清掃模式。邊角清潔模式，掃地機(jī)器人沿墻邊角運動，特殊設(shè)計的邊刷能夠?qū)Ρ谶吘壓徒锹溥M(jìn)行無死角清掃。脫困模式，主要應(yīng)對狹窄復(fù)雜環(huán)境中尋找出口，在確保不被困住的同時完成清掃任務(wù)。防纏繞模式，在遇到線纜的情況下，特殊設(shè)計的主刷將反向旋轉(zhuǎn)以避免纏繞。重復(fù)清掃模式，通過進(jìn)階版Dirt，Detect污垢探測程序，自動檢測地面是否清理干凈，對未清潔干凈區(qū)域進(jìn)行小范圍的重復(fù)清掃。為了提高清潔效率，Roomba，980掃地機(jī)器人搭載了改進(jìn)版的三重高效清潔系統(tǒng)，功率也進(jìn)行了提升。清潔系統(tǒng)可以靈活的調(diào)節(jié)自身的高度，保證與不同地面環(huán)境的良好接觸，最大限度的提高清潔效果。邊刷可以反向旋轉(zhuǎn)，攪動并掃起粘附在地面上的碎屑，通過真空吸塵裝置將它直接吸入垃圾收集盒，對毛發(fā)較多的家居環(huán)境也可以達(dá)到良好的清潔效果。為了使用戶對方便的對掃地機(jī)器人進(jìn)行控制和掌握清掃情況，Roomba，980掃地機(jī)器人配置了WIFI模塊，用戶可以通過安裝了iRobot，HOME應(yīng)用程序的手機(jī)、平板電腦等設(shè)備與掃地機(jī)器人連接，通過應(yīng)用程序可以進(jìn)行預(yù)約、啟動、暫停和取消清掃任務(wù)等操作。，iRobot，HOME應(yīng)用程序還可以為用戶以地圖形式提供清掃后任務(wù)情況報告，清楚的顯示清潔區(qū)域的面積、清潔時間等信息，用戶可以方便的按照自己的需要定制個性化的清掃方案，清掃任務(wù)存儲能夠多達(dá)30個。為了將掃地機(jī)器人限定在特定的區(qū)域內(nèi)，Roomba，980采用虛擬墻設(shè)計，在不想讓掃地機(jī)器人到達(dá)的區(qū)域設(shè)置虛擬墻，掃地機(jī)器人遇到虛擬墻后即轉(zhuǎn)向。虛擬墻既可以單獨使用也可以組合使用。在家中有易碎品，門口等區(qū)域設(shè)置虛擬墻，可以有效的防止掃地機(jī)器人碰撞和離開清潔區(qū)域。Roomba，980掃地機(jī)器人具有斷點續(xù)掃和自動回充功能，當(dāng)在清潔任務(wù)中途出現(xiàn)電量不足時，掃地機(jī)器人將記憶當(dāng)前位置坐標(biāo)，返回充電樁進(jìn)行充電，充電完畢后回到原位置繼續(xù)進(jìn)行清掃。可以有效的防止重復(fù)清掃，提高清潔效率，延長掃地機(jī)器人使用壽命。2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢浙江大學(xué)的朱世強(qiáng)教授及其團(tuán)隊成功研制了我國第一臺能夠自主進(jìn)行地面清掃工作的機(jī)器人，該掃地機(jī)器人直徑為35厘米、高為10厘米。在長5.5米、寬3.5米的模擬環(huán)境中，10分鐘時間便可以覆蓋90%以上的區(qū)域。掃地機(jī)器人開機(jī)后，通過搭載的超聲波傳感器，探索墻壁并沿著墻角行走以獲取環(huán)境信息。隨后采取局部覆蓋和隨機(jī)清掃相結(jié)合的清掃策略對地面進(jìn)行清掃，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的覆蓋率。該掃地機(jī)器人具有自動回充功能，在完成清掃任務(wù)后可以自動返回充電樁進(jìn)行充電。目前，該掃地機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了四代樣機(jī)，無論是環(huán)境適應(yīng)性還是智能化水平都有較大的提高。科沃斯公司2018年發(fā)布的年度高端旗艦機(jī)型地寶DN55，具備較強(qiáng)的清潔能力和較高的智能化水平。