一、设计背景

   扫地机器人的发展历程可以追溯到上世纪80年代，当时的扫地机器人还处于实验室阶段，只能在特定的环境下进行清扫。随着科技的不断进步，扫地机器人的功能也得到了不断的提升。1996年，iRobot公司推出了Roomba系列扫地机器人，这是第一款真正意义上的家用扫地机器人。Roomba系列扫地机器人采用了先进的传感技术和智能算法，可以自主规划清扫路线，避开障碍物，实现全自动清扫。

随着科技的不断发展，扫地机器人已经成为了现代家庭中不可或缺的一部分。扫地机器人的出现，不仅为人们的生活带来了便利，同时也为科技的发展提供了新的思路和方向。本文将对扫地机器人的相关文献进行综述，以及更好地了解扫地机器人的发展历程和未来发展趋势。

二、设计过程

2.1方案设计

2.1.1 扫地机器人的总体方案图

本次设计的扫地机器人采取的方案是：在机器人的两侧各布置一组毛刷，成对称分布，通过电动机通过伞齿轮传动控制动力轮转动来实现机器人的移动动作。根据控制方法的不同，机器人的转速或者方向也有所不同。整机采用成本低廉且经久耐用的塑料作为材料，经过喷漆喷塑处理后在外观上面得到了一定的保证。其具体方案布局图如下：

扫地机器人的技术路线包括机械结构、感知系统、运动控制、智能算法等方面。其核心技术包括地图绘制、路径规划、障碍物识别与避障、充电和续航等方面。其中，地图绘制和路径规划是扫地机器人的核心技术之一，通过激光雷达、摄像头、红外传感器等感知系统，扫地机器人可以绘制出环境地图，并根据地图规划清洁路径，实现自主导航和清洁。

②结构设计

2.1扫地机器人的功能概述

     本次设计的扫地机器人，主要具有如下功能：

1、清扫模式：随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等相结合，实现全方位立体清扫； 

2、智能导航系统：实现对房间地形的重构，自动规划清扫路线； 3、智能安全监控：防撞，防跌落，防缠绕，电池电量监测； 

4、创新功能：灰尘量识别，实现床底清扫，手机遥控模式，尖端气流滤尘技术，室内空气质量监测与提醒； 

5、其他基础功能：自动返回并充电，灰尘盒安装检查，灰尘盒容量探测。

2.2扫地机器人的清扫模式

清扫模式包括随机清扫、螺旋式清扫、交叉清扫、沿边清扫、定点清扫、预约清扫等。随机清扫是指根据地面状况在其他几种清扫模式之中进行切换；

螺旋式清扫是指绕圈清扫的模式；

交叉清扫是指在不同的区域之间交叉穿梭来清扫，也可以称为Z字形清扫；

沿边清扫是沿着房间的边界进行清扫；

定点清扫是指在指定的位置小范围内清扫；

预约清扫是指每天在指定的时间自动清扫，可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。

2.3 智能导航系统

扫地机器人的智能导航实质就是路径自动规划。扫地机器人路径自动规划有两种方法：随机式全区域覆盖和规划式全区域覆盖。

随机式全区域覆盖方法控制简单，不需要很多的硬件，软件编程也简单，易于实现。但其缺点是移动机器人运行轨迹重复性较大，且运行轨迹不能较快地、充分地覆盖整个区域，这种路径规划只考虑完成任务，没有考虑到时间消耗和能量消耗情况，因此选择规划式全区域覆盖方法。此设计中选择往返式路径规划方法。

往返式路径规划清扫路径的规则为当扫地机器人置于室内时，可通过超声波测距传感器的信息来判断它放置于墙边还是房屋中间。在房屋中间，则先设为它沿某一方向运动到靠近墙边的某一点。机器入就可从墙边的某一点开始，按顺时针方向绕墙运动一周，先对室内墙边地面进行一次预清扫。扫地机器人在绕完一圈后再向左或向右行走到墙壁的最左端或者最右端，以此作为它清挡路径的起始点，也即绝对坐标的原点。

