STM32与扫地机器人研究

    扫地机器人是一种可以代替人们完成地面清洁任务的服务机器人，可以有
效减少人们清洁地面这种重复性的劳动，提升生活质量。目前扫地机器人是一
种技术较为成熟的智能产品，具有广阔的市场前景。扫地机器人的控制技术是
提升其智能化水平、降低生产成本的关键，具有重要的研究意义。
    本文首先介绍了扫地机器人的研究背景，国内外的研究现状和意义，再介
绍了扫地机器人控制系统的结构组成，设计了以STM32F103ZET6为主控芯片，
外接红外传感器、超声波传感器、MPU60_50陀螺仪等器件的主控板。为器件编
写软件驱动程序，编程实现P工D控制、PWM控制和路径规划算法。传感器不断
获取周围环境信息，路径规划算法根据不同的环境控制扫地机器人的运动路线，
PID实时输出控制量控制电机的运动，确保扫地机器人运行稳定。最后制作了
扫地机器人样机和对PID参数进行整定，通过实验验证了本扫地机器人控制系
统设计的合理性。

    近年来，我国扫地机器人销售量猛增〔习。有数据显示，国内扫地机器人市
场近五年的零售量综合增长速度己经超过50%。截至2017年底，国内扫地机器
人市场总零售量332. 5万台，零售总额约44亿元。对比其他清洁类家电产品，
国内扫地机器人的普及率依然较低，具有庞大的市场需求和广阔的发展潜力。
2018年国内扫地机器人的市场总量达到53. 8亿元，零售总量达到约435万台。
众多公司推出了结构各异、种类繁多的扫地机器人产品〔8]。扫地机器人系统通
常由四个部分组成:移动机构，传感系统，控制系统和真空吸尘系统〔川。对于
工作环境不确定的扫地机器人而言，感知系统和控制系统是提高产品自动化水
平的关键。目前，在扫地机器人控制技术方面，传统的随机碰撞模式使用红外
线避障，像无头苍蝇一样到处乱撞，覆盖率低、重复清扫，低下的效率己经不
能满足人们的需要〔10]。扫地机器人的路径规划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〔“」，并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖〔12]。根据扫地机器人
对环境信息掌握程度的不同，可以分为两种类型:全局路径规划，环境信息完
全知道;局部路径规划，环境信息完全未知或部分未知，通过传感器实时地对
机器人的周边环境进行探测〔13-1.]，以获取障碍物的位置、形状和大小等信息。

    Roomba由iRobot公司于2002年9月发布，是扫地机器人发展历史上的一
个里程碑〔19' 0 Roomba主要适用于木质地板、瓷砖地面、防水地毯和中短毛的
地毯，有S, M,  L三种模式，分别对应小、中、大三种清扫面积。Roomba以
螺旋状运动并逐渐扩大螺旋半径的方式来覆盖整个室内空间，一旦遇到墙壁或
其他大型障碍物阻碍时，其特殊的障碍物感应调节器就会抵住墙面保护机身不
受损害，同时沿着墙壁开始清扫。当一部分空间清洁完毕后，Roomba会转过
900，以相同的方式清洁房间的其他区域，通过分区域的螺旋清扫完成对整个
房间的清洁。Roomba清洁能力强而且价格便宜，具有较高的性价比，在市场
上受到欢迎。

    iRobot公司将获得专利的vSLAM视觉运算处理技术应用在新一代旗舰产
品Roomba 980扫地机器人上〔20]，并应用了多种模式自动智能适应技术，顶部
一个斜向上的视觉传感器获取图像信息，通过对图像信息的处理创建地标，通
过地标实现机器人的定位和导航，机器人可以清楚了解己清洁和未清洁区域，
结合地图进行智能路径规划，提高清洁效率。视觉导航系统能够获取丰富的环
境信息，可以获得较好的定位、构图效果，但在光线不足的情况下，效果不佳。
因此Roomba 980扫地机器人使用了多传感器融合技术，具有三重传感系统:
Wheel Odometry(轮胎里程计)，Optical Float Sensor(光学移动传感器)和
vSLAMTM视觉运算处理技术。各传感器信息相互补充和校正，使Roomba 980
扫地机器人即使是在光线不足，或者单个传感系统不适用时，仍能够较为精确
的获取环境信息，从而进行定位和导航，具有较强的环境适应能力。在路径规
划技术上，和其它的Roomba扫地机器人一样，Roomba 980扫地机器人使用了
iAdapt⑧情景规划算法，具备多重模式的自动智能切换能力。通过多种传感器获
取的环境信息和先进的智能算法，超过60次每秒的决策，使扫地机器人能够
实时的针对不同的室内环境采取相适应的清洁模式。获得较高的覆盖率和良好
的清洁效果，清扫彻底。

