基于一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

引 言

隨著人口的老齡化和社會(huì)福利制度的完善，導(dǎo)致勞動(dòng)力成本的急劇上升，一些簡(jiǎn)單的重復(fù)性的體力勞動(dòng)為服務(wù)機(jī)器人提供了廣闊的市場(chǎng)。清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，可以代替人進(jìn)行清掃房間、車(chē)間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。其具有實(shí)用價(jià)值。室內(nèi)清潔機(jī)器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機(jī)器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測(cè)出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開(kāi)；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測(cè)出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時(shí)要求外形比較緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結(jié)合清潔機(jī)器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 測(cè)控系統(tǒng)及功能

為了使吸塵機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加流暢，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，把吸塵機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)成扁圓柱形的，扁圓形的設(shè)計(jì)可以使其自由進(jìn)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(pán)由三個(gè)輪子共同支撐，左右兩側(cè)的為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，前面的支撐輪為萬(wàn)向輪。機(jī)器人的這種外形和車(chē)輪布局可使其方便地實(shí)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(jī)器人的上方裝有紅外接收裝置；在機(jī)器人的底部邊緣．每隔45°裝有接近傳感器，用來(lái)檢測(cè)臺(tái)階，防止跌落；在機(jī)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(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境。機(jī)器人上裝有電源管理系統(tǒng)，如果電壓過(guò)低會(huì)停止清掃，并且去自動(dòng)充電。

1．1 微控制器

傳統(tǒng)的微處理器如51系列雖然開(kāi)發(fā)周期短，成本低，但其實(shí)時(shí)性不好，難以實(shí)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(jī)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(kāi)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(diǎn)是高性能，低價(jià)格，低功耗，廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機(jī)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(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，其采用3級(jí)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(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出和32個(gè)GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)，滿足了機(jī)器人對(duì)控制器運(yùn)算速度的要求。以LPC2210為核心。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的清潔機(jī)器人車(chē)體系統(tǒng)。

機(jī)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(lái)的數(shù)據(jù)，綜合處理進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃；驅(qū)動(dòng)左右輪前進(jìn)行走，控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu)，完成各種底層控制動(dòng)作；設(shè)計(jì)合適的人機(jī)接口，在LCD上顯示機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模。

這一款超聲波傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：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?？梢园褌鞲衅靼惭b在合適的位置就可以避開(kāi)盲區(qū)；探測(cè)發(fā)散角度為15°，反應(yīng)距離2．5 m以?xún)?nèi)，該課題的檢測(cè)距離為0．5 m。超聲波傳感器的基本原理是測(cè)量從聲波發(fā)射和回到接收器所用的時(shí)間。這一款傳感器的的發(fā)射端口和接收端口是一個(gè)管腳，首先由控制器發(fā)射一個(gè)5μs寬度的高電平脈沖來(lái)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(shí)，管腳的電平被拉低。由信號(hào)端高電平的寬度就可以知道由發(fā)射到返回需要的時(shí)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(shí)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(cè)時(shí)間最多是20 ms，5個(gè)傳感器查詢(xún)完畢，用時(shí)l00 ms，因此兩個(gè)相鄰傳感器采用分時(shí)段進(jìn)行使能，就會(huì)避免相互干擾，而不會(huì)影響機(jī)器人速度。

1．2．2 紅外接近傳感器

反射式光電開(kāi)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(shí)光線能夠反射回來(lái)，輸出為低電平信號(hào)；當(dāng)沒(méi)有障礙物阻攔時(shí)，光線不能反射回來(lái)，輸出為高電平信號(hào)。

吸塵機(jī)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(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過(guò)38 kHz晶振和非門(mén)電路得到一個(gè)38 kHz的調(diào)制脈沖信號(hào)；利用三極管驅(qū)動(dòng)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(guò)接收頭（HS0038B）內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào)，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(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過(guò)對(duì)I／0口的檢測(cè)，便可以判斷物體的有無(wú)。

1．2．3 碰撞開(kāi)關(guān)傳感器

兩個(gè)槽型對(duì)射光電開(kāi)關(guān)均布在機(jī)器人左前和右前辦。如此的布局可以使機(jī)器人感知來(lái)自前方、左前、右前三個(gè)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(jī)器人碰到障礙物時(shí)，彈簧在障礙物的作用下，向內(nèi)壓迫碰撞開(kāi)關(guān)擺臂，促使簧片擋住光電開(kāi)關(guān)的光線，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有障礙物作用時(shí)，簧片在彈簧的作用下恢復(fù)，光電開(kāi)關(guān)的光線沒(méi)有被遮擋，輸出高電平，如圖4所示。

這三個(gè)傳感器中，超聲波傳感器用來(lái)探測(cè)前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個(gè)超聲波傳感器垂直于行走方向放置，用于機(jī)器人的沿邊行走規(guī)劃；設(shè)定機(jī)器人行走時(shí)與墻邊的距離值，調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走方向，使兩個(gè)超聲波與墻邊的距離近似等于設(shè)定值，保持機(jī)器人沿墻行走時(shí)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不會(huì)撞到或者遠(yuǎn)離墻壁。前方兩個(gè)碰撞傳感器和一個(gè)超聲波配合用來(lái)用來(lái)探測(cè)前半部分的環(huán)境；接觸傳感器具有檢測(cè)范圍大、信號(hào)無(wú)需調(diào)理、占用資源少的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)接觸碰撞，檢測(cè)那些未能被超聲波傳感器檢測(cè)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(lái)探測(cè)地面是否有懸崖，在機(jī)器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個(gè)。除了上述三種傳感器以外，在三個(gè)輪子上都裝有一個(gè)常開(kāi)的開(kāi)關(guān)傳感器，當(dāng)輪子懸空的時(shí)候，開(kāi)關(guān)就會(huì)閉合，輸出低電平。當(dāng)輪子懸空時(shí)可以讓機(jī)器人停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)

在小功率系統(tǒng)中，直流電機(jī)線性特性良好，控制性能優(yōu)越，適合于點(diǎn)位和速度控制。為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，只需要改變電機(jī)電源電壓的極性。電壓極性的變化和運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短可以由處理器實(shí)現(xiàn)，而提供直流電機(jī)正常運(yùn)行的電流則需要驅(qū)動(dòng)電路。

H橋式驅(qū)動(dòng)電路是比較常用的驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)兩個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分立器件功率場(chǎng)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(lái)控制電機(jī)，這兩個(gè)管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)輪上帶有編碼器，可以對(duì)行走的路程進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)航位推算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機(jī)器人光電碼盤(pán)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(gè)輪子之間的間距為W，則輪子前進(jìn)的距離為：

設(shè)機(jī)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(shí)刻兩輪的速度；△SLn和△SRn為兩個(gè)主動(dòng)輪從第n次采樣時(shí)刻到第n+1次采樣時(shí)刻之間所行走的距離。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，有著巨大的市場(chǎng)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(jìn)步，價(jià)格也在不斷下降。在此研究和設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM7微處理器的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，不僅滿足了實(shí)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(jí)提供良好的技術(shù)支持。
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