先假设室内只有一个孤立的障碍物，以房屋左下角O点为起始点。开始清扫时，从O点势始沿Y轴正方向清扫，遇到墙壁时向右原地旋转90o，向X轴正方向移动一个车身后再向右旋转90o，沿Y轴负方向清扫，以此往复运动。

当遇到障碍物时，则按下面的方法进行规划和避障：当清洁机器人运动到障碍物的最左边点时，根据步进电机的脉冲数和驱动轮光栅的脉冲数计算出最左边点的坐标。然后根据超声波测距传感器收到的信息沿着障碍物边缘行进相当于X轴方向一个车身的距离，再原地旋转到Y轴负方向，沿Y轴负方向继续清扫，这样一直往返清扫，当扫地机器人在沿障碍物边缘清扫时超声波传感器突然收不到信号即到达了障碍物的最右端点，扫地机器人将原地一直向左旋转直到超声波传感器再次收到信号为止，然后沿障碍物的上边沿行进到障碍物的最左端点，再沿Y轴方向进行往返清扫，行进路径和障碍物下边沿的行进路径类似。这样就可以在清扫过程中自动避开障碍物。

2.4扫地机器人的智能控制系统

扫地机器人在工作过程中难免遇到各种障碍物，如果不及时躲避障碍物，将影响扫地机器人正常工作。因此在扫地机器人内部安装三个超声波测距传感器，用来检测扫地机器人行进路线上是否有障碍物。超声波测距传感器安装位置如下图所示。

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。超声波传感器测距原理如图所示。

超声波传感器接收到反射信号，检测出前方有障碍物时，向控制器发出信号，控制器控制扫地机器人转向，躲避障碍物，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。选用超声波测距传感器，实现非接触式测量，避免与家具等物品发生碰撞，从而避免损坏相应物品。为了防止扫地机器人遇到台阶时跌落，在扫地机器人背面安装3个防跌落传感器。防跌落传感器安装位置如上图所示。防跌落传感器利用超声波进行测距。当扫地机器人行进至台阶边缘时，防跌落传感器利用超声波测得扫地机器人与地面之间的距离超过限定值，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人行进方向，从而实现防止跌落的目的。防跌落传感器安装位置如图所示：

2.5扫地机器人的三维建模

2.5.1动力轮的三维建模

2.5.2 万向轮的三维建模

2.5.3 毛刷的三维建模

2.5.4 扫地机器人的三维建模

③创新点

1.灰尘量检测：一般扫地机器人都采用压力传感器进行灰尘量监测，可是灰尘很轻可能挤压很久才会有变化。我们在灰尘盒两侧安装变介质电容传感器，当灰尘盒中灰尘高度到达电容传感器高度时，电容传感器中的介质发生改变，从而引起传感器电容变化，知道灰尘盒要被清空。

2.死角清理：一般来说，床底，柜底都是比较难打扫的，在这些地方工作时，光强较弱。通过安装光敏传感器，经过光强变化，使扫地机器人能进入暗处进行清理。

3.监测功能：为了监测家庭环境，装有摄像头，是一个可移动的视频管家，通过语音交互功能，可控制扫地机器人去想去的地方，观察家庭环境和小孩子安全情况。同时还可以监测室内温度、湿度和空气质量等，监测出现异常时，扫地机器人能够完成检测并实现及时报警功能。

三、设计总结

    随着人工智能技术的不断发展，扫地机器人的未来发展趋势将更加智能化、个性化和人性化。未来的扫地机器人将具备更加先进的传感技术和智能算法，可以实现更加精准的路径规划和障碍物避免。同时，未来的扫地机器人还将具备更加个性化的功能，可以根据用户的需求进行定制化设计。此外，未来的扫地机器人还将更加人性化，可以与人类进行更加自然的交互，实现更加智能化的家居清扫。

扫地机器人的发展历程和未来发展趋势，充分展示了科技的不断进步和人类对于智能化生活的追求。未来的扫地机器人将成为家庭清扫的得力助手，为人们的生活带来更加便利和舒适。