一、智能掃地機器人構成與原理
家用智能掃地機器人主要由吸塵器部分、行走驅動部分,檢測傳感器部分、單片機控制部分和電源充電器五部分組成，結構框圖如圖所示
1.吸塵器部分
吸塵器部分具有起塵、吸塵和濾塵三段式清潔功能。在機身底部中區有一個旋轉滾刷用來捲起地面較大的碎屑髒污；底部前方左右兩側裝有兩個相對旋轉的邊刷，用來提高每次清掃地面的有效面積，並將牆邊角與傢俱底下的灰塵垃圾掃入吸塵器內。機器正常工作時，吸塵器內的直流電動機驅動風機葉輪高速旋轉，使空氣高速排出，吸塵器內部產生瞬時真空，與外界大氣壓形成負壓差，在壓差的作用下，風機前端吸塵口的空氣不斷地補充風機中的空氣，吸塵器吸入含灰塵的空氣，經過濾塵器過濾後排出潔淨的空氣，過濾出的垃圾被收在集塵盒內。
2.行走驅動部分
行走驅動部分是智能吸塵器的主體，一般採用輪式機構，在機身底部的後端裝有兩個懸浮式驅動滾輪，機身底前端用一個萬向輪與後輪組成三角形支撐，如圖所示
工作時兩個步進電機驅動兩個後輪，從而推動吸塵器機身行走移動，這種結構既簡單又提高了轉彎的靈活性。由於智能吸塵器是在行走中工作的，移動的速度要求比較低，一般在3m/min左右，因爲步進電機不宜在低速狀態運行，爲了避免步進電機低速爬行，所以在電機軸與輪軸之間加裝了一組減速齒輪來實現吸塵器的低速爬行。通過機內單片智能控制改變作用於步進電機的驅動脈衝信號頻率和相序，實現對兩個驅動輪的高精度調速、停轉和調向。同時對兩電機分別施加相同或不同脈衝信號時，通過差速方式可以方便地實現吸塵器前進、左轉、右轉、後退和調頭轉彎等功能，甚致當兩後輪相互反向運動時，可繞軸中點原地旋轉。電機轉向與吸塵器的運動方式的關係如表所示。
電機轉向與吸塵器的運動方式
清掃路線是智能吸塵器的重要指標之一，目前清掃路線分爲規劃式和隨機式兩種。隨機式清掃模式是在智能吸塵器感知四周的環境後，隨機行走清掃各個區域；規劃式清掃模式是在智能吸塵器感知四周的環境後，然後依照予置的規劃路徑行走，有效地遍歷各個區域完成各個區域的清掃。清掃行走路徑模式通常有：螺旋式行走模式、 弓字形行走模式、沿邊行走模式、五邊形行走模式、隨機行走（自動行走）五種，如圖4所示。爲了適應不同地面環境，能更徹底的清掃，智能吸塵器設有多種清掃模式（行走路徑），可按需選用。而模式可預置的多少隨不同產品型號而異，以下四種清掃模式較爲常用：
①AUTO（自動清掃）模式：該模式清掃覆蓋面積最大，是最常使用的一種。其特點是主機直線行進清掃，遇到障礙物後改變方向，主機在清掃中，若感知灰塵量較多，它將自動以“扇形”或“螺旋形”路線清掃地面後，再轉爲直線清掃。該清掃模式是指主機自動進行清掃，遇到障礙物後自動改變方向。該清掃模式下，機器根據自帶的傳感器識別周邊環境複雜程度，自動切換內置清掃路經進行清掃工作，它是一種具有多種清掃路徑的模式。
②重點清掃模式：按遙控器的“重點”清掃按鍵，機器會進入重點清掃模式，重點清掃模式適合在垃圾相對較多區域小範圍清掃，它以漸開式螺旋線的方式從中心向外圈擴散，到最外圈時反方向慢慢縮小，直到回到原點完成清掃，清掃半經約1m，時間約2～3min。
③定點清掃模式：適用於處理地面上較爲集中的垃圾，主機以“弓”字形路徑自左向右，對你所指定的區域進行一次集中清掃。清掃完成後，主機回到清掃起始點併發出提示聲。
④自動拖地模式：具有掃、吸、拖功能三合一的智能吸塵器，可按遙控器的“拖地”鍵，或按機器面板上的相應鍵，進入自動拖地模式工作，這時邊刷及吸塵風機都停止工作，只有機器帶動拖板，按“弓形式”和“自由式”進行拖地。
3.傳感器部分
智能吸塵器工作時，機器做出前進、轉彎、停留等動作都需要由多種傳感器測知自身與周圍環境的關係後決定，例如判別前方有無障礙物，是否需要避開；機身下方有無凹槽類或臺階類可能導致機身碰撞翻轉等的地面狀況。掃地機器人不僅需要知道這些信息，並且這些信息量還要轉換成電腦能夠判斷的電信號，從而控制吸塵器自動進行清掃工作。家用智能吸塵器大都採用多組紅外傳感器監測，因爲紅外傳感器成本較低，高檔機才選用性能較好的超聲波傳感器。
（1）紅外測距傳感器
