关于实现扫地机器人优化路径算法

陆柽堂　林桂锋　林位龙　黄程怀　孙宝福

摘 要 随着技术的不断发展进步，人工智能的大趋势即将到来，扫地机器人作为当代智能型家居电器，它的应用也越来越多。本文主要针对了基于单片机AT89C52RC的扫地机器人的清扫路径设计以及算法，通过对机器人行走中碰撞的记录以及障碍物的位置进行定位，大致的把室内地图描绘出来储存在存储器中，进而实现扫地机器人的扫地路径优化，择优选择最佳清扫路径，尽可能的消除扫地机器人清扫盲区，提高扫地机器人的一次清扫率，降低重复率。

关键词 扫地机器人 单片机 路径规划

中图分类号：TP242.6 文献标识码：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 问题的提出

扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘等，如今已成为广大家庭需要的智能家用电器，一般采用刷扫和真空的方式进行打扫，一般是通过红外、超声波等传感器进行探测。而如今市场上许多的扫地机器人的清扫路径存在着许多的缺点：当感应到前方存在着障碍物时，就会进行左或右的转向，通常会使得扫地机器人反复清扫同一个地方，而其他的区域却清扫不到，这样的清扫方式费时且效率低，所以如今迫切需要解决扫地机器人的清扫路径的优化。

1.2 研究的背景

进入21世纪以来，智能机器人的技术得到了全面的发展。扫地机器人最早起于欧美，国内相较于欧美等发达国家和地区而言，对扫地机器人的研究起步较晚。2004年，重庆大学智能科学技术研究室与宁波波郎电器股份有限公司合作开发室内清洁机器人，最新开发的BL001能根据前端左右两侧的红外传感器探测墙壁，沿墙壁行走清扫地面。现如今市面上，国产品牌的扫地机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT85G、福玛特ZJ-C1等很受欢迎。但是基于红外传感器与超声波传感器的扫地机器人测量精度较为低，而且干扰比较大，导致扫地机器人出现路径混乱等情况。

2 技术概述

2.1 单片机技术概述

单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

本文中采用的是比较成熟而且价格相对低廉的AT89C52RC单片机，此单片机编程较为简单，比起STM32系列有着十分大的优势。图1为单片机AT89C52RC的管脚图。

2.2 传感器技术

扫地机器人避障时首先需要对障碍物进行检测，而后将检测到的讯息传送到微机系统中进行处理，再然后输出信号给控制器，控制器才能够知道控制量，执行微机系统传来的命令，从而改变扫地机器人的运动位姿。本文中同时采用红外传感器与超声波传感器。这两个种类的传感器造价便宜，易于应用，结合使用它们并且合理分配好其位置分布能够较为精确测出障碍物位置。

3 路径及其算法设计

基于STC89C52RC的扫地机器人路径规划算法如下：

首先利用光电编码器作为扫地机器人的传感器，该传感器用于记录碰撞（驱动轮一旦发生堵转既认为发生碰撞）和行走距离的数据，遇到障碍物时驱动轮堵转，将障碍物的地址存放在[x，y]数组中。

机器人从靠墙的一面开始（图2），进行第一次左（右）转弯前进试探，扫地机器人在碰到障碍（假如左侧）时相反方向一侧（右侧）旋转90度前进一段距离A绕开障碍物，并向每前行走一小段吸尘器口径的距离（b）后，此时总右行距离为（A+nb），向另一侧（左侧）旋转90度试探，如果机器人没有碰到障碍物，则继续向左行进（A+nb）后转向继续前行清扫工作，障碍物的尺寸较小，此时扫地机器人可以避开继续向前行走，并且在此处记录一个清扫盲区。如果障碍物的尺寸大于吸尘器的口径，此时扫地机器人无法通过，则向同一侧（左/右）旋转90度，形成回头清扫的方式，记录这次清扫的距离记为y。

重复以上的清扫方法，将每一次清扫的距离都记为y，比较每一次清扫的距离y得出最大的清扫距离。对比障礙物的地址可以得到每次未清扫盲区，对盲区进行试探、清扫。

4 结语

本文提出了一种基于扫地机器人传感器技术与单片机技术的结合，通过传感器与碰撞来确定机器人所在位置以及需要做出得命令，与一般的扫地机器人相比，该模型能够通过记录行走距离与碰撞次数还有传感器扫描结合，生成较为准确的室内地图，从而选择最优路径进来清扫，提高扫地机器人的效率与覆盖率。

参考文献

[1] 唐如龙.基于单片机的扫地机器人调速系统设计[J]. 装备制造技术，2017（07）：116-118.

[2] 李炫志，黄旭铭，等.基于光流定位的自动路径规划清扫机器人[J].微型机与应用，2017.36（5）：57-59.

[3] 简毅，高斌，张月.一种室内扫地机器人全遍历路径规划方法研究[J].传感器与微系统，2018.37（1）：32-34.

[4] 霍英杰，张奕樱.基于2.4G无线通信的智能扫地机器人技术的研究与实现[J].黑龙江科技信息，2017（5）：70.

[5] 王晓彤，黄鲁.基于单目天花板视觉的扫地机器人定位算法设计及实现[J].微电子学与计算机，2018.35（3）：125-129+134.