学习家用智能扫地机器人原理与维护

王重阳

家用智能扫地机器人又名智能吸尘器，常称为地宝和扫地狗。它是将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合在一起，实现自主移动清扫地面垃圾的功能。家用智能扫地机器人大部分制造成扁园形，通过遥控器和机内电脑芯片自主操控，还可预约清扫。当机器启动后，机身即按预设的路径、方向移动清扫，在途中碰到障碍物时会自动转弯躲避，直至完成清扫工作；电量不足时机器会自动寻找充电座进行充电，充满电后自动进入待机状态。
随着家庭生活水平的提高，该产品技木的不断发展和价格下降，智能扫地机器人巳经成为家庭必备的智能电器之一，迅速走进了千家万户。不过，许多用户对智能吸尘器的结构原理比较陌生，在使用过程中常会遇到一些故障后不知如何处理，为此，笔者对家用智能吸尘器的构成、原理和维护方法作了简单扼要介绍，供读者参考。
一、智能扫地机器人构成与原理 家用智能扫地机器人主要由吸尘器部分、行走驱动部分,检测传感器部分、单片机控制部分和电源充电器五部分组成，结构框图如图1所示，



结构如图2所示。



1.吸尘器部分
吸尘器部分具有起尘、吸尘和滤尘三段式清洁功能。在机身底部中区有一个旋转滚刷用来卷起地面较大的碎屑脏污；底部前方左右两侧装有两个相对旋转的边刷，用来提高每次清扫地面的有效面积，并将墙边角与家俱底下的灰尘垃圾扫入吸尘器内。机器正常工作时，吸尘器内的直流电动机驱动风机叶轮高速旋转，使空气高速排出，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，吸尘器吸入含灰尘的空气，经过滤尘器过滤后排出洁净的空气，过滤出的垃圾被收在集尘盒内。
2.行走驱动部分
行走驱动部分是智能吸尘器的主体，一般采用轮式机构，在机身底部的后端装有两个悬浮式驱动滾轮，机身底前端用一个万向轮与后轮组成三角形支撑，如图3所示。



工作时两个步进电机驱动两个后轮，从而推动吸尘器机身行走移动，这种结构既简单又提高了转弯的灵活性。由于智能吸尘器是在行走中工作的，移动的速度要求比较低，一般在3m/min左右，因为步进电机不宜在低速状态运行，为了避免步进电机低速爬行，所以在电机轴与轮轴之间加装了一组减速齿轮来实现吸尘器的低速爬行。通过机内单片智能控制改变作用于步进电机的驱动脉冲信号频率和相序，实现对两个驱动轮的高精度调速、停转和调向。同时对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式可以方便地实现吸尘器前进、左转、右转、后退和调头转弯等功能，甚致当两后轮相互反向运动时，可绕轴中点原地旋转。电机转向与吸尘器的运动方式的关系如表1所示。
表1 电机转向与吸尘器的运动方式



清扫路线是智能吸尘器的重要指标之一，目前清扫路线分为规划式和随机式两种。随机式清扫模式是在智能吸尘器感知四周的环境后，随机行走清扫各个区域；规划式清扫模式是在智能吸尘器感知四周的环境后，然后依照予置的规划路径行走，有效地遍历各个区域完成各个区域的清扫。清扫行走路径模式通常有：螺旋式行走模式、 弓字形行走模式、沿边行走模式、五边形行走模式、随机行走（自动行走）五种，如图4所示。为了适应不同地面环境，能更彻底的清扫，智能吸尘器设有多种清扫模式（行走路径），可按需选用。而模式可预置的多少随不同产品型号而异，以下四种清扫模式较为常用：



