摘要：智能家居是大势所趋，受益于“懒人经济”，扫地机器人正渐渐走入普通家庭。通过剖析现有扫地机器人的机械结构、室内导航定位技术、路径规划技术、单片机控制技术及传感器技术，研究和改进新型扫地机器人，使其定位导航更精确、路径规划更合理、地图建立更准确、避障更智能、清洁更深层次，具有重要意义。该文总结了扫地机器人的系统框架结构特性及国内发展现状，剖析了扫地机器人的关键技术，结合当前产品的痛点，给出了未来扫地机器人智能化发展的方向。

关键词：扫地机器人;室内导航定位;地图重建;障碍物识别;

引言

作为一项重要的智能技术，扫地机器人正迅速从清扫清灰的单一功能向多功能转变，逐渐扩展到包括擦地、洗拖一体、自动烘干及杀菌除螨的深层次清洁、多功能导航定位、地图重建、障碍物识别及智能避障等功能。本文总结了市场上备受关注的扫地机器人现状和发展趋势，以及清洁领域的研究现状和发展趋势，分析了扫地机器人的关键核心技术，以及待解决的痛点问题。

一、扫地机器人的现状

与国外发展水平相比，国内扫地机器人起步晚，研究滞后，很多核心技术及关键领域受到国外专利的限制，自主品牌产品出海困难重重。近几年由于引进国外先进的技术以及帮助国外品牌产品的代工，国内扫地机器人行业有了快速的发展，出现了一些优秀的产品。例如可沿墙行走清扫地面，左右有红外传感器检测两侧障碍物，可有效避开行进过程中的障碍物。具有惯性导航或激光导航，可以完成室内定位导航、实现地图构建。高端扫地机带有水箱和拖布，还可以喷水擦地。在电量不足时，可自动返回充电座充电，支持定点清扫和断点续扫，可以通过APP预约清扫、查看地图及工作状态、故障报警状态等。

二、扫地机器人的系统结构

市面上盛行的扫地机器人主要包括运动行走系统、清洁系统、单片机控制系统、各种传感器组件及电源和回充系统等几大部分组成。

运动行走系统主要包括左右行走轮、辅助前轮组成。左右行走轮一般由专门的驱动芯片来控制马达，通过调整左右轮的速度大小和方向，可以实现扫地机器人的前进、后退、转向、刹车等功能，让机器人在地面上自由行走，并能跨越一定高度的门槛。左右轮组上一般装有里程计，用于统计机器人行走的里程。前轮具有辅助导航的功能，当机器人轮子被卡住或轮子悬空时，通过前轮测速传感器可以识别出来，以便扫地机器进行脱困及报警。

清洁系统包括左右边扫、中扫、风机、水箱和拖布等部分，由边扫、中扫这些扫刷将地面上的毛发、垃圾颗粒扫到风机吸入口，垃圾随空气被强劲吸力的风机吸入，经滤网过滤后把垃圾收纳进尘盒中。利用水箱喷出的水，将扫地机的拖布打湿，扫地机在清扫的过程中利用拖布和地面的摩擦力，将沾在地面上的垃圾油污擦拭干净，实现拖地的效果。

扫地机器人传感器包括悬崖检测传感器、沿墙传感器、碰撞传感器、虚拟墙检测传感器、前视障碍物检测传感器、激光导航或视觉导航传感器、多轴加速度和陀螺仪传感器等，这些传感器让扫地机器人能够感知外界环境，有了“知觉”、“视觉”、“触觉”。

扫地机器人一般采用聚合物锂电池供电，电源系统负责系统及各传感器的稳定供电，以保证机器人的正常工作。同时实时监测电池的电量，当电量低于设定的阈值时，一般在电量的20%左右，机器人停止清扫并进入回充模式，自动寻找充电座，并上座充电。市面上大部分产品采用红外定位技术来实现自动回充的，其原理是通过充电座不断发出红外信号，扫地机器人的前后及左右均有红外接收传感器，利用接收到的充电座信号分析定位出充电座的位置，让机器人找到“回家”的路，最终利用充电基座上的充电弹片与机器人上的弹片接触实现充电。

三、扫地机器人的关键技术分析

（一）定位导航技术

（1）惯性导航。惯性导航主要是指扫地机器人利用内置的多轴陀螺仪、多轴加速器等传感器器件测量设备的角加速度和线加速度信息，然后通过积分获得机器人的姿态和位置信息，其测量的精度由于会受到陀螺仪漂移、标定误差、敏感度等因素的影响，因此精度较低，而且误差会随着使用时间的增加而不断增加。采用惯性导航方案的扫地机器人成本低，精度较差，比较适合在一些面积较小、环境简单的房间中使用，不适用于地毯等场景。

