2024年4月9日发(作者：登以冬)

扫地机器人设计报告

1.调研取证

当前市场上的扫地机器人多种多样，打开京东或者淘宝可以看到各个型号的扫地机器

人，通过对各家进行对比获取相关的信息，现有的国外的扫地机器人如伊莱克斯，iRobot,

三星，Karcher等等都价格不菲，功能完善，而国产的扫地机器人如科沃斯等价格较低，

却又缺少地图的构建等功能，导致效率较低。但是无论哪种扫地机器人，其根本的清扫原

理都是相通，说到底，就是一个带有吸尘器的智能小车。其主要创新点在于解脱了人力，

通过传感器与内部算法实现了智能的清扫控制。

2.硬件结构设计

由于家里养狗，狗毛到处都是，天天用吸尘器不厌其烦，正好还要做这份报告，于是

我购买了一款科沃斯的扫地机器人。由于扫地机器人的大体构造均形同，我将其进行了拆

解，并分为如下几部分介绍：

1.供电部分，采用8节串联动力锂电池供电，由于扫地机器人自身尺寸限制（需要钻

到床下，柜子下等），同时又采用了大功率风扇用以吸尘，所以对电池的尺寸重量以及放电

电流限制较大，对比市场上现有的充电电池，放电电流最大的当属磷酸铁锂，但同等体积

下其容量却不到锂电池一般，考虑到成本问题，铅蓄电池成本较低，充电方式也很灵活，

但是重量体积又无法与锂电池相比，故最终选用为动力锂电池。

2.机械部分，采用双电机控制两个轮子，轮子放在车身中心，与前方一个万向轮形成

支撑作用，可以保证车子可以360度原地旋转，这样无需担心车子钻到某个角落之后出不

来。

3.清扫部分，两边各有一组三根清扫刷，固定在两个小电机轴上，通过快速旋转将灰

尘送入到机器腹部的吸尘孔中。同时中心部分为一个大功率风扇，前方放置HEPA过滤装

置与大灰尘过滤网，可以有效将通过气流中的灰尘收集到中间的沉盒中。

4.传感器部分，这部分是最重要的，考虑到如果没有传感器来识别是否可以前进的话，

扫地机器人就没有自己的外界环境感知能力，到处乱撞是不可能将室内清理干净的。扫地

机器人分为如下几种传感器：

a.行进路线感知传感器，由于扫地机器人只向前行进进行清扫，所以传感器的排布均

放在前180度，我现在手里的这个科沃斯牌子的扫地机器人前方放有六组光电对管，可以

探测六个方向的情况，并在机器人撞上之前通知主控部分调整行进路线。但是，仅仅六组

光电对管依旧存在盲区，所以采用了轻触开关的方式，在机器人前方有一圈活动挡板，以

按钮的方式连接到了轻触开关上，当光电对管未能有效探测到的时候，机器人撞到物体的

时候轻触开关会使能通知机器人转向。

b.灰尘感知传感器，在清扫过程中，有些地方比较脏，扫地机器人腹部有一个灰尘感

值传感器，遇到这种地方就可以转圈仔细清扫。我所购买的扫地机器人成本较低，并没有

这个，控制其转圈清扫需要人为控制，这一部分我会在后面介绍。

c.防止跌落传感器，清扫过程中有些地方如跃层的房子里，台阶等部分无法有效探知，

