扫地机器人的回充方法实现

综述

对于目前市面上的扫地机器人的回充方法依据所使用的不同传感器大致可以分为以下几种：红外传感器、超声波传感器、视觉传感器、激光传感器，以及上述几种传感器混合使用的方法。
在扫地机器人工作中当检测到电量不足时，会自动寻找充电座。由于各种传感器的局限性，我们需要扬长避短，充分发挥各种传感器的优势。所以在此过程中依据离充电座的远近可以分为远距离回充和近距离回充：
在远距离回充方法上：比较高端的扫地机器人会加入路径规划算法，通过搭载的激光传感器来构建出房间的地图，同时标记出充电座的位置。在需要充电时，自动规划一条路径回到充电座附近的地方。而比较中低端的则采用沿墙壁行走的方法来寻找充电座。事实上我们大部分扫地机器人就是通过后一种方法来回到充电座附近的地方。
在近距离的回充方法上：一般在充电座上安装红外传感器或超声传感器，配合扫地机器人本体上的传感器完成定位。市面上70%的扫地机器人采用单独的红外传感器，以及其他传感器融合的方法，而还有一些则采用超声波传感器。

基于红外传感器的回充方法

对于使用单种红外传感器来讲以三星公司的VR9000为例：

充电座的三组红外发射器均发出红外调制编码信号，而扫地机器人前方装有多个红外线接受装置。用于检测红外信号的强度，通过一定的算法来实现对接。这种方法的缺点是由于红外信号强度受多种因素的影响，所以回充速度较慢，总路径较长，同时精度也不是很高。所以提出了多传感融合的方法。有些扫地机器人在红外传感器的基础上又增加了摄像头和激光发射头。

在单种红外传感器的基础上，运用激光高亮度、高单向性的特点作为一个准确的方向信号。将激光发射器安装在充电座上，发射出的线性激光将投射在地面上，形成一条高亮度的直线。同时运用扫地机器人上的摄像头拍摄并识别投射在地面上的激光线。计算激光线的斜率和位置来计算出机器人偏离激光线的角度与距离，从而引导机器人走到充电座的中轴线上，再逐步完成与充电座的对接。

基于激光雷达的回充方法

我们知道在扫地机器人上有一个可360度旋转的激光测距头，常用于构建地图和避障。国内许多机器人就利用这个传感器，将充电座做一个特殊的处理，相当于贴上一个标签。通常将扫地机器人的充电座表面区分为高低不同的凹凸区域，凹区域的材质的光线反射率高，凸区域的材质的的光线吸收率高，激光雷达通过识别这个特别的区域进行回充。

基于超声雷达的回充方法

充电座两端安装有2个超声波雷达的接收器，而发射器安装在扫地机器人上，当需要回充时，扫地机器人上的相关超声波发射器发出超声波，充电座上的超声波接受到超声波然后进行处理。得到机器人相对于充电座的位姿，然后将位置信息反馈给机器人，使机器人不断调节位姿。图中所示是一款Proscenic智能扫地机的充电座：

上述几种方法的比较

方法	优点	缺点
单种红外传感器	成本较低，范围较广 ,易于开发	精度较差，受环境影响较大，回充效率较低
红外摄像头融合	精度较高，提高了回充的效率	开发难度较大，需要算力好的硬件支持，提高了成本
激光雷达传感器	探测范围较广，比较稳定	开发比较复杂，需要较好的硬件系统和算法支持
超声雷达	可以测量出具体的距离值，相对精确，成本较低，易于开发	方向性较差，易受环境影响(温度、湿度、障碍物等)

参考资料：

[1]魏银. 扫地机器人自动回充系统的设计与实现[D].中国科学技术大学,2018.