    Roomba 980扫地机器人主要的清洁模式有四种:边角清洁模式、脱困模式、
防缠绕模式和重复清扫模式。边角清洁模式，扫地机器人沿墙边角运动，特殊
设计的边刷能够对墙壁边缘和角落进行无死角清扫。脱困模式，主要应对狭窄
复杂环境中寻找出口，在确保不被困住的同时完成清扫任务。防缠绕模式，在
遇到线缆的情况下，特殊设计的主刷将反向旋转以避免缠绕。重复清扫模式，
通过进阶版Dirt DetectTM污垢探测程序，自动检测地面是否清理干净，对未清
洁干净区域进行小范围的重复清扫。
    为了提高清洁效率，Roomba 980扫地机器人搭载了改进版的三重高效清洁
系统，功率也进行了提升。清洁系统可以灵活的调节自身的高度，保证与不同
地面环境的良好接触，最大限度的提高清洁效果。边刷可以反向旋转，搅动并
扫起粘附在地面上的碎屑，通过真空吸尘装置将它直接吸入垃圾收集盒，对毛
发较多的家居环境也可以达到良好的清洁效果。
    为了使用户对方便的对扫地机器人进行控制和掌握清扫情况，Roomba 980
扫地机器人配置了W IFI模块，用户可以通过安装了iRobot HOME应用程序的
手机、平板电脑等设备与扫地机器人连接，通过应用程序可以进行预约、启动、
暂停和取消清扫任务等操作。iRobot HOME应用程序还可以为用户以地图形式
提供清扫后任务情况报告，清楚的显示清洁区域的面积、清洁时间等信息，用
户可以方便的按照自己的需要定制个性化的清扫方案，清扫任务存储能够多达
30个。
    为了将扫地机器人限定在特定的区域内，Roomba 980采用虚拟墙设计，在
不想让扫地机器人到达的区域设置虚拟墙，扫地机器人遇到虚拟墙后即转向。
虚拟墙既可以单独使用，也可以组合使用。在家中有易碎品、门口等区域设置
虚拟墙，可以有效的防止扫地机器人碰撞和离开清洁区域。
    Roomba 980扫地机器人具有断点续扫和自动回充功能，当在清洁任务中途
出现电量不足时，扫地机器人将**当前位置坐标，返回充电桩进行充电，充
电完毕后回到原位置继续进行清扫。可以有效的防止重复清扫，提高清洁效率，
延长扫地机器人使用寿命。

    浙江大学的朱世强教授及其团队成功研制了我国第一台能够自主进行地面
清扫工作的机器人〔zil，该扫地机器人直径为35厘米、高为10厘米。在长5. 5
米、宽3. 5米的模拟环境中，10分钟时间便可以覆盖90%以上的区域〔川。扫
地机器人开机后，通过搭载的超声波传感器，探索墙壁并沿着墙角行走以获取
环境信息。随后采取局部覆盖和随机清扫相结合的清扫策略对地面进行清扫，
能够实现较高的覆盖率。该扫地机器人具有自动回充功能，在完成清扫任务后
可以自动返回充电桩进行充电。目前，该扫地机器人己经发展了四代样机，无
论是环境适应性还是智能化水平都有较大的提高。
    科沃斯公司2018年发布的年度高端旗舰机型地宝DN55，具备较强的清洁
能力和较高的智能化水平〔z3]。地宝DN55采用激光SLAM技术，在机身顶端安
装有激光雷达，激光雷达高速旋转以获取周边障碍物的点云数据，结合SLAM
算法实现定位和构建环境地图。地宝DN55搭载了Smart Navi 2.0全局规划系统，
具备地图存储和更新功能。在第一次使用后自动将地图信息进行存储，下次使
用时无需重新构建地图，在环境信息发生改变时，可以自动更新地图。