①AUTO（自动清扫）模式：该模式清扫覆盖面积最大，是最常使用的一种。其特点是主机直线行进清扫，遇到障碍物后改变方向，主机在清扫中，若感知灰尘量较多，它将自动以“扇形”或“螺旋形”路线清扫地面后，再转为直线清扫。该清扫模式是指主机自动进行清扫，遇到障碍物后自动改变方向。该清扫模式下，机器根据自带的传感器识别周边环境复杂程度，自动切换内置清扫路经进行清扫工作，它是一种具有多种清扫路径的模式。
②重点清扫模式：按遥控器的“重点”清扫按键，机器会进入重点清扫模式，重点清扫模式适合在垃圾相对较多区域小范围清扫，它以渐开式螺旋线的方式从中心向外圈扩散，到最外圈时反方向慢慢缩小，直到回到原点完成清扫，清扫半经约1m，时间约2～3min。
③定点清扫模式：适用于处理地面上较为集中的垃圾，主机以“弓”字形路径自左向右，对你所指定的区域进行一次集中清扫。清扫完成后，主机回到清扫起始点并发出提示声。
④自动拖地模式：具有扫、吸、拖功能三合一的智能吸尘器，可按遙控器的“拖地”键，或按机器面板上的相应键，进入自动拖地模式工作，这时边刷及吸尘风机都停止工作，只有机器带动拖板，按“弓形式”和“自由式”进行拖地。
3.传感器部分
智能吸尘器工作时，机器做出前进、转弯、停留等动作都需要由多种传感器测知自身与周围环境的关系后决定，例如判别前方有无障碍物，是否需要避开；机身下方有无凹槽类或台阶类可能导致机身碰撞翻转等的地面状况。扫地机器人不仅需要知道这些信息，并且这些信息量还要转换成电脑能夠判断的电信号，从而控制吸尘器自动进行清扫工作。家用智能吸尘器大都采用多组红外传感器监测，因为红外传感器成本较低，高档机才选用性能较好的超声波传感器。
（1）红外测距传感器
红外测距传感器是机器人常用的非接触式传感器，红外线具有沿直线传播和反射、折射、散射、干涉及吸收等特性。红外线在真空中传播速度C=3×108m/s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用，使它产生衰減。一般金属材料基本上不能透过红外线，塑料能透过红外线，智能吸尘器红外传感器的工作原理是‘三角测距法’，红外发射器按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来。机器人利用红外测距传感器自带运算电路会自动完成计算工作，输出一个和检测距离相关的电参数，即可得知距离值。图2所示在吸尘器机器前方的挡板上装有三个红外避障传感器，分别位于挡板左、中、右三处，这样主机前进过程中在其前方偏左、偏右或居中方位，能夠检测前方一定距离内是否存在障碍物。每个传感器各有一个发射端和一个接收端，发射端发送红外光束，如果前方有障碍物，光束会反射回来，此时若接收到的红外信号强度超过阈值，那么传感器被触发。机器人会感知到前方有障碍物，随即调整两个步进电机驱动轮的前进速度和方向，带动驱动轮转向，脱开障碍物，实现避障功能。
（2）碰撞检测传感器
红外传感器的主要缺点是探测视角小，很难探测前方狭小障碍物，若障碍物（反射面）较小，接收端得到的红外线则不会超过阈值，或者障碍物颜色为黑色和深色时，红外线会被吸收一部分，以及处于暖光源（如白炽灯、太阳光）照射下，传感器无法正确接收到红外反射信号，为了弥补这一缺陷，几乎所有智能吸尘器都用红外传感器与碰撞传感器融合方式实现避障。碰撞传感器用于红外传感器未探测到障碍物时，吸尘器和障碍物发生碰撞后的避障。因此，在半圆形挡板上还分区安装了防碰撞检测单元（如微动开关等），通过读取每个碰撞执行单元信息，可准确具体识别碰撞方位，为机器人的智能判断提供可靠的物理依据。
（3）下视传感器
在吸尘器机体前方底盘边沿下方另外还有3路红外传感器，其功能用于探测路面状况，如遇到台阶类或凹槽类地面，当传感器感知高度大于8cm的地面落差信号后，经过信号处理电路初步处理之后，送至微处理控制器，发出动作指令，吸尘器停止移动，使主机在有高度落差的边缘不会掉下。
（4）灰尘传感器
位于主机尘盒进灰口前部装有两个灰尘传感器，用来感知吸入灰尘量的多少，从而使主机决定采用何种清扫方式更为有效。智能吸尘器灰尘传感器原理是：微粒子和分子在光的照射下会产生光的散射现象，与此同时还吸收部分照射光的能量，当一朿平行单色光入射到被测颗粒物时，会受到颗粒周围散射和吸收的影响，光强将被衰减，如此一来便可求得入射光通过待测浓度物的相对衰减率。而相对衰减率的大小，基本上能线性反映待测物灰尘的相对浓度，光强的大小与经光电转换为电信号强弱成正比，通过测得的电信号就可以求得相对衰減率。
（5）电子陀螺仪和加速度传感器
电子陀螺仪与加速度传感器是机器人领域用于运动状态测量的必备部件，电子陀螺仪是一种能夠精确地确定运动物体的转动角速度的电子器件。按照惯性原理一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时是不会改变的，根据这个原理扫地机人用它来保持方向，导航更为精准，直线清扫不偏航，清扫高覆盖低重复。加速度传感器件的基本原理是压电晶体受力产生的电量与加速度带来的惯性力成正比，将测力问题转化为测电问题。实际应用中，加速度传感器和陀螺仪传感器封装在同一个IC中，在IC内部还集成有前端处理电路，然后以一定的数据信号传给控制系统，实现陀螺仪精确导航。
4.单片机控制部分



