多种传感器技术在扫地机器人感知系统中的应用
近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，扫地机器人开辟了机器人应用的新领域。扫地机器人，又称自动打扫机、智能吸尘、机器人吸尘器等，是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。一般采用刷扫和真空方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。
扫地机器人系统通常由四个部分组成：移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。今天主要为大家介绍扫地机器人的感知系统，扫地机器人的感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近觉传感器、红外线传感器和CCD摄像机等。
超声波传感器。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。在扫地机器人中，避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理，位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物，经单片机系统处理判断前方物体的大小、远近及大体属性。
红外测距传感器。红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，即可利用红外线的返回信号来识别周围环境的变化。
接触式传感器。接触式厚度传感器，通常采用电感式位移传感器、电容式位移传感器、电位器式位移传感器、霍耳式位移传感器等进行接触式厚度测量。为了连续测量移动着的物体的厚度，常在位移传感器的可动端头上安装滚动触头，以减少磨损。接触式厚度传感器可测量物体高度，空间大小。全能清洁机器人可利用这一点探测障碍物的高度，进一步做出判断发挥它的功能.
防碰撞传感器。因各种因素的影响，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，我们利用光电开关传感器来感应车体受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使扫地机器人做出相应的决策。
防跌落传感器。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。防跌落传感器也是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，当超过限定值时，向控制器发送信号，控制器控制扫地机器人进行转向，改变扫地机器人前进方向，从而实现防止跌落的目的。
防过热传感器。为了防止扫地机器人持续工作导致电机过热，从而导致电路的烧毁，在扫地机器人电路板上安装两个温度传感器。当扫地机器人工作一段时间电机温度达到一定限度后一个温度传感器发送信号给控制器，控制器再控制扫地机器人停止工作，并运行散热风扇进行散热。当温度降到一定程度后，另一个温度传感器发送信号给控制器，控制器在控制扫地机器人继续工作。
床底深度清扫。床底、沙发底、柜子底等地方相对较脏，因此这些地方需要重点清扫，以保证清洁度。为实现此功能，在扫地机器人正面安装8个光敏传感器。扫地机器人在床底或柜子底开始工作后，光敏传感器接收的光强较弱。当扫地机器人运行离开床底或柜子底时，光敏传感器接收到的光强发生变化，向控制器发送信号，控制器发出控制信号，使扫地机器人转向，重新回到暗处，继续进行清扫。
灰尘盒防满传感器。为了检查扫地机器人灰尘盒中的灰尘是否装满，在灰尘盒两侧安装变介质型电容传感器。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，由于灰尘的介电常数与空气的介电常数不同，从而引起传感器电容变化，传感器将信号传给控制器，控制器控制扫地机器人发出报警信号，提醒主人应该清理灰尘盒了。
边缘检测传感器。边缘检测传感器是一个机械开关，开关的触发端设计成一个滑轮结构，在机器人的两侧各装有一个，用于保证机器人可以始终贴着墙的边缘走。这样就可以对墙壁边缘死角部分进行更好的清扫。
光电编码器。光电编码器是扫地机器人上的位置和速度检测的传感器，扫地机器人上的光电编码器通过减速器和驱动轮的驱动电机同轴相连，并以增量式编码的方式记录驱动电机旋转角度对应的脉冲。由于光电编码器和驱动轮同步旋转，利用码盘、减速器、电机和驱动轮之间的物理参数，可将检测到的脉冲数转换成驱动轮旋转的角度，即机器人相对于某一参考点的瞬时位置，这就是所谓的里程计。光电编码器已经成为在电机驱动内部、轮轴，或在操纵机构上测量角速度和位置的最普遍的装置。因为光电编码器是本体感受式的传感器，在机器人参考框架中，它的位置估计是最佳的。
电子罗盘。电子罗盘是利用地磁场，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。电子罗盘模块是由高可靠性的磁性传感器及驱动芯片组成，集成度非常高，实现了高可靠性、高精度、强抗磁场干扰的数码电子罗盘功能。
陀螺仪。针对电子罗盘容易受到电磁干扰以及光电编码器会受到轮子打滑等不确定因素造成的角度测量不准的特点，确定物体的运动方向还需要一个传感器，在上述情况发生时能够精确测量运动物体运动的角度。陀螺仪是用来测量运动物体的角度、角速度和角加速度的传感器，它能够有效解决上述问题。
总而言之，任何机器人都离不开传感器，机器人要具备智能行为必须不断感知外界环境，从而做出相应的决策行为。因此，对于扫地机器人来说，用传感器探测环境、分析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境，具有特别重要的意义。
