摘 要

随着科学技术的飞速发展，越来越多的服务机器人进入了我们的生活中，充当着各种各样的角色，帮助甚至是替代我们完成任务。

定位是实现服务机器人移动并且完成任务的关键部分。随着各项技术的发展和新技术的出现，如GPS、WIFI、蓝牙、激光、超声波、视觉定位等，定位方法的相关研究越来越多，定位也越来越精确。研究一个好的定位方法可以使服务机器人更好的帮助人们工作，减轻负担。

本文首先介绍了服务机器人现阶段的国内外的发展状况，然后介绍了当今可用于服务机器人室内定位的相关技术和方法。根据现在家庭中一些扫地机器人经常出现迷路的问题，本文将以扫地机器人的定位为例，从室内定位精度，定位速度和成本综合考虑，选择SLAM法进行定位，解决其迷路的问题。扫地机器人环境信息的探测选择红外激光测距系统。本文主要阐述了测距系统的实现，测距系统方面使用了GP2Y0A700K0F和GP2Y0A02YK两款红外测距传感器，LTC1864作为A/D转换芯片，单片机作为处理器。使用C语言编写软件控制单片机，将红外测距传感器输出的模拟信号通过LTC1864转换为数字信号，对数字信号进行处理后得到距离值，随后将其显示在屏幕上，方便进行调试和修改。经过仿真验证，测距精度满足设计要求。测量的数据通过ICP匹配算法和几何特征地图法可以用来创建地图同时实现准确的定位。当扫地机器人电量低的时候，使用红外信标式自主导航系统实现自动寻找充电桩和充电。

关键词：扫地机器人；室内定位；激光测距；单片机；A/D转换；地图匹配

Abstract

With the rapid development of science and technology, more and more service robots into our lives, as a variety of roles, to help even replace us to complete the task.

Positioning is a key part of implementing a service robot to move and complete a task. With the development of various technologies and the emergence of new technologies, such as GPS, WIFI, Bluetooth, laser, ultrasound, visual positioning, positioning methods related to more and more, more accurate positioning. Studying a good positioning method can make the service robot better help people work and reduce the burden.

This paper first introduces the development of service robots at home and abroad at home and abroad, and then analyzes the relevant technologies and methods that can be used in the indoor positioning of service robots. According to the problem of some of the sweeping robots in the family, this paper will take the location of the robot as an example, and choose the SLAM method to solve the problem of getting lost from the indoor positioning accuracy, positioning speed and cost. Scanning of Robot Ambient Information and Selection of Infrared Laser Ranging System. This article mainly describes the realization of the distance measurement system, ranging from the use of GP2Y0A700K0F and GP2Y0A02YK two infrared distance measurement sensor, LTC1864 as A / D conversion chip, microcontroller as a processor. Using C language programing to control the microcontroller, the infrared distance sensor output analog signal through the LTC1864 converted to digital signals, the digital signal processing to get the distance value, and then display it on the screen for easy debugging and modification. After simulation verification, ranging accuracy to meet the design requirements. The measured data can be used to create maps while achieving accurate positioning by ICP matching algorithms and geometric feature maps. When the sweeping robot is low, use the infrared autonomous navigation system to automatically find the charging pile and charging.

Key Words: Sweeping robot；Indoor Positioning；Laser Ranging；microcontroller；A / D conversion；Map match

目录

1 绪论 1

1.1 研究的背景与意义 1

1.2 室内服务机器人的研究现状 2

1.2.1 国外现状 2

1.2.2 国内现状 3

1.3 研究内容和文章结构 4

2 服务机器人室内定位方法概述 5

2.1 定位方法 5

2.1.1 绝对定位 6

2.1.2 相对定位 8

2.2 服务机器人定位方案的选择 9

2.3 本章小结 9

3 红外激光测距系统 10

3.1 红外线 10

3.2 红外测距的方法与选择 10

3.2.1 相位测距法 10

3.2.2 脉冲测距法 11

3.2.3 三角测量法 12

3.2.4 反射能量法 13

3.2.5 测距方法的选择 13

3.3 红外测距系统的硬件设计 13

3.3.1 单片机最小系统的构建 13

3.3.2 红外测距模块 16

3.3.3 A/D转换模块 20

3.3.4 其他电路模块 22

3.4 本章小结 24

4 红外测距系统软件设计与仿真 25

4.1 软件设计框图 25

4.2 主要模块的软件设计 26

4.2.1 A/D转换模块的工作和数据的读取 26

4.2.2 转换的数据与距离的换算 27

4.2.3 主程序的循环部分 29

4.3 仿真验证 30

4.4 本章小结 32

5 地图构建与定位的实现 33

5.1 地图的建立 33

5.1.1 栅格地图 33

5.1.2 特征地图 34

5.1.3 拓扑地图 35

5.1.4 建立地图 35

5.2 地图匹配与定位 37

5.3 扫地机器人自动导航充电 38

5.4 本章小结 39

6 总结 40

参考文献 41

致谢 42

1 绪论

1.1 研究的背景与意义

在现在这个时代，随着网络、人工智能等科学技术的不断进步，人们的思维、生活方式也在不断的发生改变。家用电器也在不断的更新换代，从原来功能单一，操作又繁琐发展到现在多功能一体的服务机器人，而且可以智能进行各项操作，完成各种任务，省时省力。而且当今人们生活压力增大和人口老龄化趋势的加剧，更是催生了人们对服务机器人研究的热潮，期待服务机器人能带给人类更多的便利，缓解生活的压力，增加幸福感。

服务机器人是一种能帮助人类完成服务工作的机器人，减轻人类负担。在2006年我国颁布的《国家中长期科学和技术发展规划刚要》中，服务机器人技术是未来值得大力发展的技术。现阶段的服务机器人主要分为两种，一种面向专业领域，如消防、医疗、救援等，另一种则是面向家庭和个人的，如清洁、教育等。服务机器人在很多领域都起着巨大的作用，比如电影里常见的拆弹机器人，可以减少很大的危险；医院里常见的智能轮椅，方便残疾人出行；手术机器人，帮医生更精准的进行手术；家庭里的扫地机器人，户外清洗机器人等，可以减轻人们劳动负担。

当前世界服务机器人市场化程度逐年提高，而且受简单劳动力不足及人口老龄化趋势的加剧，服务机器人的增长越来越快。根据国外一家调查机构的报告显示，2012年全球的服务机器人市场规模达到了207.3亿美元，而且还在持续飞速增长，前景十分广阔，值得大力投入研究。