智能扫地机器人的控制系统主要是以单片机作为核心，辅助其外围电路。各功能模块在单片机的控制下相互协调工作，保证扫地机器人各种功能的实现，控制系统框图如图5所示。它主要完成以下任务：
① 向各传感器分别发出选通信号，通过路选信号控制，顺序与各个传感器通信，实时完成信息数据采集功能。
② 作为控制器的核心，它要根据接收到的数据信息，计算并判断障碍物的相对位置、
体积大小，结合机内预先设定的规则，确定相应的避障措施（前进、左转、右转、后退、调头）。
③ 在确定避障措施后，再向步进电机输出相应的控制脉冲，具体实现避障方案。
④ 接受遥控器的指令，调整机器人的工作状态。检测电池剩余电量，及时指挥智能吸尘器自动返回充电，进行充电管理等。
二、家用扫地机器人的维护
随着家用智能扫地机器人的普及，在使用过程中若保养不当，出现故障几率增加，为了降低故障率，延长使用寿命，用户应重视日常保养和维护工作。
1.建议注意下列四点：
①机器人适用于住宅内干燥平坦地面，如地板、瓷砖、地毯等。地面不应有碎玻璃、别针等尖锐物体；务必清除散在落地面上的电线、长毛发、烟蒂等杂物可能绊住或缠绕产品；以及粉末状垃圾，如石灰粉、腻子粉等吸取后可能堵塞滤网，防止电机发热烧毁。
②不宜在厨房油腻污浊的区域使用，因为油污杂质会将边刷、滚刷和抹布污染，不易清洗，而且会将油污带到其它较干净的房间去。
③不能在潮湿的卫生间和有积水环境使用，因为机器人在这些场合工作，易使机内电路板及电子元器件受潮，一旦重要部件受潮极有可能引起电源短路烧毁机器，严重的引起火灾。所以要尽量避免与水接触，长期保持干燥才能提高寿命。
④室内家具摆置整齐，尽量减少碰撞物；沙发、茶桌、床等家具离地面要有足夠的高度，保证机身能顺利通行。为了提高清扫效率，減少耗电，所以清洁前要应清除地面上较大的脏物纸片。
2.定期或及时清理扫地机
①在充电结束后及时清倒尘盒内的垃圾和清洁扫地机器人部件，清洁前应关闭电源开关。
②根据清扫垃圾的多少确定及时或定时清理尘盒，盒内尘埃堆积过多，会影响扫地机吸尘能力，容易滋生细菌。同时要清理滤网积存的灰尘纤维，保证滤网的通透性，才能使空气清洁畅通保证足夠的吸力。因此，每次机器人完成清扫工作后，最好及时清理。
③及时清理滚刷和边刷，尤其滚刷内缠绕的头发等会使电机转动困难引起发热，耗费更多电量，缩短电池寿命，甚至导致电机电流过大而烧毁。
④为了避免红外线光朿被灰尘遮蔽，定期用干布擦拭红外传感器表面。
3.保养好蓄电池
电池是扫地机器人的动力之源，节约耗电量，提高电池使用寿命尤为重要。
①目前成熟的扫地机器人产品供电系统主要以锂电池为多，也有部分产品采用镍氢电池或镍镉电池。因为镍氢电池和镍镉电池有记忆效应，使用时要特别注意，电量用尽的时候再充，充满了再用，不宜过量放电和充电，否则会折损电池寿命。对于锂电池机器人充满电后会自动进入休眠状态，电量不会继续增加，不使用时可以保持在充电座上充电，保证下次清扫时有充足的电量。充电时只能使用出厂配备的电源适配器、充电座进行充电，若使用其它规格的适配器（充电座）可能会导致产品损坏。
②切忌长时间连续使用，如果使用中感觉机身发热烫手，应停止一段时间后再使用，防止电机过热而损坏。
③夏季高温对智能扫地机器人内部电池、电机、红外传感器和电子元器件均有不同程度的影响，在高温环境下工作，会加速老化，增加出现故障的几率。对于电源用锂电池的产品，建议尽量在环境温度35℃以下情况下使用；电源为镍氢电池和镍镉电池的产品，则在环境温度45℃以下使用为宜。
④如果一段时间不使用，建议用户在充满电后取出电池，将电池用防水材料封固后存放在干燥阴凉的地方。
⑤机器离开充电座较长时间不工作时，或者机器在充电座上而充电座电源未接通时，请将主机的电源开关置于“OFF”位置。
三、常见故障处理
该产品常见故障现象、故障原因及故障处理方法如表2所示。
表2 常见故障原因与处理方法

