掃地機(jī)器人硬件與軟件設(shè)計(jì)

摘?要：隨著機(jī)器人不斷融入社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，智能化程度較高的機(jī)器人得到了人們的廣泛認(rèn)可，而貼近人們?nèi)粘Ｉ畹臋C(jī)器人不但能為人們提供高品質(zhì)的生活水平，更能提高人們的工作效率。因此，掃地機(jī)器人越來(lái)越普及，也得到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注，具有巨大的市場(chǎng)潛力。本次設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人是選用STC89C52型的單片機(jī)作為主控核心，其具備系統(tǒng)集成度較高、運(yùn)行速度較快以及可靠性良好等優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)主要集中于掃地機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路部分、自主循跡避障部分以及數(shù)碼管顯示部分等。通過(guò)52單片機(jī)對(duì)普通直流電機(jī)的起始、停止、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的控制實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行狀態(tài)的變化。同時(shí)，結(jié)合單片機(jī)PWM的電機(jī)變速功能，實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)，使設(shè)計(jì)更加完善。

關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人;單片機(jī);避障

2002年，伊萊克斯公司在原有高質(zhì)量吸塵器的基礎(chǔ)上，成功研制出全球第一款全自動(dòng)掃地機(jī)器人——“三葉蟲(chóng)”掃地機(jī)器人。同時(shí)，iRobot公司也先后生產(chǎn)了7代智能家務(wù)機(jī)器人“Roomba”，最終成為了這一領(lǐng)域具有代表性的產(chǎn)品。

2010年前后，我國(guó)國(guó)內(nèi)的掃地機(jī)器人品牌不斷涌現(xiàn)，而且均逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已擁有很多掃地機(jī)器人品牌，如科沃斯、iRobot、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等知名品牌。然而在中國(guó)本土成立且具備完整的核心自主研發(fā)研發(fā)能力的掃地機(jī)器人企業(yè)并不是很多[1]。

近幾年，掃地機(jī)器人這一產(chǎn)品的普及速度越來(lái)越快，而且其市場(chǎng)發(fā)展也十分迅速。在掃地機(jī)器人的前期發(fā)展階段，其主要以改進(jìn)掃地效能為主。在現(xiàn)階段，掃地機(jī)器人除了在保證較優(yōu)良的清掃效果的基礎(chǔ)上，還在大趨勢(shì)地影響推動(dòng)下，一定會(huì)走向多傳感器融合、導(dǎo)航以及路徑規(guī)劃等智能化核心技術(shù)的發(fā)展道路。

1 掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案

掃地機(jī)器人總體由4部分組成：系統(tǒng)主控制部分、執(zhí)行電機(jī)部分、傳感器部分和電源部分。主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于AT89C52型單片機(jī)的控制系統(tǒng)，主要包括對(duì)傳感器進(jìn)行響應(yīng)、對(duì)顯示部分元器件的控制以及對(duì)執(zhí)行電機(jī)的控制等[2]。執(zhí)行電機(jī)部分和小車避障是掃地機(jī)器人的主要構(gòu)成部分。整體設(shè)計(jì)是機(jī)器人的前面是由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)車輪，而后輪則是利用小球作為萬(wàn)向輪。其中車輪電機(jī)采用是無(wú)刷直流電機(jī)，傳感器部分即用來(lái)進(jìn)行探測(cè)和檢測(cè)的，能夠保證機(jī)器人完成既定作業(yè)，顯示部分則是對(duì)應(yīng)輸入和輸出部分，通過(guò)數(shù)碼管顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，電源部分經(jīng)過(guò)分析選用可充電鋰電池進(jìn)行供電[3]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件主要由四個(gè)模塊構(gòu)成：?jiǎn)纹瑱C(jī)的控制模塊、紅外線避障模塊、電機(jī)的控制模塊及數(shù)碼管顯示模塊。

紅外避障模塊主要在小車在作業(yè)時(shí)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出指令使小車停止，包括了38KHz的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊。同時(shí)與555定時(shí)器芯片組成一個(gè)多諧振蕩器，根據(jù)實(shí)際情況，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)38KHZ方波信號(hào)[8]。

