2024年3月17日发(作者：岳香天)
扫地机器人的分析与研究
摘要：本文介绍了扫地机器人的发展现状，基本组成。分析了扫地机器人的主要技术特征，多
传感器信息融合技术，室内导航和定位技术，高性能传感器的融合应用技术，识别技术和图像处理
技术等。最后总结了扫地机器人的应用。
关键词：扫地机器人；技术特征；分析；研究
扫地机器人优于普通吸尘机的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程不需要人的控制，
减轻操作负担；还比一般吸尘器的噪音小很多，清洁房间的时候可以免受噪音之苦；还可以净化空
气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达96%，清扫效率接近100%；轻便小巧：
轻松打扫普通吸尘器打扫不到的死角。总之，自动扫地机器人，具有操作简单，使用方便、智能、
安全、清洁效果显著的主要特点。
1.扫地机器人的发展现状
随着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，它迎合了市场痛点的需求。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。近几年，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。
2.扫地机器人的组成分析
扫地机器人主要分为五个组成部分：系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出
部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C52控制，包括超声波测距模块，对输入输出器件的操
作，对执行电机的控制，以及传感器的响应等。执行电机部分是扫地机器人的主要构成部分，包括
行走驱动子系统和扫地系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，地盘为电动三轮小车，前面两轮
由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。扫地系统由电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集于
吸风口处，由洗尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘储存箱中。轮子电机、洗尘电机和毛刷电机
使用的都是无刷直流电机；传感器部分即测距子系统，主要为了保障机器人能够安全的工作；输入
输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电池部分使用5伏可充电
锂电池。
3.
扫地机器人的技术特征
多传感器信息融合技术的应用，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。
位推算方法是最为常用的一种方法，通过机器人自身的里程计、陀螺仪、加速度计等内部传感器，
实时解算机器人自身的速度、姿态信息。以出发点为绝对零点，则可以渐进累加地推算出机器人当
前所在的位置和姿态。此种方法随着工作时间的增加，积分运算误差和定时系统时差引起的误差将
会逐渐累积，因此不适于长时间的精确定位。
扫地机器人在室内地板上的运动可视为在二维平面内的运动，如果室内允许布置信标（如充电
桩或其他满足信标条件的标志物），则可以通过传感器，检测机器人与信标之间的相对距离与位姿，
实现扫地机器人的室内导航与定位。信标定位的优点是可实现实时检测，没有累积误差，精度稳定
性好，且可通过多信标冗余覆盖的方式，彼此互为位置校准或当某个信标故障时，机器人仍可成功
定位。混合定位方法融合了航位推算方法与信标定位方法各自的优势。
高性能传感器的融合应用，目前，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。
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，我们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，我们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。
4.结束语
机器人市场处在不断发展壮大的时期。为不断提升用户体验和拟合实际功能的需求，扫地机器
人会不断进化和提升，将在融合型传感系统、功能定位、智能化程度、网络服务，以及多机协作和
自我学习等方面不断发展，实现扫地机器人真正意义的智能化，使扫地机器人发展成为人们的家用
高科技伙伴。
参考文献：
1.
常成惠.智能扫地机器人的发展趋势[J].大众用电.2019年01期
王东.郭兆正.机器人避障功能的设计[J].长春师范学院学报;2005年12期
刘祚时.罗爱华.童俊华.全自主机器人避障控制方法的研究[J];煤矿机电;2009年02期
基金项目：2019年度高等教育教学改革研究项目“新工科背景下电气控制与PLC课程实践教学
模式及运行机制创新研究”（项目编号：YDJGY2019011）阶段性成果。
2024年3月17日发(作者：岳香天)
扫地机器人的分析与研究
摘要：本文介绍了扫地机器人的发展现状，基本组成。分析了扫地机器人的主要技术特征，多
传感器信息融合技术，室内导航和定位技术，高性能传感器的融合应用技术，识别技术和图像处理
技术等。最后总结了扫地机器人的应用。
关键词：扫地机器人；技术特征；分析；研究
扫地机器人优于普通吸尘机的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程不需要人的控制，
减轻操作负担；还比一般吸尘器的噪音小很多，清洁房间的时候可以免受噪音之苦；还可以净化空
气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达96%，清扫效率接近100%；轻便小巧：
轻松打扫普通吸尘器打扫不到的死角。总之，自动扫地机器人，具有操作简单，使用方便、智能、
安全、清洁效果显著的主要特点。
1.扫地机器人的发展现状
随着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，它迎合了市场痛点的需求。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。近几年，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。
2.扫地机器人的组成分析
扫地机器人主要分为五个组成部分：系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出
部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C52控制，包括超声波测距模块，对输入输出器件的操
作，对执行电机的控制，以及传感器的响应等。执行电机部分是扫地机器人的主要构成部分，包括
行走驱动子系统和扫地系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，地盘为电动三轮小车，前面两轮
由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。扫地系统由电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集于
吸风口处，由洗尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘储存箱中。轮子电机、洗尘电机和毛刷电机
使用的都是无刷直流电机；传感器部分即测距子系统，主要为了保障机器人能够安全的工作；输入
输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电池部分使用5伏可充电
锂电池。
3.
扫地机器人的技术特征
多传感器信息融合技术的应用，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。
位推算方法是最为常用的一种方法，通过机器人自身的里程计、陀螺仪、加速度计等内部传感器，
实时解算机器人自身的速度、姿态信息。以出发点为绝对零点，则可以渐进累加地推算出机器人当
前所在的位置和姿态。此种方法随着工作时间的增加，积分运算误差和定时系统时差引起的误差将
会逐渐累积，因此不适于长时间的精确定位。
扫地机器人在室内地板上的运动可视为在二维平面内的运动，如果室内允许布置信标（如充电
桩或其他满足信标条件的标志物），则可以通过传感器，检测机器人与信标之间的相对距离与位姿，
实现扫地机器人的室内导航与定位。信标定位的优点是可实现实时检测，没有累积误差，精度稳定
性好，且可通过多信标冗余覆盖的方式，彼此互为位置校准或当某个信标故障时，机器人仍可成功
定位。混合定位方法融合了航位推算方法与信标定位方法各自的优势。
高性能传感器的融合应用，目前，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。
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，我们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，我们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。
4.结束语
机器人市场处在不断发展壮大的时期。为不断提升用户体验和拟合实际功能的需求，扫地机器
人会不断进化和提升，将在融合型传感系统、功能定位、智能化程度、网络服务，以及多机协作和
自我学习等方面不断发展，实现扫地机器人真正意义的智能化，使扫地机器人发展成为人们的家用
高科技伙伴。
参考文献：
1.
常成惠.智能扫地机器人的发展趋势[J].大众用电.2019年01期
王东.郭兆正.机器人避障功能的设计[J].长春师范学院学报;2005年12期
刘祚时.罗爱华.童俊华.全自主机器人避障控制方法的研究[J];煤矿机电;2009年02期
基金项目：2019年度高等教育教学改革研究项目“新工科背景下电气控制与PLC课程实践教学
模式及运行机制创新研究”（项目编号：YDJGY2019011）阶段性成果。