家居智能清掃機器人系統設計

摘要：本文設計了一臺家居智能清掃機器人，詳細闡述了系統的總體構成，硬件電路設計和軟件程序設計方案。該機器人能實現移動、垃圾清掃、自主避障等功能，能夠在家庭、圖書館、展覽館等室內環境中進行清掃作業。該智能清掃機器人的推廣應用能夠很大程度的提高工作效率，降低勞動成本。

關鍵詞：清掃機器人單片微型計算機傳感系統

隨著計算機技術與人工智能技術的發展，智能家居已成為現在電子行業的熱門話題，機器人的應用更是受到人們的關注。服務型機器人已經滲透到了我們的生活、工作的各個領域，為了能夠徹底的將人們從家居清潔工作中解放出來，深入研究清掃機器人這類服務型機器人變得越來越重要。

1清掃機器人的總體設計

智能清掃機器人在室內環境下運動，實現清掃、避障、路徑規劃等功能，利用自身各個系統部件的調節與控制，盡可能遍歷每一個角落，實現清掃的智能化。機器人的時間記錄功能可以實現定時清掃，在完成清掃之后自動回到起始點。機器人將自身的感知功能和控制功能結合起來，實現路徑的規劃與避障等功能。機器人的清掃功能較為完善，在運動的過程中，它將地面上的垃圾清掃到一起，集中拾取到垃圾箱內。根據機器人功能需求分析，設計系統整體結構如圖1所示。[1]

2清掃機器人硬件設計

2.1控制核心模塊設計。清掃機器人的控制系統采用微控制器STC89C52作為核心，它能負責指令的接收與發送，控制電機的轉向，完成清掃、避障等功能。如圖1所示，處理器與多個模塊相連接，有紅外避障傳感器、超聲波測距傳感器、測速光電編碼器、電機驅動器接口模塊、狀態顯示器、無線通信接口等，這些模塊在微控制器的控制下，互相協調工作，保證了清掃機器人各項功能的實現。

2.2車體結構設計。為了滿足機器人的性能要求，機器人的機械結構應該具有穩定性，運動靈活性和足夠強度等特點，同時尺寸要小，容量要大，重量要輕。清掃機器人的機械結構主要由外部軀殼、小車底盤、驅動輪、傳感器、垃圾清掃模塊等組成。

小車的外部軀殼和底盤采用鋁合金框架，以增大其堅固性，減輕重量，傳感器安裝在小車的適當部位，用導線連接，使小車重心降低提高小車的穩定性。垃圾清掃模塊由垃圾收集裝置和清掃模塊構成，垃圾收集器安裝在車體的底盤中部，清掃模塊分為掃模塊和吸模塊，掃和吸的裝置分別放在車體底盤的前側兩端和垃圾收集器上。

2.3車輪電機驅動方式設計。清掃機器人為二輪驅動裝置，兩前輪是二個驅動輪，后輪是一個轉向輪。系統控制一對直流電機經一對齒輪減速箱連接兩前輪，控制機器人移動的方向。機器人利用二個前輪的光電編碼器，計算二驅動輪各自速度變化，進行位移路徑的閉環控制。[2]

2.4清掃系統設計。采用清掃滾刷和吸盤結合的方式對垃圾進行全面清掃，將垃圾收集到機器人上固定的垃圾箱內。清掃裝置用兩個電機分別帶動兩個清掃塑料刷，安裝在小車的前側兩端，使左面清掃塑料刷順時針轉動，右面清掃塑料刷逆時針轉動，這樣就可以將垃圾、灰塵集中于吸風口處，為吸塵裝置的工作做準備。吸塵裝置制造強大的吸力，即垃圾收集器內外產生較大的壓強差，從而可以將垃圾、灰塵吸入垃圾收集器中。垃圾收集器內外壓強差通過在垃圾收集器內安裝真空泵把垃圾箱內排成真空或近似真空。

2.5顯示系統設計。顯示模塊主要由LCD1602液晶顯示屏組成，液晶顯示用來顯示小車清掃的時間及耗電量等參數。1602采用標準的16腳接口，1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因為1602識別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如’A’。

2.6電源模塊設計。電源系統是為機器人系統提供能源的裝置，當電池的輸出電壓發生波動時，為了保證數字電路芯片的邏輯電平不受影響，使機器人能正常的工作，要求電源電壓盡量保持穩定，有必要使用穩壓芯片。我們選用的直流電機使用的是直流12V供電電源，而單片機系統采用5V電壓供電。本系統中為數字部分電路提供5V的穩定電源，選用的是美國德州儀器公司生產的uA7805芯片。它的輸入電壓范圍是7-25V，輸出電壓的范圍是4.8-5.2V。該芯片除了具有良好的穩壓功能外，還包含過載保護電路，散熱電路，限流電路等。

3清掃機器人軟件設計

根據模糊控制思想并結合實際行走試驗設計避障算法。以傳感器系統9路傳感器的檢測距離和障礙物所在的方位為模糊控制輸入量，以驅動輪的前進、旋轉和后退動作為模糊控制輸出量。超聲波傳感器檢測最小距離設定為15cm，距離遠；紅外傳感器檢測距離為7cm，距離適中；接觸傳感器是在發生碰撞后才能檢測到障礙物，因此檢測距

離最近。[3]

機器人避障算法核心代碼如下：

#define A1 {in1=1；in2=0；} //前左輪正轉指令

#define A2 {in1=0；in2=1；} //前左輪反轉指令

#define T1 {in1=0；in2=0；} //前左輪停轉指令

#define a1 {in3=1；in4=0；} //前右輪正轉指令

#define a2 {in3=0；in4=1；} //前右輪反轉指令

#define t1 {in3=0；in4=0；} //前右輪停轉指令

void main（void）

{while（1）{

if（a==1b==1）{ A1； a1； } //直行策略

if（a==0b==1）{ A1； t1； } //右轉策略

if（b==0a==1）{ T1； a1；}} //左轉策略

……

}

4結語

本文闡述的項目是吉林農業科技學：大學生科技創新項目吉農：合字[2014]第068號。通過研究設計和試驗調試，充分證明了服務類機器人給人們帶來的便利，在家庭室內使用更是節省人力、物力，并營造了良好的生活環境。該類清掃機器人推廣應用的過程中，以低價格進入市場，將會有巨大的市場前景，未來的服務類機器人將會有更大的需求量。智能清掃機器人的應用將取代市面上繁重的清掃工具，開辟了全新的智能清掃時代。

參考文獻：

[1]石為人，周學益.室內清潔機器人避障路徑規劃研究[J].計算機應用，2007，27：378-379.

[2]梁喜風.室內地面清潔機器人路徑規劃[J].中國計量學：學報，2006，17：64-68.

[3]孟江華，朱紀紅，孫增圻.未知環境下基于傳感器的移動機器人路徑規劃新方法[J].機器人，2005（7）：319-324.