紅外測距傳感器是機器人常用的非接觸式傳感器，紅外線具有沿直線傳播和反射、折射、散射、干涉及吸收等特性。紅外線在真空中傳播速度C=3×108m/s，而在介質中傳播時，由於介質的吸收和散射作用，使它產生衰減。一般金屬材料基本上不能透過紅外線，塑料能透過紅外線，智能吸塵器紅外傳感器的工作原理是‘三角測距法’，紅外發射器按照一定的角度發射紅外光束，當遇到物體以後，光束會反射回來。機器人利用紅外測距傳感器自帶運算電路會自動完成計算工作，輸出一個和檢測距離相關的電參數，即可得知距離值。圖2所示在吸塵器機器前方的擋板上裝有三個紅外避障傳感器，分別位於擋板左、中、右三處，這樣主機前進過程中在其前方偏左、偏右或居中方位，能夠檢測前方一定距離內是否存在障礙物。每個傳感器各有一個發射端和一個接收端，發射端發送紅外光束，如果前方有障礙物，光束會反射回來，此時若接收到的紅外信號強度超過閾值，那麼傳感器被觸發。機器人會感知到前方有障礙物，隨即調整兩個步進電機驅動輪的前進速度和方向，帶動驅動輪轉向，脫開障礙物，實現避障功能。
（2）碰撞檢測傳感器
紅外傳感器的主要缺點是探測視角小，很難探測前方狹小障礙物，若障礙物（反射面）較小，接收端得到的紅外線則不會超過閾值，或者障礙物顏色爲黑色和深色時，紅外線會被吸收一部分，以及處於暖光源（如白熾燈、太陽光）照射下，傳感器無法正確接收到紅外反射信號，爲了彌補這一缺陷，幾乎所有智能吸塵器都用紅外傳感器與碰撞傳感器融合方式實現避障。碰撞傳感器用於紅外傳感器未探測到障礙物時，吸塵器和障礙物發生碰撞後的避障。因此，在半圓形擋板上還分區安裝了防碰撞檢測單元（如微動開關等），通過讀取每個碰撞執行單元信息，可準確具體識別碰撞方位，爲機器人的智能判斷提供可靠的物理依據。
（3）下視傳感器
在吸塵器機體前方底盤邊沿下方另外還有3路紅外傳感器，其功能用於探測路面狀況，如遇到臺階類或凹槽類地面，當傳感器感知高度大於8cm的地面落差信號後，經過信號處理電路初步處理之後，送至微處理控制器，發出動作指令，吸塵器停止移動，使主機在有高度落差的邊緣不會掉下。
（4）灰塵傳感器
位於主機塵盒進灰口前部裝有兩個灰塵傳感器，用來感知吸入灰塵量的多少，從而使主機決定採用何種清掃方式更爲有效。智能吸塵器灰塵傳感器原理是：微粒子和分子在光的照射下會產生光的散射現象，與此同時還吸收部分照射光的能量，當一朿平行單色光入射到被測顆粒物時，會受到顆粒周圍散射和吸收的影響，光強將被衰減，如此一來便可求得入射光通過待測濃度物的相對衰減率。而相對衰減率的大小，基本上能線性反映待測物灰塵的相對濃度，光強的大小與經光電轉換爲電信號強弱成正比，通過測得的電信號就可以求得相對衰減率。
（5）電子陀螺儀和加速度傳感器
電子陀螺儀與加速度傳感器是機器人領域用於運動狀態測量的必備部件，電子陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的轉動角速度的電子器件。按照慣性原理一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時是不會改變的，根據這個原理掃地機人用它來保持方向，導航更爲精準，直線清掃不偏航，清掃高覆蓋低重複。加速度傳感器件的基本原理是壓電晶體受力產生的電量與加速度帶來的慣性力成正比，將測力問題轉化爲測電問題。實際應用中，加速度傳感器和陀螺儀傳感器封裝在同一個IC中，在IC內部還集成有前端處理電路，然後以一定的數據信號傳給控制系統，實現陀螺儀精確導航。
4.單片機控制部分
智能掃地機器人的控制系統主要是以單片機作爲核心，輔助其外圍電路。各功能模塊在單片機的控制下相互協調工作，保證掃地機器人各種功能的實現，控制系統框圖如圖5所示。它主要完成以下任務：
① 向各傳感器分別發出選通信號，通過路選信號控制，順序與各個傳感器通信，實時完成信息數據採集功能。
② 作爲控制器的核心，它要根據接收到的數據信息，計算並判斷障礙物的相對位置、
體積大小，結合機內預先設定的規則，確定相應的避障措施（前進、左轉、右轉、後退、調頭）。
③ 在確定避障措施後，再向步進電機輸出相應的控制脈衝，具體實現避障方案。
④ 接受遙控器的指令，調整機器人的工作狀態。檢測電池剩餘電量，及時指揮智能吸塵器自動返回充電，進行充電管理等。
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