家用機器人結構及控制系統設計

翁浩宇 張鶴東 張亞東 朱貴鴻

自動清掃機器人是當今服務機器人領域一個熱門的研究方向。從理論和技術上講，自動清掃機器人比較具體地體現了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性，從市場前景角度講，自動清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于賓館、酒店、圖書館、辦公場所和大眾家庭。因此開發自動清掃機器人既具有科研上的挑戰性又具有廣闊的市場前景。

家用智能清掃機，包括計算機、傳感器、電機與動力傳動機構、電源、吸塵器、電源開關、操作電位計等，在清掃機的頂部共設有三個超聲波距離傳感器;清掃機底部前方邊沿安裝有5個接近開關，接近開關與超聲波距離傳感器一起，構成清掃機測距系統;清掃機裝有兩臺直流電機;在清掃機的底部安裝有吸塵器機構。自動清掃機器人的功能是自動完成房間空曠地面尤其是家居空曠地面的清掃除塵任務，打掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁，騰出空曠地面。清掃機完成的主要功能：能自動走遍所以可進入的房間，可以自動清掃吸塵，可在遙控和手控狀態下清掃吸塵。

本文所介紹的自動清掃機器人的總體布局方案，前后兩輪為萬向輪，左右兩輪為驅動輪。驅動輪設計采用兩輪獨立且各由兩臺步進電動機驅動的轉向方式，通過控制左右兩輪的速度差來實現轉向。考慮到機器人實際應用的實用性，本驅動系統設計成一個獨立的可方便替換的模塊，當機器人驅動系統發生故障時，只需簡單步驟就可以對驅動部分進行替換。同時為了機器人能夠靈活的運動，從動輪選用萬向輪。

自動清掃機器人車箱體采用框架式結構。從下至上分隔成三個空間：第一層裝配各運動部件的驅動電機、傳動機構;第二層為垃圾存儲空間;第三層裝配機器人控制系統、接線板、電源電池、開關等。

自動清掃機器人控制系統硬件主要是以單片機AT89C51作為核心，輔助其外圍電路、電機驅動電路、傳感器檢測電路以及紅外遙控電路等，各模塊在單片機的控制下，相互協調工作，保證自動清掃機器人各種功能的實現。該控制系統框圖如圖2所示。傳感器在清掃機器人上的布置如圖下所示，圖中紅色的圓點代表六個紅外傳感器的位置。

下圖為清掃機的硬件系統：

步進電機作為執行元件，廣泛應用于各種自動化設備中。步進電機和普通電動機不同之處在于它是一種可以將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構，工作中傳遞轉矩的同時還可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺步進電機分別驅動兩個驅動輪，通過通電方式的不同使自動清掃機器人的行走機構達到前進、后退、左轉、右轉的運動姿態。自動清掃機器人的吸塵器則采用直流電機（H橋式電路）驅動。

下圖為步進電機驅動電路：

采用以AT89C51單片機為核心的紅外接收電路和步進電機驅動電路。紅外遙控器發射不同的碼值來控制步進電機的正轉、反轉、加速減速以及啟動停止。單片機通過對紅外信號的解碼來實現步進電機的變速。紅外發射器原理圖如下所示：

設計行走功能模塊程序設計系統選用了圖 3所示的行走方案。程序設計時要考慮：吸塵器在外圈行走時， 為了避免接近開關中斷對程序運行的干擾， 應對接近開關的中斷處 理程序做 相應處理。由于吸塵器兩動力輪的中心與車體中心不重合， 故采用以一輪為中心的旋轉方式并通過檢測轉彎標志位 （ 1或 0）來判斷轉向。在墻角轉彎時處，根據吸塵器外形的幾何尺寸計算吸塵器遇墻停止后， 后退再轉彎的時間。吸塵器內圈行走時的轉彎依靠轉彎設定值實現。當超聲波傳感器 1的值小于等于設定值時， 吸塵器轉彎。考慮到超聲波傳感器的最小量程為 0. 5 m， 第一圈內圈行走的轉彎設定值設定為 50 cm， 以后每圈的轉彎設定值遞增 30 cm。吸塵器單向行駛至轉彎結束的過程稱為一次單向清掃過程。若某次單向行駛結束后檢測到超聲波傳感器 1的值小于轉彎設定值， 則吸塵器原地再次轉彎， 然后前進至墻停止， 整個房間清掃完畢。

設計躲避障礙物功能模塊程序設計避障總規則： 利用超聲波實測值與已測得的房間長 （寬 ）值的比較， 判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物： 行走時若為左轉， 采用左避讓規則; 行走時若為右轉， 采用右避讓規則。障礙物避開后按行走規則繼續行進; 若無障礙物： 按行走規則繼續行進， 在轉彎前應判斷是否有足夠的空間供機器人吸塵器轉彎。若吸塵器可以轉彎， 則轉彎， 本次單向清掃完畢; 若吸塵器不能轉彎， 說明下次單向清掃起始點處有障礙物， 后退，避開障礙物后再轉彎， 前進至通過障礙物邊線后， 本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功能基礎上實現的， 分為內圈避障程序設計和外圈程序設計。清掃完畢的判斷方案： 用外圈行走結束后清掃區域的精確長、寬值與內圈行走軌跡寬度 30 cm相除， 商即為長、寬方向上各自所需的單向清掃次數， 有余數則說明還有一塊寬度小于30cm 的矩形區域需要清掃。在執行內圈避障時， 只要長或寬任意方向上的單向清掃次數達到所需的次數， 即認為清掃完畢， 剩余矩形區域的清掃在終止模塊中完成。

主控程序是吸塵器工作的主體邏輯。在主控程序中需要完成DSP的初始化設置， 考慮各功能模塊間的邏輯關系， 實現對各子程序的調用， 并要充分考慮到各級中斷信號對程序運行的影響， 做出正確的處理、協調。

主控程序流程如圖所示。用戶操作鍵盤時接近開關可能會工作， 這有可能導致程序運行出錯， 故DSP需在程序最開始首先屏蔽所有中斷。鍵盤的檢測由單片機實現， 用戶若想通過鍵盤設定吸塵器工作方式， 則必須在開機后20 s內開始操作， 該20 s的延時由DSP提供， 20 s后若無鍵按下， 則認為用戶未設定吸塵器工作狀態， 系統按自動方式開始工作; 20 s后若有鍵按下， 則將等待用戶輸入完畢后，按照用戶設定要求工作。

系統初始化程序設計，系統的初始化程序是系統各功能實現的前提。給狀態寄存器賦值， 保證子程序調用或進入中斷時實現CPU 各種狀態的保存; 數據存儲區配置; 輸出口的選擇及功能設定; 中斷的相關寄存器處理; 累加器的溢出方式選擇及系統的時鐘頻率的選定等功能都在初始化程序中實現。

系統中斷處理，系統設計中共有4路中斷信號需要處理， 其中8路接近開關和4路超聲波傳感器共用優先級為1級的外部中斷X INT1;兩個事件管理模塊EVA和EVB在產生PWM 波形時用到了優先級為2級的定時器1和定時器3的周期中斷; 此外， 陀螺儀的測量值經ADC 轉換時用到了中斷優先級為6級的ADC 中斷。

結束語：掃地機器人控制系統主控及主要功能模塊程序的調試和仿真表明， 主控模塊通過對各子程序的調用， 按一定時序完成了對吸塵器的控制， 各主要功能模塊滿足設計要求。如避障模塊通過對采集到的超聲波信號和接近開關信號的判斷和處理， 很好地完成了對障礙物的自動感知和自主躲避; 步進電機及吸塵電機控制精度較高等。