一種新型智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

一種新型智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　0 引 言

　　移動(dòng)機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)器人的主體，決定了清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式結(jié)構(gòu)。傳感器系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構(gòu)成多傳感器系統(tǒng)。隨著近年來(lái)控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵系統(tǒng)在原理上與傳統(tǒng)立式吸塵器相同，主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更多考慮結(jié)構(gòu)尺寸、集成度以及一些輔助機(jī)構(gòu)的合理布置和利用，以此來(lái)提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終目標(biāo)是通過軟硬件的合理設(shè)計(jì)，使智能清潔機(jī)器人能夠自動(dòng)避開障礙物，實(shí)現(xiàn)一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。

　　1 測(cè)控系統(tǒng)組成及功能

　　智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)主要包括控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。其原理如圖1所示?；谇鍧崣C(jī)器人自身體積盡可能小的原則，本設(shè)計(jì)將控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)及相關(guān)電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開來(lái)。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統(tǒng)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送控制器；采用8位單片機(jī)SST89E554RC作為控制器，控制器對(duì)傳感器信號(hào)加以判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，選定相應(yīng)的控制策略，并控制語(yǔ)音系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；在相應(yīng)的控制策略下，通過專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)避障功能；同時(shí)，控制器控制小型雙風(fēng)機(jī)真空吸塵系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的清掃。

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圖1 系統(tǒng)原理

　　該新型智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，該平臺(tái)為圓形結(jié)構(gòu)，兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具備完整的吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等功能模塊。最終將在該平臺(tái)上對(duì)本文所介紹的測(cè)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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圖2 智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

　　2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 CPU控制模塊

　　CPU采用美國(guó)SST公司制造的8位單片機(jī)SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051器件管腳對(duì)管腳兼容。片內(nèi)擁有1 kB字節(jié)RAM空間，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位I/O端口，擁有可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA),可提供5路256級(jí)PWM調(diào)速，可通過全雙工增強(qiáng)型串口實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。

　　依據(jù)SST89E554RC單片機(jī)的引腳特性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)P1口輸出，左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)占用P1.1～P1.6共6個(gè)端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調(diào)速信號(hào)輸出端口使用)，吸塵風(fēng)機(jī)和起塵電機(jī)分別占用P1.0和P1.7口；紅外反射式傳感器和接觸傳感器檢測(cè)信號(hào)分別送給 P2口的P2.0～P2.7共8個(gè)端口；超聲波接收器信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個(gè)觸摸式選擇屏的觸摸信號(hào)經(jīng)處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

　　2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

　　直流電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是推挽式功率放大專用集成電路器件，直流驅(qū)動(dòng)電流總和可達(dá)4A，其內(nèi)部具有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調(diào)速功能。在控制電路中，考慮到單片機(jī)會(huì)受到驅(qū)動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅(qū)動(dòng)部分在電氣上隔離開來(lái)。采用8個(gè)1N5822高速大電流肖特基二極管組成續(xù)流保護(hù)電路，消除電機(jī)在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)P1口輸出的控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，控制電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，只需改變PWM波(本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)速。

　　2.3 障礙物檢測(cè)模塊

　　2.3.1 超聲波檢瀏部分

　　超聲波是一種一定頻率范圍的聲波，頻率為40kHz的超聲波信號(hào)在空氣中的傳播效率最佳。本文選用中心頻率40kHz，測(cè)距范圍在5m以內(nèi)的普通超聲波傳感器。傳感器發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機(jī)器人正前方，系統(tǒng)工作時(shí)，通過匯編程序由P3.7口產(chǎn)生精確的40kHz發(fā)射脈沖，每隔25ms發(fā)射一組脈沖，每組的脈沖個(gè)數(shù)取6～10個(gè)，以保證發(fā)射波具備良好的傳播性和反射性。發(fā)射波遇到障礙物反射回來(lái)，被接收器接收，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)脈沖，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機(jī)外部中斷口INT1，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，進(jìn)入中斷處理程序，獲取從發(fā)射波發(fā)出到收到反射波時(shí)的時(shí)間間隔即測(cè)距時(shí)間，由此即可根據(jù)超聲波測(cè)距原理計(jì)算出障礙物的距離。主程序中設(shè)定機(jī)器人行走過程中距離障礙物的最小距離，當(dāng)被測(cè)距離小于最小距離時(shí)，控制器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出避障指令，避開障礙物。本設(shè)計(jì)中利用軟件延時(shí)去除串?dāng)_帶來(lái)的誤操作，即在發(fā)射波發(fā)出一段時(shí)間后，再打開外部中斷，避免發(fā)射波不經(jīng)反射就直接被接收器接收而引起假中斷。

