基于AVR單片機(jī)的智能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)

孔德平

摘 要：掃地機(jī)器人主要由移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、吸塵系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)五部分組成，通過這五大系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的智能清掃工作的完成。在感知系統(tǒng)中運(yùn)用到了分布于小車兩側(cè)的光電傳感器，這樣可有效把握好路徑的選擇并且能夠很好的避開障礙；移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)采用兩個(gè)360度轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)，這樣在行走以及轉(zhuǎn)向的情況下，可以最大做到精確；控制系統(tǒng)使用AVR單片機(jī)作為控制芯片；智能掃地機(jī)器人在行走過程中采用迂回前進(jìn)，避開障礙的行走策略，同時(shí)可以接收無線遙控模塊的指令，根據(jù)指令作出相應(yīng)的反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：掃地；機(jī)器人；智能

前言

智能掃地機(jī)器人是全自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)器，一定程度上代替了人工，解放了勞動(dòng)力，并且節(jié)約了時(shí)間。掃地機(jī)器人包含了傳感器技術(shù)，單片機(jī)控制技術(shù)，移動(dòng)技術(shù)等，利用這些技術(shù)可以使機(jī)器人很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，并且較為精確轉(zhuǎn)彎和走直線，這樣就可以解決掃地機(jī)器人一次全面清掃的功能。

1 智能掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體布局

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由感知機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)以及車體組成，機(jī)器人的前輪采用差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，后輪采用隨動(dòng)輪。基于機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，機(jī)器人使用圓形狀結(jié)構(gòu)，圓形狀結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢(shì)就是控制起來簡單，運(yùn)動(dòng)起來不易和障礙物發(fā)生碰撞。車體前端兩側(cè)采用兩個(gè)光電傳感器，這樣就有四種組合方式，也就是有四種狀態(tài)，這樣就可以識(shí)別一切障礙物，不會(huì)有盲點(diǎn)。

1.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

移動(dòng)系統(tǒng)是由兩個(gè)伺服電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)組成，兩個(gè)伺服電機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)后輪，而后輪則采用隨動(dòng)輪，這樣就帶動(dòng)吸塵系統(tǒng)前行。后輪采用隨動(dòng)輪，而不是雙輪，這樣做可以很好的加強(qiáng)了小車轉(zhuǎn)彎的靈活性。通過改變控制系統(tǒng)輸出的pwm占空比，可對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。對(duì)兩個(gè)伺服電機(jī)輸出相同頻率不同占空比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速則不同，通過這樣差速方式，實(shí)現(xiàn)吸塵器的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)彎等功能。這樣便可是使掃地機(jī)器人隨意轉(zhuǎn)彎.同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可以通過單片機(jī)的程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3 感知機(jī)構(gòu)

感知機(jī)構(gòu)由分布在機(jī)器人兩側(cè)的光電傳感器組成。其采用光電元件作為檢測元件，一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，光電傳感器對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行探測，判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。光電開關(guān)輸出與障礙物位置間的關(guān)系如下：

左光電開關(guān)：0；右光電開關(guān)：0；障礙物位置：正前。

左光電開關(guān)：0；右光電開關(guān)：1；障礙物位置：左前。

左光電開關(guān)：1；右光電開關(guān)：0；障礙物位置：右前。

左光電開關(guān)：1；右光電開關(guān)：1；障礙物位置：未碰撞。

1.4 控制系統(tǒng)

我們采用Atmel公司的ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)，AVR單片機(jī)功能強(qiáng)大，能夠使得I/O口資源靈活，是一種處理能力極強(qiáng)的微控制器，同時(shí)提供許多控制系統(tǒng)的選擇方案。

1.5 吸塵系統(tǒng)

吸塵系統(tǒng)采用小型吸塵器，主要由吸道，吸嘴，氣泵和吸室組成。

吸塵原理：吸塵器的電機(jī)葉扇在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下將電機(jī)中的空氣排出，這樣電機(jī)內(nèi)部和外界就形成了一個(gè)氣壓差，于是外界的氣體就會(huì)源源不斷進(jìn)入電機(jī)中。這樣的話，塵埃等垃圾就會(huì)被吸入吸室內(nèi)，吸室中有一個(gè)過濾器，將垃圾等留在吸室中，空氣則排出吸室。

我們采用額定電壓為12V的吸塵器，單片機(jī)的工作電壓為5V，我們無法直接通過單片機(jī)控制吸塵器，這里使用一個(gè)繼電器來間接控制吸塵器。

2 掃地機(jī)器人的硬件部分

硬件電路圖主要有五部分，分別為AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、電源及穩(wěn)壓部分、感知結(jié)構(gòu)部分、遙控模塊和繼電器控制電路。

完整的電路圖如圖1所示。

3 結(jié)束語

目前智能掃地機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是還有很大的改進(jìn)之處，比如傳感器還有很大的進(jìn)步空間，傳感器是非常重要的一部分，只有更復(fù)雜，更精良的傳感器才能滿足人們各種復(fù)雜的需求，我們才能做出更高級(jí)的機(jī)器人。其實(shí)還可以使用更高級(jí)的技術(shù)，但是考慮到成本，我們不得不放棄選用。很多時(shí)候，因?yàn)楫a(chǎn)品依托于市場，即使市場對(duì)產(chǎn)品的需求量比較高，但其成本也很高時(shí)，也不見其銷量會(huì)很好，或很受歡迎，因此，產(chǎn)品的開發(fā)還要根據(jù)實(shí)際的市場，不能隨意做我們想做的東西，而忽略成本這個(gè)東西，而是需要多方面考慮才能進(jìn)行開發(fā)。