序号	故障现象	故障原因	处理方法
1	主机无法 充电	主机与充电座的充电极片未充分接触或接触不良	清理极片，确保主机与充电座的充电极片良好对接
		充电座电源被断开，主机电源开关未接通	接通充电座电源，合上主机电源开关
		电源适配器故障，充电座无输出电压或电池老化损坏	测量充电座输出电压后确定更换
2	主机工作时边刷不转	边刷被头发等杂物缠绕而无法转动	清理边刷上的杂物
		边刷未按装到位	重新按装边刷，注意桉照与卡槽对应颜色正确安装
		边刷固定处塑料件破裂	更换边刷
3	主机工作时滚刷不转	关机后用手转动滚刷，若无法转动，表示滾刷卡死	折下滚刷重新正确按装
		滚刷被头发或异物缠绕	清理滚刷
		清理长毛地毯时滚刷被卡死	不建议在长毛地毽上使用
4	主机工作时间变短	尘盒过滤网吸入纸巾导致运行电流大，工作时问短	去除纸巾
		滚刷、边刷长时间缠绕，清理次数少，导致工作电流偏大，工作时间变短	彻底清理边刷、滚刷
		电池深度放电或长期未使用时，其容量可能会減小，导致工作时间变短	建议电池充电，参照说明书给出的充电方法激活电池，或更换同规格的新电池
5	吸力不足且噪声大	滾刷吸口处可能有脏物堵塞或者滾刷两端轴承处有较多的毛发缠绕	清理滚刷吸口组件
6	主机工作时不能感知楼梯	下视传感器脏污	用半干棉布擦拭传感器
		下视传感器故降	确认是下视传感器故障后送修
		该处地面反光强，导致主机判别落差的能力减降低	在此放置防护栏，防止主机跌落
7	遥控器失效(有效距离为5m)	遥控器电池电量不足	更换新电池，并正确按装
		主机电源开关未接通或主机电池电量不足	确保主机电源开关巳接通，并有足夠的电量完成操作
		遥控器红外发射或者接收器脏污，无法发射和接收信号	用干净棉布擦拭红外发射器及主机红外接收器
8	主机开机后原地打转后退	主机底部下视传感器被灰尘遮蔽	用干棉布擦净下视传感器
		驱动轮被异物缠绕	清除驱动轮上的杂物
		用手碰触主机缓冲板，若不能自动反弹，应为主板故障	维修或更换主板
9	主机未按预约时间进行白动清扫	主机当前显示时间与标准时间不一致	正确重设主机当前时间
		未打开主机电源开关，主机无法按约定时间自行启动工作	打开主机电源开关
		主机电量不足	主机待机时，应保持在充电座上处于充电状态，确保随时有足夠电量工作
		模式设定错误，主机设在“定点”模式或“取销定时清扫”时不能按予约时向工作	重新设置预约清扫模式
10	工作时突然停止，并显示故障代码	说明机器谋部位出了故障，可对照说明书查出故障原因	对应说明书提供的故障解决方法进行排故
11	寻找充电座困难	充电座位置不当	距墙角至少1m以上的距离
		红外发射头或接收头脏污	用干棉布擦拭红外发射头、接收头
		电路故障	需要拆机维修

歇歇

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