必须有一个防跌落传感器放置在机器人腹部用以探知以防跌落，一般都在腹部放置一个光

电开关用以探知下方是否为空。我所购买的扫地机器人太便宜了，估计买这种机器人的家

庭也不会住跃层，所以没有这个功能。

d.姿态传感器，用以区分机器人姿态，如被翻过来，上坡等异常情况需要识别。以翻

过来为例，一般扫地机器人开关在正面，翻过来后如不停机清扫刷仍在飞快旋转容易带来

危险，所以需要有感知器件，大品牌的一般采用加速度传感器与陀螺仪进行判断，而我买

的这个便宜货用的是水银开关，在这个功能上这两种传感器没啥太大的区别，但是，光靠

水银开关是无法识别上坡的，所以当扫地机器人上了一个自己上不去的坡的话，高端机器

人可以掉头走，而没有这个传感器的就会不断的尝试，用力前进，直到把自己玩没电。当

然，实际情况并非如此，那就要看下面那种传感器了。

e.电流传感器。通过对行进电机与清扫电机的感知，可以控制在电流较大的情况下判

断当前电机堵转，从而通知扫地机器人停机自检。由于上坡等特殊状态可能导致行进电机

堵转，而清扫刷有时候会铰到电线头发之类的也会引发堵转，这种情况如果不及时停机电

机发热就会过大最后烧毁，所以这个传感器也是必须的。

f.通讯传感器。无论是自回充电还是限制行进的“虚拟墙”，都需要通讯进行控制，先

谈谈虚拟墙，我买的这个没有虚拟墙，所以我得把厕所厨房门关上以免它不小心闯入，一

开始我以为虚拟墙技术一般都是采用光电对管，当对管被遮住的时候发出无线信号通知机

器人转向，这种缺点就是必须要有两个设备而且人过去的时候也会触发报警。现在发现很

多都是靠无线信号强弱实现的，通过定向天线控制范围与方向，有信号就转向，没信号就

行进。同理，自回充电也是如此，通过信号强弱找到充电器进行充电。

5.电路设计，扫地机器人电路很简单，主控板连接传感器部分与电机控制部分，传感

器部分上面已经介绍过了，电机控制部分则分别控制了如下电机：行进，清扫等，我买的

这个机器人不需要规划行进路线以及绘制地图，所以，采用的都是最普通的直流电机，较

好控制。

3.软件算法控制

不考虑到路线规划的话，算法极为简单，只需要采用“右手定则”就可以满屋子转个

遍，但是缺点是无法走到中心部分，所以，我观察了下，机器人是采用了一种“之”字型

的右手定则行进规律，在保证右手定则的前提下以之字形行走，就可以覆盖屋内的面积了。

4.改进想法

从性能角度，我考虑了如下几点想法

1.行进感知传感器，可以采用超声测距，红外测距，甚至蓝牙4.0室内基站定位等方

式对机器人进行定位。

2.路程绘制传感器，可以采用选择激光描绘器(IROBOT)，用快速旋转的激光测距仪对

室内结构进行绘制与建模。

3.灰尘感知传感器，可以采用灰尘颗粒探测传感器进行探测，甚至可以通过红外漫反

射光强度进行探测。

4.行进电机传感器，可以采用步进电机控制行进步进，同时加入旋转编码器调整行进

速度。

2024年4月9日发(作者：登以冬)

