技术 | 智能红外避障自动扫地机器人的设计

研究一种智能扫地机器人，从硬件系统控制模块设计到主要技术调试进行了较详细的阐述。以 STM32 单片机为控制核心与电机驱动、红外线路径识别模块等相互协调应用。进行电路搭建和程序编写。实现了智能扫地机器人红外线避障和自动扫地功能，其清扫面积能达到约 70%，清扫率约 60%，很大程度受到自身机械机构的限制，后期将对小车的机械结构进行完善。

1  引言

近年来，随着 AI 技术的突破，核心零部件成本的下降，使越来越多的智能化设备进入人类的家居生活。智能扫地机器人无可厚非是最具代表的服务类机器人，并取得了爆发式的发展。都市繁忙的生活节奏让最简单的扫地成为生活累赘，扫地机器人的需求点在于解放繁忙的都市人群，用智能化的方式解放双手，追求更高品质的生活质量[1-3]。

2  系统结构

本智能扫地机器人控制系统硬件主要是以单片机 STM32F103 为核心，辅助其外围各模块在单片机的控制下，相互协调工作，保证智能扫地机器人各种功能的实现。该智能扫地机器人系统框图如图1 所示。

3  智能扫地机器人控制系统的硬件模块

3.1 STM32F103 单片机

作为智能小车核心控制模块，输出 PWM 波以及红外模块所需的高、低电平。具备 72 MHz ＠1.25 MIPS/min 内核,集成 32～51 KB 的 Flash 存储器；6～64 KB 的 SRAM 存储器等。其高性能、低功耗、外设丰富，能够完成本课题所需所有功能。

3.2 红外避障模块

传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射的红外线没有被反射回来或强度不够大时，光敏三极管处于闭合状态，此时模块的输出端为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态，被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮。红外发射反射接收原理如图 2 所示。

本课题采用 4 个红外漫反射式传感器的有效距离范围为 2～30 cm，从小车形态前方从左至右分别编号为探头 1、探头 2、探头 3、探头 4。

3.3 电机驱动模块

本模块采用 L298N 电机驱动板模块，输出高低电平给驱动电机，控制电机正转、反转或者停止。利用 STM32 单片机输出 PWM 波原理来控制直流电机的转动。                                        

4  路径规划软件的设计

开始，标志位置1，前进，两侧传感器判断是否有障碍，否，返回前进，是，判断标志位是否为 0，是，右 S 弯且标志位置 1，返回前进，否，左 S弯 且标志位置 0，返回前进。

扫地机器人按照预定指令完成自动清扫功能。路径规划软件流程图如图 3 所示。

5  技术调试及结果分析

5.1 路径规划

起点从平面左边平行位置起，智能扫地机器人直行到达墙壁，当探头 1 和探头 4 同时感应到障碍物时小车停止，后退 10 cm，然后右转 90º，而后直行 17 cm，若探头 1 感应到障碍物，则右转 90º 完成调头，若未检测到障碍物小车执行避障程序。

同理，直行到达对侧墙壁时，左转完成调头，路径成 S 形。自动清扫路径如图 4 所示。

因为扫地机器人正面与障碍物接触面积不同，所以在执行避障时设置了不同的转向角度。探头 1 避障程序：探头 1 检测到障碍物时，表明当前机器人左侧靠近障碍物，右转 45º 避让。同理，探头 4 检测到障碍物时，左转 45º 避让。

探头 2 避障程序：当探头 2 最先检测到障碍物时，表明机器人左侧遇到障碍物或家居的突出拐角，此时右转 60º 避让。同理，当探头 3 最先检测到障碍物时，此时左转 60º 避让。

探头 2、探头 3 避障程序：探头 2 个探头 3 同时遇到障碍物时，表明机器人正面遇到障碍物，此时右转 90º 避让。

5.2 模式调试

智能扫地机器人后轮由两个电机驱动来控制，前方为一个万向轮，能够很好地实现左右的移动。小车移动过程中，电机驱动电压的差异使驱动力大小不同，通过控制小车两个后轮的速度来控制小车的移动方向。自动清扫模式时，以 S 路径往返清扫。实验时划出一片矩形清扫区域，设置不同初始位置，适当在任意位置放置一些障碍物，观察其清扫面积的大小。清扫效果如表 1 所示。

经实验结果分析，根据红外反射传感器检测障碍物的位置，能够自动避障。智能清洁机器人的清扫面积与初始位置有关，清扫面积较大，但边角处仍无法清扫到。智能扫地机器人清扫工作状态如图 5 所示。

6  结语

本课题完成的智能扫地机器人根据路径规划算法控制机器人的运动轨迹，执行时不断地检测周围环境中的障碍物信息，扫地模块独立设计。

实测表明机器人能够实现自动清扫、实时避障、耗时少又节能的目标。在实验过程中发现依然有需要改进的地方，如使小车行动更加灵敏、清扫更大体积的垃圾、减小电机的噪声等，使用户有更好的使用体验。