    用户可以通过移动智能终端安装应用程序连接扫地机器人，实时的查看构
图和清洁任务完成情况。除此之外，还可以进行设置虚拟墙、选区清扫等操作。
地宝DN55会依据地图信息对清扫区域进行自动分区，用户可以通过应用程序
自主选择清扫区域。在客厅或房间有人活动、休息时，可以让扫地机器人清洁
其他区域，可以有效的避免噪音影响。用户可以在应用程序生成的地图上设置
虚拟墙，在门口、贵重易碎物品处划线，扫地机器人便会自动的进行规避。地
宝DN55具有自动回充功能，在电量不足时可以自动寻找充电桩并进行充电。

    随着技术的进步，扫地机器人的智能化水平越来越高，人们对扫地机器人
的需求也越来越迫切〔zal，但高昂的价格成为扫地机器人普及的障碍，iRobot公
司Roomba 980售价为8899元，国产的科沃斯地宝DN55也达到了2499元的售
价。决定扫地机器人的成本主要在于路径规划和导航方式，激光和视觉导航对
传感器〔}o、微处理器的性能要求高，导致整体价格居高不下。而传统的随机
清扫方式性能差，越来越难以满足用户需要。本论文在研究国内外扫地机器人
发展趋势与研究的基础上，提出一种低成本、可靠性好的扫地机器人路径规划
算法。
    主要研究内容如下:
    1、基于STM32F103ZET6芯片搭建扫地机器人控制系统，利用超声波、红
外等多种传感器采集信息，通过驱动电路驱动电机，使扫地机器人实现清扫作
业。
    2、在研究和分析现有扫地机器人路径规划算法的基础上，提出一种稳定
可靠的路径规划算法，并测试效果。
    3、对系统硬件如MPU-60_50、超声波、驱动模块进行硬件驱动设计。软件
实现P工D控制算法并调试。

    本课题使用的平台是一个传统的扫地机器人，它使用红外传感器和超声波
传感器来检测障碍物，以及一个MPU60_50运动传感器来计算旋转角度。使用
两个直流减速电机驱动车轮实现行走，两边的编码器可以通过计算编码器产生
的脉冲数量来计算车轮的速度和距离〔36]。为了方便实验过程及时获取传感器
数据和向扫地机器人发送开机、关机命令，连接了一个ATK-ESP8266 WIFI模
块，使用笔记本电脑安装网络调试助手软件实现和W工F工模块的通讯。该平台
的动力单元为一个电压为12V、容量为9000 mAh电池包，为电机驱动提供电力，
并经过稳压后为控制单元提供动力。主控制单元用于控制整个机器人，
STM32F103ZET6被用作控制芯片，主控单元执行机械驱动、运动控制和传感
器数据采集等任务。

    由于单片机输出的电流不足以驱动电机，所以必须通过电机驱动模块驱动
电机。对于直流电机通常使用H桥驱动芯片进行驱动，本课题采用了两块
L298N驱动模块。L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路〔33]。使用了
ST公司的原装全新芯片L298N，采用稳定性高的SMT工艺，使用了高质量的
铝电解电容，使电路工作稳定。作为直流电机驱动时，可以同时驱动两路3-
16V的直流电机。同时驱动板还提供了5V电源输出接口，可以用于5V单片
机的电路系统供电。支持3. 3V MCUARM控制，可以通过单片机方便的控制
直流电机的功率和转动方向，也可以用于控制2相步进电机，5线4相步进
电机。

    虽然L298N驱动板可以个同时驱动两个直流电机，但长时间工作在大功率
条件下，驱动板可能出现过热、烧板等问题。为了提高硬件系统稳定性，本课
题中使用两块L298N驱动板，一块驱动板控制一个电机。L298N驱动板的IN3
IN4 EN2 OUT3 OUT4直接浮空，VCC输入12V电机驱动电源正极，负极接GND,
VCCSV接5V电源正极，负极接地，EN1 IN1连接STM32控制电机正反转和启
停，工N2输入PWM波。OUT 1 OUT2连接电机。