（2）激光导航。利用扫地机器人上的激光测距传感器来测量设备和周围环境物体之间的距离，然后根据三角测距或 TOF 算法得出更精确的距离信息，最后生成周围环境的地图模型。据此，扫地机器人再进一步规划清扫路线。采用LDS激光扫描技术，可以进行360度扫描，即时获取环境信息，能迅速、准确、全面地扫描家居地形。激光导航的测量精度显然要比惯性导航高很多，地图分辨率也很有优势，但也有一些不足，例如无法识别周围物体的种类信息而进行策略性地躲避障碍物，同时室内机器人的激光束有限，很多扫描不到的地方没法进行避障。

（3）视觉导航。视觉导航主要利用装在扫地机器人上的摄像头传感器，模拟人的视觉来实现对周围环境的识别和导航。视觉导航主要通过两类视觉传感器来获取信息，一是深度摄像头，通过测距实现三维空间感知，也算作一种测距传感器，属于主动光源测距传感器，包括结构光和相位 TOF 两种。二是双目、多目、鱼眼导航传感器，属于非主动光源传感器，工作机制类似于人眼，根据三角测距的原理，通过分析两个传感器采集到的图像的差异，计算出距离信息。

视觉导航中，如果是双目、结构光和 TOF，都可以对周围环境的深度信息进行测量。如果是双目识别，既可以获得视觉范围内障碍物体的准确深度信息，也可以通过 AI 训练识别周围物体的种类信息，从而进行策略性的避障和导航规划，综合导航性能较高，是当前阶段比较完美的导航解决方案。视觉导航的定位精确高，导航精确，但对处理器的要求也非常高，整体的方案成本高，一般只有高端产品才用到。

（二）清洁技术

扫地机器人的清洁技术主要包括扫刷清扫、风机吸尘、拖布擦地、杀菌除螨等几大部分。

扫地机器人的扫刷主要由边扫和中扫组成，安装在机器人前方两侧的边刷，在高速旋转的过程中，一般左边刷顺时针旋转，右边刷逆时针旋转，将位于机器人外侧的垃圾，如地面上的毛发、细小垃圾颗粒、纸片等聚拢到扫地机器人底部的中央，特别是用来清理墙角和障碍物根部的垃圾。中扫一般位于机器人底部中央，由高速旋转的马达带动滚刷转动起来，不仅可以将粘在地面上的污渍扫起来，还可以抛光地面。边扫和中扫的配合使用，有效的提高了清扫效率。

扫地机器人的吸尘系统，主要依靠直流电动机驱动风机叶轮高速旋转，使风机内的空气高速排出，吸尘器内部产生瞬时真空，与外界大气压形成负压差，在气压差的作用下，风机前端吸尘口的空气不断地补充风机中的空气，这样中扫卷起的垃圾颗粒随空气一起被吸入进去，经过滤尘网过滤后排出洁净的空气，过滤后的垃圾被收集在尘盒内。风机吸力的大小成为选购扫地机器人的一个重要指标，在清洁能力上，吸力越大就可以越好的吸附家中地面上的灰尘、纸屑等一系列的污渍，尤其是地毯、砖缝的颗粒垃圾。随着马达转速的提高，风机的吸力也越做越大，2000pa，2500pa，4000pa甚至更大。但是随着吸力的增大，也大带来噪音大、功耗高的缺点。

扫地机器人的拖地系统由电控水箱、水泵、拖布支架和拖布等几部分组成。扫拖一体机器人一般先将地面垃圾清扫一遍，再进行拖地，这样清洁更彻底。水箱中事先加入一定量的清水或者清洁液，由电控水泵根据不同的档位调节不同的出水量，将拖布打湿，在扫地机器工作过程中擦拭地面，将粘在地面上的垃圾、污渍清理干净。

（三）传感器技术

别看扫地机器的身材虽小，但它涉及到机械、电子、控制、机器人及人工智能等多个科学领域，集合了众多的科技创新，搭载了各类传感器，让扫地机器人有了知觉、视觉。各传感器的协同工作，让扫地机器人自主完成了清洁工作。除了前面篇章提到的惯性导航、激光导航和视觉导航传感器外，扫地机器还汇聚了以下各类传感器及技术。

悬崖检测传感器，位于扫地机的前方和左右两侧，由多组红外测距传感器构成，每组传感器由一个红外发射管和一个红外接收管组成，传感器安装于机器人底部，红外发射管每隔一段时间向地面发射红外射线，如果较长时间才返回或者没有返回，则表明底盘与地面距离较远，机器人认为遇到悬崖，这样就能避免机器人跌落。

防碰撞传感器，受各种因素的影响，扫地机器人难免会有撞上障碍物的可能。为了处理这种情况，避免机器人撞坏家具，一般利用光电开关传感器来感应机器人受到的碰撞及碰撞的位置，以使扫地机器人做出相应的决策，例如碰撞后机器人采用后退动作，绕开障碍物。在扫地机器人前端设计了一个约180°的保险杠，保险杠左右两侧装有碰撞板，分别配有一个光电开关传感器。光电开关由一对红外发射和接收对管组成，发光二极管发射的红外光线通过机身特制的小孔被光敏二极管接收。当机器人撞到障碍物的时候，引起碰撞板上的信号支架发生位移，进而挡住机身小孔阻碍红外线的接收，从而向控制系统传达碰撞信息。