本次設(shè)計(jì)的小車電機(jī)選用帶有齒輪組的直流減速電機(jī)，由脈沖寬度調(diào)制（PWM）來(lái)完成調(diào)速功能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇L298N，它的優(yōu)點(diǎn)是在它的內(nèi)部包含有一個(gè)4通道的邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是單塊集成電路還能夠接收DTL或TTL邏輯電平。一般用于驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如繼電器、直流和步進(jìn)電機(jī)等）和用到的開(kāi)關(guān)功率晶體管[3]。

本次設(shè)計(jì)采用的是基于脈沖寬度調(diào)制原理的H型橋式驅(qū)動(dòng)電路，此外還需要TLP521-2光耦集成塊，它可以將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔為兩塊，在它的輸入端可以設(shè)計(jì)一個(gè)三極管來(lái)放大自身的驅(qū)動(dòng)電流。具體工作流程是當(dāng)單片機(jī)接收到相應(yīng)輸入控制指令后，CPU通過(guò)P1.0或P1.1任意一個(gè)端口來(lái)輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配的PWM脈沖，而另一口則輸出的是低電平，輸出的先經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大，再進(jìn)行光耦傳遞，最終驅(qū)動(dòng)橋式電動(dòng)機(jī)控制電路，這樣便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向以及轉(zhuǎn)速[4]。控制系統(tǒng)的電源電壓統(tǒng)一為5V。

3 掃地機(jī)器人的軌跡規(guī)劃

機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是指在某種特定的優(yōu)化指標(biāo)下，機(jī)器人感知到工作環(huán)境信息后，自主作業(yè)的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)自動(dòng)選擇出一條完美避障的路徑，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的歷遍功能，達(dá)到清掃區(qū)域的全面覆蓋的目標(biāo)。一般基于機(jī)器人對(duì)其工作環(huán)境的感知認(rèn)識(shí)程度大致可以分為以下兩種類型：

（1）全局路徑規(guī)劃：環(huán)境信息能完全被機(jī)器人感知;

（2）局部路徑規(guī)劃：環(huán)境信息未知或部分未知，要獲取目標(biāo)清掃區(qū)域中障礙物的信息（位置、形狀和大小），這就需要機(jī)器人傳感器檢測(cè)子系統(tǒng)對(duì)其所處工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)[9]。

本次掃地器人在設(shè)計(jì)中采用的是紅外線傳感器，但由于紅外探測(cè)的有效范圍受到限制加之目標(biāo)清掃區(qū)域的不確定性，故在本次設(shè)計(jì)中添加機(jī)器人的邊沿學(xué)習(xí)。邊沿學(xué)習(xí)方式是指讓掃地機(jī)器人從作業(yè)前指定的某個(gè)位置按順時(shí)針或逆時(shí)針沿著墻壁和經(jīng)過(guò)靠近墻壁的障礙物邊緣處繞著環(huán)境運(yùn)動(dòng)一圈，并且需要在機(jī)器人行走的過(guò)程中檢測(cè)出機(jī)器人中心的坐標(biāo)，完成邊沿學(xué)習(xí)后，機(jī)器人就可以初步感知出清掃區(qū)域的大致情況以及障礙物的具體分布坐標(biāo)。在行進(jìn)過(guò)程中記錄下當(dāng)y坐標(biāo)達(dá)到最大值Ymax時(shí)，x能達(dá)到的最大值Xmax（考慮到障礙物可能存在于墻壁的右下角）[7]。

在設(shè)計(jì)機(jī)器人的移動(dòng)定位時(shí)，傳統(tǒng)的方法是采用編碼器定位即推算定位，主要原理是：將光電碼盤固定在掃地機(jī)器人的車輪輪軸上，由光電碼盤來(lái)記錄機(jī)器人移動(dòng)前行的距離，從而可以知道兩輪各自前行的運(yùn)動(dòng)距離，從而完成作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)信息的推算。將光電碼盤裝在電機(jī)的輪軸上，由于左右兩輪都有各自的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以它可以隨著車輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而根據(jù)兩個(gè)車輪的運(yùn)動(dòng)距離來(lái)知道機(jī)器人的位置和方向[10-12]。