地寶DN55采用激光SLAM技術(shù)，在機(jī)身頂端安裝有激光雷達(dá)，激光雷達(dá)高速旋轉(zhuǎn)以獲取周邊障礙物的點云數(shù)據(jù)，結(jié)合SLAM算法實現(xiàn)定位和構(gòu)建環(huán)境地圖。地寶DN55搭載了Smart，Navi，2.0全局規(guī)劃系統(tǒng)，具備地圖存儲和更新功能。在第一次使用后自動將地圖信息進(jìn)行存儲，下次使用時無需重新構(gòu)建地圖，在環(huán)境信息發(fā)生改變時，可以自動更新地圖。用戶可以通過移動智能終端安裝應(yīng)用程序連接掃地機(jī)器人，實時的查看構(gòu)圖和清潔任務(wù)完成情況。除此之外，還可以進(jìn)行設(shè)置虛擬墻、選區(qū)清掃等操作。地寶DN55會依據(jù)地圖信息對清掃區(qū)域進(jìn)行自動分區(qū)，用戶可以通過應(yīng)用程序自主選擇清掃區(qū)域。在客廳或房間有人活動、休息時，可以讓掃地機(jī)器人清潔其他區(qū)域，可以有效的避免噪音影響。用戶可以在應(yīng)用程序生成的地圖上設(shè)置虛擬墻，在門口、貴重易碎物品處劃線，掃地機(jī)器人便會自動的進(jìn)行規(guī)避。地寶DN55具有自動回充功能，在電量不足時可以自動尋找充電樁并進(jìn)行充電。3總結(jié)隨著技術(shù)的進(jìn)步，掃地機(jī)器人的智能化水平越來越高，人們對掃地機(jī)器人的需求也越來越迫切，但高昂的價格成為掃地機(jī)器人普及的障礙，iRobot公司Roomba980售價為8899元，國產(chǎn)的科沃斯地寶DN55也達(dá)到了2499元的售價。決定掃地機(jī)器人的成本主要在于路徑規(guī)劃和導(dǎo)航方式，激光和視覺導(dǎo)航對傳感器、微處理器的性能要求高，導(dǎo)致整體價格居高不下。而傳統(tǒng)的隨機(jī)清掃方式性能差，越來越難以滿足用戶需要。本論文在研究國內(nèi)外掃地機(jī)器人發(fā)展趨勢與研究的基礎(chǔ)上，提出一種低成本、可靠性好的掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法。主要研究內(nèi)容如下1、基于STM32F103ZET6芯片搭建掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用超聲波、紅外等多種傳感器采集信息，通過驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，使掃地機(jī)器人實現(xiàn)清掃作業(yè)。2、在研究和分析現(xiàn)有掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，提出一種穩(wěn)定可靠的路徑規(guī)劃算法，并測試效果。3、對系統(tǒng)硬件如MPU-6050、超聲波、驅(qū)動模塊進(jìn)行硬件驅(qū)動設(shè)計。軟件實現(xiàn)PID控制算法并調(diào)試。參考文獻(xiàn)[1]傅一元掃地機(jī)器人:它們正在發(fā)展,它們正在壯大[J].電器，2017年10期:32-34..[2]柴劍.智能掃地機(jī)器人技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué).2013.12.[3]萬軍，張郭，楊代強(qiáng).基于STM32的智能掃地機(jī)器人避障系統(tǒng)設(shè)計的研究[J].中國高新區(qū)，2017年13期:22.[4]徐勝華.基于STM32的智能掃地機(jī)器人研究與設(shè)計[D].廣西師范大學(xué).2016.04.[5]Dying.從“小”入手智能家電嘗鮮[J].電腦迷，2014年16期:60-61.[6]齊開陽.科沃斯，做對用戶有用的機(jī)器人[J].機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，2017年5期:68-