沿墙传感器，一般采用红外测距传感器或TOF传感器，这样在沿墙清扫的过程中，让机器人始终与墙壁保持某个固定的距离（约10mm），既保证了边扫能够有效清扫到了墙边缝隙的灰尘，又避免了机器人撞到墙壁。

里程计传感器，扫地机的轮子马达上装有多组均匀排列的磁铁，电路板上装有霍尔感应传感器，轮子转动的过程中磁场的变换引起霍尔传感器输出电平的变化，通过计数脉冲来统计轮子转动的圈数。由于轮子的直径是固定值，根据轮子旋转的圈数，乘以轮子的周长，从而计算机器人行走的里程，保障扫地机器人能精准的计算出自己在室内的位置变化。

电子罗盘传感器，是利用地磁场，检测电子罗盘模块相对于地磁场方向的偏转角度的传感器。通过磁场感应，准确识别虚拟墙。当遇到虚拟墙时，会主动避开，不擅自进入被虚拟墙隔离的区域。在有水的卫生间、不需要清扫的宠物喂食区，使用虚拟墙进行隔离，保障清扫顺利完成。

霍尔传感器，是利用霍尔效应制成的磁传感器，当霍尔元件周围有无磁场时，其输出的高低电平发生变化。利用此特性，我们在尘盒、水箱、拖布支架等位置装有磁铁，而对应的位置附近装有霍尔传感器，这样可以利用霍尔传感器来检测尘盒是否归位，水箱是否在位，拖布是否装上，以便实现相应的功能及做出用户提醒。例如尘盒归位后传感器才会关闭，设备才可以正常工作，避免在不装尘盒设备的情况下扫地机器人运行，保护扫地机器核心器件不受损坏。

四、目前存在的痛点问题及未来期望

扫地机器人上市以来，虽然因其便利性和智能性而获得了巨大的收益，但仍有待改进的地方。

（1）扫地机器人由于复杂的硬件设计、复杂的结构设计、复杂的软件算法并需要搭配多种昂贵的传感器，及复杂的生产制程要求，导致产品成本高，价格贵，普通消费者难以接受。

（2）现有导航方案难以适应各种复杂的家居场景，例如惯性导航在地毯场景容易漏扫、重复扫，建立地图的效果差;LDS激光导航受环境温度影响大，机械结构可靠性差，容易失效;视觉导航受到摄像头视场角限制，存在盲区，算法复杂，对处理器算力要求高。

（3）清洁深度不够彻底，大部分产品清扫率低，并且只能清扫灰尘、毛絮、头发之类的，对于大的垃圾颗粒、干了的酱油、油渍污渍不能有效清理。带擦地功能的机器人，如果抹布脏了没有及时清洗，反而会造成地面残留灰尘残渣被湿布拖的到处都是。若是在木地板卡住容易渗水损坏地板，误上地毯了的话会将地毯弄湿。另外增加了水箱及拖地模块后，不仅增加了系统功耗，使扫地机续航缩短，还降低了扫地机器人的越障能力。

（4）扫地机器人智能程度偏低，避障效果差，用户体验差，经常需要人工协助完成清扫作业，例如滚刷经常被毛发缠住报警、轮子有时候被地上的数据线、电源线等线缆缠住而无法行走、机器经常被电视柜或者沙发卡住不能脱困，甚至撞坏家具的事情时有发生。

结束语

随着科技的进步和新技术的应用，扫地机器人的未来发展是无限的。相信在不久的未来，扫地机器人在深度清洁、智能避障、精确导航、自动化洗拖和烘干、杀菌除螨、智能化等领域会有进一步的创新突破，清洁机器人将会为用户创造一个洁净健康的家居环境，带来更好的用户体验。

参考文献：

[1] 刘松，苏军，彭玲，等.基于STM32输液器验气系统设计[J].中国医疗器械杂志.2021，（2）.

[2] 石钊铭.基于无人测试船水面路径规划策略[J].舰船电子工程.2021，（10）.

[3] 吴凯凯.面向全景视觉类扫地机器人应用的全景环带光学系统研究[D].浙江大学，2021.

[4] 李奇才.大型环境中扫地机器人重入路径规划算法研究与设计[D].2021.

[5] 芦婧，裴永兴.多功能智能清洁小车设计[J].山西电子技术.2020，（6）.

[6] 陈健豪，王祖吉，欧阳兆国，等.家用智能装置系统的研究与设计[J].科学技术创新.2020，（30）.

[7] 卢运.基于STM32F103 ARM芯片的智能吸尘器控制系统设计[J].电子世界.2020，（3）.198-199.