扫地机器人设计报告

1.调研取证

当前市场上的扫地机器人多种多样，打开京东或者淘宝可以看到各个型号的扫地机器

人，通过对各家进行对比获取相关的信息，现有的国外的扫地机器人如伊莱克斯，iRobot,

三星，Karcher等等都价格不菲，功能完善，而国产的扫地机器人如科沃斯等价格较低，

却又缺少地图的构建等功能，导致效率较低。但是无论哪种扫地机器人，其根本的清扫原

理都是相通，说到底，就是一个带有吸尘器的智能小车。其主要创新点在于解脱了人力，

通过传感器与内部算法实现了智能的清扫控制。

2.硬件结构设计

由于家里养狗，狗毛到处都是，天天用吸尘器不厌其烦，正好还要做这份报告，于是

我购买了一款科沃斯的扫地机器人。由于扫地机器人的大体构造均形同，我将其进行了拆

解，并分为如下几部分介绍：

1.供电部分，采用8节串联动力锂电池供电，由于扫地机器人自身尺寸限制（需要钻

到床下，柜子下等），同时又采用了大功率风扇用以吸尘，所以对电池的尺寸重量以及放电

电流限制较大，对比市场上现有的充电电池，放电电流最大的当属磷酸铁锂，但同等体积

下其容量却不到锂电池一般，考虑到成本问题，铅蓄电池成本较低，充电方式也很灵活，

但是重量体积又无法与锂电池相比，故最终选用为动力锂电池。

2.机械部分，采用双电机控制两个轮子，轮子放在车身中心，与前方一个万向轮形成

支撑作用，可以保证车子可以360度原地旋转，这样无需担心车子钻到某个角落之后出不

来。

3.清扫部分，两边各有一组三根清扫刷，固定在两个小电机轴上，通过快速旋转将灰

尘送入到机器腹部的吸尘孔中。同时中心部分为一个大功率风扇，前方放置HEPA过滤装

置与大灰尘过滤网，可以有效将通过气流中的灰尘收集到中间的沉盒中。

4.传感器部分，这部分是最重要的，考虑到如果没有传感器来识别是否可以前进的话，

扫地机器人就没有自己的外界环境感知能力，到处乱撞是不可能将室内清理干净的。扫地

机器人分为如下几种传感器：

a.行进路线感知传感器，由于扫地机器人只向前行进进行清扫，所以传感器的排布均

放在前180度，我现在手里的这个科沃斯牌子的扫地机器人前方放有六组光电对管，可以

探测六个方向的情况，并在机器人撞上之前通知主控部分调整行进路线。但是，仅仅六组

光电对管依旧存在盲区，所以采用了轻触开关的方式，在机器人前方有一圈活动挡板，以

按钮的方式连接到了轻触开关上，当光电对管未能有效探测到的时候，机器人撞到物体的

时候轻触开关会使能通知机器人转向。

b.灰尘感知传感器，在清扫过程中，有些地方比较脏，扫地机器人腹部有一个灰尘感

值传感器，遇到这种地方就可以转圈仔细清扫。我所购买的扫地机器人成本较低，并没有

这个，控制其转圈清扫需要人为控制，这一部分我会在后面介绍。

c.防止跌落传感器，清扫过程中有些地方如跃层的房子里，台阶等部分无法有效探知，

必须有一个防跌落传感器放置在机器人腹部用以探知以防跌落，一般都在腹部放置一个光

电开关用以探知下方是否为空。我所购买的扫地机器人太便宜了，估计买这种机器人的家

庭也不会住跃层，所以没有这个功能。

d.姿态传感器，用以区分机器人姿态，如被翻过来，上坡等异常情况需要识别。以翻

过来为例，一般扫地机器人开关在正面，翻过来后如不停机清扫刷仍在飞快旋转容易带来

危险，所以需要有感知器件，大品牌的一般采用加速度传感器与陀螺仪进行判断，而我买

的这个便宜货用的是水银开关，在这个功能上这两种传感器没啥太大的区别，但是，光靠

水银开关是无法识别上坡的，所以当扫地机器人上了一个自己上不去的坡的话，高端机器

人可以掉头走，而没有这个传感器的就会不断的尝试，用力前进，直到把自己玩没电。当

然，实际情况并非如此，那就要看下面那种传感器了。

e.电流传感器。通过对行进电机与清扫电机的感知，可以控制在电流较大的情况下判

断当前电机堵转，从而通知扫地机器人停机自检。由于上坡等特殊状态可能导致行进电机

堵转，而清扫刷有时候会铰到电线头发之类的也会引发堵转，这种情况如果不及时停机电

机发热就会过大最后烧毁，所以这个传感器也是必须的。

f.通讯传感器。无论是自回充电还是限制行进的“虚拟墙”，都需要通讯进行控制，先

谈谈虚拟墙，我买的这个没有虚拟墙，所以我得把厕所厨房门关上以免它不小心闯入，一

开始我以为虚拟墙技术一般都是采用光电对管，当对管被遮住的时候发出无线信号通知机

器人转向，这种缺点就是必须要有两个设备而且人过去的时候也会触发报警。现在发现很

多都是靠无线信号强弱实现的，通过定向天线控制范围与方向，有信号就转向，没信号就

行进。同理，自回充电也是如此，通过信号强弱找到充电器进行充电。

5.电路设计，扫地机器人电路很简单，主控板连接传感器部分与电机控制部分，传感

器部分上面已经介绍过了，电机控制部分则分别控制了如下电机：行进，清扫等，我买的

这个机器人不需要规划行进路线以及绘制地图，所以，采用的都是最普通的直流电机，较

好控制。

3.软件算法控制

不考虑到路线规划的话，算法极为简单，只需要采用“右手定则”就可以满屋子转个

遍，但是缺点是无法走到中心部分，所以，我观察了下，机器人是采用了一种“之”字型

的右手定则行进规律，在保证右手定则的前提下以之字形行走，就可以覆盖屋内的面积了。

4.改进想法

从性能角度，我考虑了如下几点想法

1.行进感知传感器，可以采用超声测距，红外测距，甚至蓝牙4.0室内基站定位等方

式对机器人进行定位。

2.路程绘制传感器，可以采用选择激光描绘器(IROBOT)，用快速旋转的激光测距仪对

室内结构进行绘制与建模。

3.灰尘感知传感器，可以采用灰尘颗粒探测传感器进行探测，甚至可以通过红外漫反

射光强度进行探测。

4.行进电机传感器，可以采用步进电机控制行进步进，同时加入旋转编码器调整行进

速度。