智能家居新概念的领跑者——扫地机器人
服务机器人应用范围极为广泛，如教育、娱乐、特种（安防、军用）、导购、迎宾、医疗、金融、物流、电子商务、商务秘书等。其中，家庭清洁机器人是现阶段销售数量最多、应用范围最广的一类服务机器人。家庭清洁机器人种类繁多，主要包括扫地机器人，拖地机器人、窗户清洁机器人、空气净化机器人、吸尘机器人等。扫地机器人则是家庭清洁机器人的最主要成员，市场占比达到96%以上。
扫地机器人发展现状
迎合市场痛点的需求。随着科学技术的进步和社会发展，特别是受生活节奏的加快和工作压力的增大影响，人们希望更多地从繁琐的家庭日常清洁事务中解脱出来。这无疑是清洁机器人进入家庭的市场诉求。扫地机器人作为清洁机器人的一种，其针对的目标用户是所有家庭，其需求痛点恰恰是为了使人们从日常地板清洁工作中解放出来。
最早的扫地机器人来源于伊莱克斯、戴森等领衔的吸尘器行业。2010年左右，国内的扫地机器人品牌纷纷涌现，并逐步实现产业化。目前，国内市场已拥有几十家扫地机器人品牌，如科沃斯、iRobot、福玛特、地贝、海尔、美的、Prosenic、飞利浦和三星等。
国家鼓励服务机器人产业发展。服务机器人是未来新兴产业，符合国家提高创新能力、促进产业升级战略，属于国家鼓励发展的行业。
扫地机器人行业增长迅速。全球及中国智能清洁机器人市场规模呈现良好增长态势，预计未来复合增长率保持在40%以上。
国内市场存在巨大需求。我国沿海城市的产品渗透率刚达到4-5%，内地城市为0.5%，而美国家庭已经达到16%。中国老龄化趋势日益明显，同时服务业劳动力成本上升，以及生活质量的提高都将导致服务机器人的需求增加。
产业链下游议价空间大。上游为原材料及零配件市场，供应充分、价格稳定。其中传感器是上游技术核心。中游以人工智能为核心，目前行业成熟技术包括路径规划和室内定位技术，激光定位和双目识别技术仍处于研发阶段或掌握在少数企业手中，算法是中游企业竞争核心。下游行业对产品需求扩大，下游行业主体为家电品牌商、电商平台及终端用户。近年智能清洁服务机器人的普及度迅速提升，下游需求处于急速扩张阶段，渠道商具有较大议价能力。
当前，扫地机器人正在以惊人的速度普及，市场发展十分迅猛。前期发展阶段，扫地机器人主要以改进扫地效能为主。现阶段，扫地机器人在保证提供较优良的清洁效果后，势必转向多传感器融合、导航、路径规划等智能化核心技术的发展方向上。
扫地机器人关键技术
用户直观可见的扫地机器人基本功能为清扫、吸尘、拖地等，因此相关企业在清扫毛刷的材料、结构形式、旋转速度/方式，以及吸尘原理、吸尘机构形式、拖布材料、拖布布置方式、供水量、供水方式等基本功能原理和技术方面不断优化。同时，为了实现更好的清洁效果、更良好的用户体验，扫地机器人在人工智能相关领域涉及到如下几项关键技术。
多传感器信息融合技术。多传感器信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据，以便产生更可靠、更准确或更全面的机器人状态信息，如在扫地机器人中融合激光雷达、超声传感器、红外传感器、里程计的信息等。多传感器信息融合处理的基本原理类似于人类大脑处理信息的过程，能够通过对多种传感器反馈信息的合理分析与使用，得以降低各种单一传感器在空间和时间局限性方面的影响，并且通过冗余信息的解析，更加完善和更加精确地反映出检测对象的特性，消除信息的不确定性，得到对观测环境具备较高可行性的一致性结果。
室内导航和定位技术。扫地机器人需要自主移动，无论是局部实时避障，还是全局规划，都需要较精确地确定机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务。一般地，机器人通过航位推算方法、信标定位方法以及混合定位方法，实现室内移动机器人的导航和定位。
扫地机器人技术发展趋势
高性价比、高性能传感器的融合应用。目前，扫地机器人多采用红外传感器、接触式传感器、超声波传感器等，少部分高端机型使用了线扫描激光雷达传感器。对于智能化的扫地机器人室内定位和复杂路径规划的需求而言，传感器提供的信息尚显不足。
将来，视觉传感器（深度摄像头、仿生视觉、结构光传感器）、低成本高性能激光雷达传感器、软体防碰撞接触式传感器等高性能、新型传感器的应用，将给扫地机器人决策提供更丰富的参考信息。同时，在算法层面，需要深挖多传感器信息融合处理算法，在纷繁复杂的传感器反馈信息中，提取有效信息，并根据优化策略规则制定决策。
家用功能的模块化集成，实现智能扫地机器人多任务功能。在实现扫地机器人基本的扫地、吸尘、拖地等功能的基础上，模块化集成，如空气净化、加湿、沟通交流、室内玩具、儿童写字板等功能模块，实现智能化扫地机器人的一专多用。扫地机器人本体可以平台化，即实现室内智能移动平台的功能，具备基本的避障、路径规划、软硬件交互接口等功能，而其他功能均以模块化的形式进行加载，给用户更多的自主选择余地，实现细分市场的拓展。
智能程度提升、智能算法拓展应用。借助语音识别技术和图像处理技术的逐步发展，如声源定位和声纹识别技术研究的深入、人脸识别技术的成熟、物品识别技术性能的提高，可更有效地提高扫地机器人对家庭环境的融入程度，提升扫地机器人与家庭成员的智能交互能力。同时，应研究并设计各种智能人机接口，如多语种语音、自然语言理解、图像、手写字识别等，以更好地适应不同用户和不同的应用任务，提高人与机器人交互的和谐性，实现人机交互的简单化、多样化、智能化、人性化。
智能扫地机器人作为现阶段销量最大的家用服务机器人，未来将能够对语言进行自我学习，并在社会化环境中向他人学习，把这种语言能力转化为自主学习和处理问题的能力。未来，机器人将掌握更多的自主性能力，实现智能扫地机器人功能定位的本质性革新与发展。
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