基于一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機器人設(shè)計方案

引 言

隨著人口的老齡化和社會福利制度的完善，導(dǎo)致勞動力成本的急劇上升，一些簡單的重復(fù)性的體力勞動為服務(wù)機器人提供了廣闊的市場。清潔機器人是服務(wù)機器人的一種，可以代替人進行清掃房間、車間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機器人的設(shè)計方案。其具有實用價值。室內(nèi)清潔機器人的主要任務(wù)是能夠代替人進行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形比較緊湊，運行穩(wěn)定，噪音?。灰哂腥诵曰?a target="_blank">接口，便于操作和控制。結(jié)合清潔機器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。

1 測控系統(tǒng)及功能

為了使吸塵機器人運動更加流暢，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，把吸塵機器人外觀設(shè)計成扁圓柱形的，扁圓形的設(shè)計可以使其自由進入沙發(fā)、床和家具底下，把一些邊角都能夠清掃干凈。與地面平行的圓形底盤由三個輪子共同支撐，左右兩側(cè)的為驅(qū)動輪，分別由兩個微型直流電機直接驅(qū)動，前面的支撐輪為萬向輪。機器人的這種外形和車輪布局可使其方便地實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，大大提高了行走的靈巧性，這在空間范圍較小的地方更為突出。采用碰撞、超聲波和紅外傳感器組成多傳感器系統(tǒng)，在機器人的上方裝有紅外接收裝置；在機器人的底部邊緣．每隔45°裝有接近傳感器，用來檢測臺階，防止跌落；在機器人的前方裝有碰撞傳感器，前方和左右裝有超聲波傳感器，用來檢測周圍環(huán)境。機器人上裝有電源管理系統(tǒng)，如果電壓過低會停止清掃，并且去自動充電。

1．1 微控制器

傳統(tǒng)的微處理器如51系列雖然開發(fā)周期短，成本低，但其實時性不好，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；另外，增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，使機器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速DSP的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化，但其開發(fā)成本高。與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點是高性能，低價格，低功耗，廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。LPC2210是飛利浦帶有一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，其采用3級流水線技術(shù)，能夠并行處理指令。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機器人系統(tǒng)，滿足了機器人對控制器運算速度的要求。以LPC2210為核心。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定的清潔機器人車體系統(tǒng)。

機器人控制系統(tǒng)主要完成的任務(wù)：接收傳感器和編碼器傳來的數(shù)據(jù)，綜合處理進行清掃路徑規(guī)劃；驅(qū)動左右輪前進行走，控制清掃、吸塵機構(gòu)，完成各種底層控制動作；設(shè)計合適的人機接口，在LCD上顯示機器人狀態(tài)和運行時間。因此，機器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機驅(qū)動模。

這一款超聲波傳感器有以下優(yōu)點：適應(yīng)各種環(huán)境，不受灰塵和光線的影響；盲區(qū)為2．5 cm。可以把傳感器安裝在合適的位置就可以避開盲區(qū)；探測發(fā)散角度為15°，反應(yīng)距離2．5 m以內(nèi)，該課題的檢測距離為0．5 m。超聲波傳感器的基本原理是測量從聲波發(fā)射和回到接收器所用的時間。這一款傳感器的的發(fā)射端口和接收端口是一個管腳，首先由控制器發(fā)射一個5μs寬度的高電平脈沖來激發(fā)傳感器發(fā)射40 kHz的超聲波，脈沖發(fā)出750μs后，管腳電平置高；當(dāng)傳感器接收到回波時，管腳的電平被拉低。由信號端高電平的寬度就可以知道由發(fā)射到返回需要的時間，寬度為115μs～18．5 ms之間。公式s＝vt／2，其中s表示傳感器與目標(biāo)的距離；t表示發(fā)射到回收的時間；v是聲波速度，v=340 m／s。由此可以知道傳感器與障礙物之間的距離。一次探測時間最多是20 ms，5個傳感器查詢完畢，用時l00 ms，因此兩個相鄰傳感器采用分時段進行使能，就會避免相互干擾，而不會影響機器人速度。

1．2．2 紅外接近傳感器

反射式光電開關(guān)是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，當(dāng)有障礙物阻攔時光線能夠反射回來，輸出為低電平信號；當(dāng)沒有障礙物阻攔時，光線不能反射回來，輸出為高電平信號。