　　2.3.2 紅外反射式傳感器檢測(cè)模塊

　　該模塊用于主動(dòng)探測(cè)機(jī)器人周邊障礙物和地面落差。選用JY043W型紅外反射式傳感器，該型傳感器調(diào)理電路簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試方便，每一路的檢測(cè)距離可以達(dá)到 7cm，滿足本文設(shè)計(jì)的需要。該部分由6路檢測(cè)單元組成，其中在機(jī)器人左前方和右前方各安裝2路，配合超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)周邊障礙物的檢測(cè)。另2路分別安裝在機(jī)器人前端左下方和右下方，探頭距離地面4cm，用于檢測(cè)地面是否有臺(tái)階等落差，防止機(jī)器人跌落。紅外反射式傳感器具體工作過程為，發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，發(fā)射管發(fā)出紅外信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)，接收管接收到反射信號(hào)后導(dǎo)通，則信號(hào)處理電路的輸出端變?yōu)榈碗娖?，該低電平直接送入控制器P2的一個(gè)端口，當(dāng)控制器檢測(cè)到這個(gè)端口的低電平變化時(shí)則表明該方位發(fā)現(xiàn)障礙物。

　　2.3.3 接觸傳感器檢剛模塊

　　接觸傳感器具有檢測(cè)范圍大、信號(hào)無(wú)需調(diào)理、占用控制器資源少等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文選擇小型接觸開關(guān)作為接觸傳感器，安裝在機(jī)器人前端的緩沖器上，作用在于通過輕微的碰撞接觸，檢測(cè)那些未能被超聲波傳感器和紅外反射式傳感器檢測(cè)到桿狀或微小障礙物，如座椅腿等。

　　3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 傳感器信息處理

　　當(dāng)各路傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，控制器必須獲得障礙物的準(zhǔn)確信息后，才能發(fā)出正確的避障指令。為了獲得有效信息，程序代碼中為每一路檢測(cè)信息都設(shè)定一個(gè)標(biāo)志位，主程序不斷檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志位的值的有效性，以此作為障礙物方位信息。對(duì)于不同的傳感器，其信息判斷標(biāo)志位有效值也可能不同。在本文所提到的3種傳感器中，超聲波傳感器的信號(hào)處理程序最為復(fù)雜，其流程如圖3所示。

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圖3 超聲波傳感器信號(hào)處理程序流程

　　3.2 驅(qū)動(dòng)控制

　　驅(qū)動(dòng)控制模塊是智能清潔機(jī)器人自主行為的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)傳感器信息判斷當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，對(duì)不同的障礙物信息，控制器將調(diào)用不同的避障策略，策略與驅(qū)動(dòng)控制的動(dòng)作組合指令相對(duì)應(yīng)，通過左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作的有效協(xié)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等自主動(dòng)作。單部電機(jī)的控制信號(hào)與電機(jī)動(dòng)作之間的關(guān)系如表1所示，其中 P1.1和P1.2為電機(jī)方向控制信號(hào)端口，P1.3為PWM波調(diào)速端口，需要減速時(shí)只需要降低PWM波的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)速。

表1 控制信號(hào)與電機(jī)動(dòng)作關(guān)系

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　　3.3 避障算法描述

　　根據(jù)模糊控制思想并結(jié)合實(shí)際行走試驗(yàn)設(shè)計(jì)避障算法。以傳感器系統(tǒng)9路傳感器的檢測(cè)距離和障礙物所在的方位為模糊控制輸入量，以驅(qū)動(dòng)輪的前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)和后退動(dòng)作為模糊控制輸出量。超聲波傳感器檢測(cè)最小距離設(shè)定為15cm，距離遠(yuǎn)；紅外傳感器檢測(cè)距離為7cm，距離適中；接觸傳感器是在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙物，因此檢測(cè)距離最近。據(jù)此設(shè)距離信號(hào)(記作：D)的模糊語(yǔ)言集合為：

　　D＝{近，中，遠(yuǎn)}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，記作：

　　ND＝近，MD＝中，LD＝遠(yuǎn)

　　以各路傳感器在機(jī)器人上的安裝位置作為障礙物所在方位(記作：A)。超聲波傳感器安裝在正前方，在其左右兩邊依次是接觸傳感器、下方紅外傳感器和周邊紅外傳感器。則設(shè)方位信號(hào)的模糊語(yǔ)言集合為：
??
A＝{最左，較左，左，左下，中，右下，右，較右，最右}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，記作：
???
BL＝最左，ML＝較左，L＝左，LD＝左下，M＝中，R＝右，RD＝右下，MR＝較右，BR＝最右