4 歷遍路徑規(guī)劃方案

為了實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人的全區(qū)域覆蓋即實(shí)現(xiàn)歷遍功能，就必須事先設(shè)計(jì)好掃地機(jī)器人的行走規(guī)律，此次設(shè)計(jì)中選擇了“往返式路徑規(guī)劃方法”，并分為兩種情況進(jìn)行討論設(shè)計(jì)方案[7]。

4.1 清掃區(qū)域中無(wú)障礙物

當(dāng)清掃區(qū)域內(nèi)無(wú)任何障礙物出現(xiàn)，則主要由控制程序來(lái)驅(qū)動(dòng)掃地機(jī)器人在該區(qū)域內(nèi)做直線帶狀往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)掃地機(jī)器人的紅外傳感器檢測(cè)到其運(yùn)動(dòng)到x方向的最大位置時(shí)，則機(jī)器人繞右側(cè)輪子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，同時(shí)在機(jī)器人轉(zhuǎn)角時(shí)，只需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，而以另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，這樣便能保證掃地機(jī)器人在轉(zhuǎn)過(guò)180°后恰好前進(jìn)了一個(gè)機(jī)身車位，這樣就能實(shí)現(xiàn)其歷遍功能，完成在往返清掃的過(guò)程中不留下清掃死去的目標(biāo)。

4.2 清掃區(qū)域中有障礙物

（1）靠最遠(yuǎn)處墻壁的障礙物，如障礙物D;

（2）不靠墻壁的障礙物，如障礙物C;

（3）其他位置靠墻的障礙物。

在進(jìn)行正式清理前，掃地機(jī)器人先進(jìn)行了邊沿學(xué)習(xí)，因此提前獲得了空間的邊緣信息，這樣便可以自動(dòng)將其他靠墻障礙物視為墻壁進(jìn)行處理。遇到清掃區(qū)域中非靠墻障礙物時(shí)，這時(shí)掃地機(jī)器人則利用紅外測(cè)距傳感器沿著障礙物的邊沿運(yùn)動(dòng)，直到機(jī)器人在y軸方向移動(dòng)一個(gè)車身機(jī)位，然后轉(zhuǎn)180°運(yùn)動(dòng)[8]。

當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物并移動(dòng)到x軸上的最大或最小位置時(shí)，它將沿障礙物長(zhǎng)度方向沿y軸行進(jìn)一段距離，然后繼續(xù)清潔另一側(cè)的區(qū)域的障礙;當(dāng)遇到的障礙物是位于最遠(yuǎn)處墻壁處時(shí)，y軸達(dá)到最大值、x軸方向未達(dá)到Xmax，這時(shí)前方的紅外傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人就會(huì)繞過(guò)障礙物運(yùn)動(dòng)到y(tǒng)軸方向的最遠(yuǎn)處，清掃之前剩余的區(qū)域;當(dāng)y軸方向和x軸方向同時(shí)達(dá)到最大值即之前邊沿學(xué)習(xí)檢測(cè)到的最大值位置時(shí)，立刻停止檢測(cè)[13-14]。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)是以集成度較高、功能強(qiáng)大的AT89C52型的單片機(jī)作為主控核心進(jìn)行掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，基本原理是利用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)的起始、停止、旋轉(zhuǎn)（逆時(shí)針或順時(shí)針）的進(jìn)行控制來(lái)驅(qū)動(dòng)小車完成既定目標(biāo)，其中也用到了PWM調(diào)速的設(shè)計(jì)。

掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)具備以下亮點(diǎn)：

（1）擁有自主歷遍功能;

（2）設(shè)計(jì)有紅外自動(dòng)避障功能擁有一定的智能化。

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作者簡(jiǎn)介：蘇健（1996—?），男，漢族，黑龍江大慶人，碩士，研究方向：繼續(xù)教育。