吸塵機器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發(fā)射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動、紅外接收等幾個部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個38 kHz的調(diào)制脈沖信號；利用三極管驅(qū)動紅外發(fā)射管（TSAL6200）的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收。通過接收頭（HS0038B）內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個數(shù)字信號，輸入到微控制器的I／O口，如圖3所示。接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會返回輸出低電平，否則就會輸出高電平。通過對I／0口的檢測，便可以判斷物體的有無。

1．2．3 碰撞開關(guān)傳感器

兩個槽型對射光電開關(guān)均布在機器人左前和右前辦。如此的布局可以使機器人感知來自前方、左前、右前三個方向的障礙物，從而根據(jù)障礙物方向的不同做出不同的反應(yīng)。當(dāng)機器人碰到障礙物時，彈簧在障礙物的作用下，向內(nèi)壓迫碰撞開關(guān)擺臂，促使簧片擋住光電開關(guān)的光線，輸出低電平。當(dāng)沒有障礙物作用時，簧片在彈簧的作用下恢復(fù)，光電開關(guān)的光線沒有被遮擋，輸出高電平，如圖4所示。

這三個傳感器中，超聲波傳感器用來探測前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個超聲波傳感器垂直于行走方向放置，用于機器人的沿邊行走規(guī)劃；設(shè)定機器人行走時與墻邊的距離值，調(diào)節(jié)機器人的行走方向，使兩個超聲波與墻邊的距離近似等于設(shè)定值，保持機器人沿墻行走時保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不會撞到或者遠(yuǎn)離墻壁。前方兩個碰撞傳感器和一個超聲波配合用來用來探測前半部分的環(huán)境；接觸傳感器具有檢測范圍大、信號無需調(diào)理、占用資源少的優(yōu)點，通過接觸碰撞，檢測那些未能被超聲波傳感器檢測到的桿狀障礙比如家具腿等，傳感器之間的位置如圖5所示。

接近傳感器用來探測地面是否有懸崖，在機器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個。除了上述三種傳感器以外，在三個輪子上都裝有一個常開的開關(guān)傳感器，當(dāng)輪子懸空的時候，開關(guān)就會閉合，輸出低電平。當(dāng)輪子懸空時可以讓機器人停止運轉(zhuǎn)。

2 電機控制系統(tǒng)

在小功率系統(tǒng)中，直流電機線性特性良好，控制性能優(yōu)越，適合于點位和速度控制。為了實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)運行，只需要改變電機電源電壓的極性。電壓極性的變化和運行時間的長短可以由處理器實現(xiàn)，而提供直流電機正常運行的電流則需要驅(qū)動電路。

H橋式驅(qū)動電路是比較常用的驅(qū)動電路。該設(shè)計兩個行走驅(qū)動電機采用分立器件功率場效應(yīng)管和續(xù)流二極管搭建，成本低，便于散熱，如圖6所示。

用ARM7的P0．8和P0．9來控制電機，這兩個管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機的速度。該部分主要保證機器人能夠在平面內(nèi)移動，同時輪上帶有編碼器，可以對行走的路程進行檢測。通過航位推算可以實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機器人光電碼盤的分度數(shù)為N；控制器收到的脈沖數(shù)為m；輪子的直徑為D；兩個輪子之間的間距為W，則輪子前進的距離為：

設(shè)機器人在環(huán)境坐標(biāo)系中的位姿為（X（t），Y（t），φ（t）），則第n+1次采樣的方位角φn+1值和第n次采樣的φ值有以下關(guān)系：

式中：vR（t）和vL（t）分別是在t時刻兩輪的速度；△SLn和△SRn為兩個主動輪從第n次采樣時刻到第n+1次采樣時刻之間所行走的距離。

如果規(guī)定要進行原地轉(zhuǎn)彎，就是一個輪子正轉(zhuǎn)，另外一個輪子反轉(zhuǎn)的方式那么：

4 結(jié) 語

清潔機器人作為服務(wù)機器人的一種，有著巨大的市場潛力和廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和微處理器的不斷進步，價格也在不斷下降。在此研究和設(shè)計一個基于ARM7微處理器的清潔機器人控制系統(tǒng)，不僅滿足了實用性的要求，而且在不增加成本的基礎(chǔ)上為軟件提供了良好的硬件支持，為更好的算法和軟件升級提供良好的技術(shù)支持。
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