　　設(shè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)作集合為：
???
{右轉(zhuǎn)，稍微右轉(zhuǎn)，后退，減速，前進(jìn)，稍微左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)}

　　設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量，記作：
???
TR＝右轉(zhuǎn)，TRL＝稍微右轉(zhuǎn)，GB＝后退，SD＝減速，GA＝前進(jìn)，TLL＝稍微左轉(zhuǎn)，TL＝左轉(zhuǎn)

　　對(duì)于清潔機(jī)器人來(lái)說，在避障的同時(shí)，還要能夠?qū)η鍧崊^(qū)域進(jìn)行遍歷。在保證避障和遍歷的前提下，為了減少控制器的計(jì)算量并避免程序復(fù)雜化，本文采用逐一查詢方式獲得模糊控制量之一障礙物方位，根據(jù)障礙物方位即可獲得另一輸入量即機(jī)器人與障礙物間的距離。容易理解，采用逐一查詢方法意味著控制器獲得的障礙物信息來(lái)自于最先被傳感器系統(tǒng)檢測(cè)到的障礙物，而且控制器將根據(jù)最先獲得的障礙物信息來(lái)調(diào)用相應(yīng)的避障策略。因此，當(dāng)有2個(gè)或2個(gè)以上方位有障礙物時(shí)，執(zhí)行避障策略時(shí)機(jī)器人有可能與障礙物發(fā)生碰撞。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)左邊的最左、較左方位和右邊的最右、較右方位都有一個(gè)或2個(gè)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，才有可能導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞。為了避免這種情況發(fā)生，將機(jī)器人左右兩邊都發(fā)現(xiàn)障礙物的情況也作為一個(gè)障礙物方位變量，不論機(jī)器人左右2邊是同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)還是2個(gè)障礙物，都僅設(shè)其模糊語(yǔ)言為左右，設(shè)定相應(yīng)的語(yǔ)言變量為L(zhǎng)R。根據(jù)有利于避碰的原則，將障礙物方位信息的查詢順序確定為：

?LD，RD，LR，M，BL，BR，ML，MR，L，R(左下，右下，左右，中，最左，最右，較左，較右，左，右)

?　　從機(jī)器人有效避障并保證盡量少的重復(fù)先前行走軌跡的角度出發(fā)，當(dāng)確定了障礙物的方位和機(jī)器人離障礙物的距離后，我們希望模糊控制的輸出量不僅僅是機(jī)器人動(dòng)作集合中某一種動(dòng)作，而是集合里某幾種動(dòng)作的合理組合。因此，針對(duì)不同方位的障礙物信息，對(duì)機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)作集合的7種動(dòng)作 (TR，TRL，GB，SD，GA，TLL，TL)進(jìn)行合理組合，即得到相應(yīng)的合成輸出量，記作Fi(i＝1，2，3…)。根據(jù)前述方法，最終可歸納出 10種控制規(guī)則，即避障策略，如表2所示。

表2 控制規(guī)則表

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　　按照障礙物方位信息的查詢順序，其形式是：
??
if(Ai and D)then Fi

　　i＝1，2，3…10

　　按照此種方法，在不影響機(jī)器人有效避障和相關(guān)功能的情況下，有效避障的控制規(guī)則大大減少，使避障算法簡(jiǎn)單化。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在一間約10m2的房間中進(jìn)行，在房間中隨機(jī)擺放幾件日常物品作為障礙物，將通過智能清潔機(jī)器人的行走實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文所述的智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中，智能清潔機(jī)器人始終保持直線行走，遇到障礙物時(shí)，根據(jù)障礙物信息選擇合適的避障策略避開障礙物，然后繼續(xù)保持直線行走，直到遇到下一個(gè)障礙物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)工作可靠，避障算法有效可行，智能清潔機(jī)器人能夠自動(dòng)回避障礙物，可以在無(wú)人情況下自主工作，能夠?qū)崿F(xiàn)家居環(huán)境下的智能化清掃。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　在智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的進(jìn)一步研究中，設(shè)計(jì)信息量更加豐富的檢測(cè)系統(tǒng)，探討非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下機(jī)器人的導(dǎo)航和自主定位技術(shù)，尋找更加有效的路徑規(guī)劃和避障算法，將是研究的方向和重點(diǎn)。