传感器作业-扫地机器人设计..doc

第一章绪论
课题研究背景
近年来,随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展,服务机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。一方面随着信息高速发展和生活、工作节奏的加快,人们需要从繁杂的家庭劳动中解脱出来;另一方面人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。区别于工业机器人,服务机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统,其活动空间大,具有在非结构环境下的移动性,因此扫地机器人是一种能够自动执行房间清扫的家用服务机器人,集中了机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能技术等多学科。开始于20世纪80年代的研究,现在已经有多重样机和产品,并且促进了家庭服务机器人行业的发展,也促进了移动机器人技术、图像、语音识别、传感器等技术的发展。许多发达国家都将其视为机器人研究的新领域给予重视。有关资料也预测扫地机器人是未来几年需求量最大的服务机器人,特别是日用扫地电器不论在市场上或者是在产品创新上,绝对是所有小家电产品中最活跃的,未来仍有很大的成长空间,因此此课题研究有很大的意义。
国内外研究现状
扫地机器人的特点
扫地机器人具有如下的特点:
扫地机器人自带电源,小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用性。
扫地机器人的工作环境主要为普通家庭环境,也可以用于机场候机大厅、展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员,因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对此类机器人的基本要求。
扫地机器人的任务是清扫地面,工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体,而大尺寸物体不作为扫地机器人的处理对象。考虑到安全因素,扫地机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害,同时扫地机器人还必须具备自我保护的能力。
随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,扫地机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景。扫地机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及扫地度。用传感器探测环境,分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特别重要的意义。近年来对智能机器人的研究表明,目前发展较快并且对扫地机器人发展影响较大的关键技术是:路径规划技术、传感技术、吸尘清扫技术、电源技术等
。
①路径规划技术
扫地机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并实现所需清扫区域完全路径覆盖。按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境和动态不确定环境,按机器人获取环境信息的方式不同可以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。根据机器人对环境信息知道的程度不同,可以分为两种类型:全局路径规划和局部路径规划。常用的环境建模的主要方法有:可视图法、自由空间法、栅格法、势场法等。与其它移动机器人相比较,扫地机器人作业环境和作业任务相对简单,机器人要实现自主路径规划、控制和作业并不困难。
②传感技术
扫地机器人在工作时需要实时地检测自身状态信息和收集外界环境息,以控制自身状态、建立环境地图、自主导航和定位,进行路径规划,感知作业对象的状态,检查扫地效果等。通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器。其中内部传感器有:编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等。其中编码器用于确定当前机器人的位置,线加速度计获取线加速度信息,进而得到线加速度和位置信息:陀螺仪用以得到机器人的姿态角、运动方向和转动时运动方向的改变等绝对航向信息。外部传感器有:视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器。D 摄像机进行机器人的视觉导航与定位、目标识别和地图构造等;超声波传感器测量机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等。红外线传感器一般采用红外接近开关探测机器人工作环境中的障碍物以避免碰撞。使用时,往往需要多传感器同时工作并进行数据融合才能获得精确的信息以确定机器人的工作状态。
③吸尘、清扫技术
目前采用的扫地机器人有两类:真空扫地机器人和气流滤尘器。真空扫地机器人是由高速旋转的风扇在机体内形成真空从而产生强大的气流,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。气流滤尘器是一个全封闭系统,既无外部气体吸入,也无机内气体排除,其原理是利用附壁效应形成低压涡流气体,最后将沉渣截留于扫地机器人内的涡流腔内。
④电源技术
目前扫地机器人基本上都采用电池作为能源,电池有一次电池、二次电池和燃料电池。作为机器人能源的一次电池要求能量密度高、自放电少、可靠性高,一次电池有锰干电池、碱性锰电池、锂电池等。二次电