摘 要

随着科学技术的快速发展，智能化时代即将来临，扫地机器人是当今一个热门的智能产品。扫地是一项枯燥的家务劳动，当今时代的人们生活节奏越来越快，时间越来越紧张，如果扫地这项家务劳动由机器人代替，人们会省出一部分宝贵的时间，扫地机器人的设计迫在眉睫。

本文主要研究内容是机器人的定位和路径规划，RSS（接收信号强度）的变化转化为机器人到基站的距离，再依据三边定位法得出机器人的位置坐标，结合航迹推算减小RSS定位法带来的定位误差；再搭配超声波传感器检测障碍物，建立地图；地图结合一定的避障原则设计出“弓“字形路线的路径规划方法；电机驱动使用PWM（脉宽）调速方法并搭配PID（比例积分微分）控制法来精准的控制车轮转速。以上设计能基本实现扫 地机器人自动清扫功能。

关键词：数据读取、wifi定位、路径规划、PID控制

Abstract

With the rapid development of science and technology, the era of intelligence is coming. The sweeping robot is a popular intelligent product. Sweeping is a boring housework. In today's era, people's life rhythm is faster and faster, and time is more and more limited. If the housework of sweeping is replaced by a robot, people will save some precious time, and the design of the robot is extremely urgent.

The main research content of this paper is positioning and path planning of the robot. The change of RSS (strength of received signal) is converted into the distance between the robot and the base station. Then the position coordinates of the robot are obtained according to the three-side positioning method. Then, ultrasonic sensors are used to detect obstacles and build maps. The route planning method of "bow" shape route is designed based on certain obstacle avoidance principle. Motor drive USES PWM(pulse width) speed control method and PID(Proportional integral and differential) control method to accurately control the wheel speed. The above design can basically realize the automatic cleaning function of the floor robot.

Key Words:data reading, Wifi positioning, Path planning, PID control

目录

第1章绪论 1

1.1扫地机器人的背景和意义 1

1.2国内扫地机器人现状 1

1.3研究内容和预期目标 2

第2章 数据读取 3

2.1 MPU6050数据读取 3

2.2光电编码器的数据读取 6

2.3 串口模块 9

第3章 电机控制 11

3.1 PWM调速 11

3.2 PID控制 11

3.2.1 PID控制的原理和意义 11

3.2.2 PID调节器的参数整定 11

第4章 建立地图和机器人定位 13

4.1建立地图 13

4.2 机器人定位 14

4.3 RSS定位法的缺点 15

第5章 路径规划 16

5.1躲避障碍物的原则 16

5.2地面全覆盖方法 17

第6章 总结和展望 19

6.1总结 19

6.2展望 19

致谢 20

参考文献 21

第1章绪论

1.1扫地机器人的背景和意义

在收入和人口结构动态变化下，消费升级浪潮势不可挡，老龄化加剧使得家务劳动的替代日益受到重视，同时导致劳动力稀缺、劳动力成本持续攀升，扫地机器人具备替代人力清扫的本质功能，同时无论外观设计还是内在结构具备科技感，这些特征完美匹配目前消费趋势，随着新材料新技术，人工智能的发展，扫地机器人技术越发成熟，使扫地机器人取代人工逐渐成为了现实。同时，扫地机器人的发展也刺激了新技术，人工智能的发展潜力。用机器代替人工、使人们从家务中解放出来的需求愈发“刚性”。

1.2国内扫地机器人现状

扫地机器人发展时间不长，在产品上却已经历了4代更新，第1代扫地机器人智能化程度低，仅能通过碰撞到障碍物后，来调整行进方向，也就是所谓的随机碰撞扫地机器人。第2代扫地机器人增加了导航功能，也有一些简单算法的支持，机器人具备里程记录功能，在遇到障碍物后会自动停止，减少了误打误撞的几率，提升了一些效率，但较容易出现重复劳动的情况，这就是所谓的惯性导航扫地机器人。

这两代之后，还出现过一个2.5代的扫地机器人，在其他方面2.5代机器人与前两代并无不同，只是增加了一个摄像头来识别清扫路线，这当然是先进了一些，但遇到房间光线不足的情况，这一功能就无法发挥。

第3代导航机器人配备了LDS激光雷达，能够快速测试距离，规划清扫路线，避免重复劳动，且不受室内光线影响，这一代的扫地机器人在智能化程度上更高，也是目前的主流消费产品。

美国的Neato开发的Neato XV-21，是世界上第一个采用智能激光制导系统的商用扫地机器人。机器人的“眼睛”是其顶端的激光雷达,通过对房间的激光扫描，生成房间内部3D数字地图，并能不断根据家具位置变.化来更新地图。有了精准的定位和数字地图，采用“S"形路径规划方式,能够无任何碰撞地清洁地面,一次覆盖率达到90%以上,即使是在很难到达的边角区域以其独特的“D"形结构也能轻松清扫。

机器人巨头Irobot公司最新推出的扫地机器人Roomba980，采用iAdapt2.0视觉实时定位建模技术,在清扫房间的同时能够绘制房间内的地图,并且精准避开障碍物。Roomba980能够精准监测到自己在房间内的具体位置,.一方面可以提高清洁效率，通过自己的位置信息合理进行路径规划以避免重复清扫，另一方面当电量不足或完成清洁任务时,够自主准确地找到充电座的位置。Roomba 980新添加的断电续航功能也很实用,当电量低于5%时会自主回充，充电完成后能自主回到充电前的工作位置。其外观时尚,还添加了物联网的设计概念,在室内的WiFi环境下,用户可以通过iOS或者Android的iRobotHome应用进行远程通信、遥控操作，一切清洁设置都可以在APP上完成。

国内相较于欧美等发达国家和地区而言，对清洁机器人的研究起步较晚,但近些年相关技术得到飞速发展。2004年,重庆大学智能科学技术研究室与宁波波朗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红外传感器探測墙壁,沿墙壁行走清扫地面,在行走的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间,之后利用随机控制规划遍历的策略产生高效的清洁路径。清扫结束后,自行回到充电座，补充电力。目前,系统还在进一步的升级中。当前市面上,国产品牌的清洁机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT85G、 福玛特ZJ-CI、米家扫地机器人等很受欢迎。