陳 俊，馬芷薔，郭晨陽(yáng)

（1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，安徽蕪湖 241000；2.海軍安慶市職業(yè)技術(shù)學(xué)校，安徽安慶 246016；3.合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系，安徽合肥 230601）

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能掌上設(shè)備技術(shù)的成熟，從多功能集成發(fā)展的角度，提出通過(guò)智能手機(jī)借助無(wú)線wifi實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔機(jī)器人的手控功能.并且，由于清潔機(jī)器人具有每天即便在家中無(wú)人的情況下，定時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)工作數(shù)小時(shí)的規(guī)律（這里無(wú)需實(shí)現(xiàn)24小時(shí)報(bào)警，主要是針對(duì)白天家中無(wú)人時(shí)），通過(guò)它結(jié)合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭溫度、濕度以及煙霧的監(jiān)控，并在有危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)向手機(jī)發(fā)出警報(bào)，從而提升家庭安全保障.

1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

選用P89V51RD單片機(jī)為系統(tǒng)核心，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制時(shí)掃地機(jī)器人的前后左右4個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和停止功能.配備溫濕傳感器SHT75和光電式煙感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行分析.若超出正常值，將通過(guò)無(wú)線wifi向手機(jī)發(fā)出警報(bào).整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架

基于本系統(tǒng)的功能要求和實(shí)用性角度考慮，選擇P89V51RD作為控制系統(tǒng)的核心，由于需要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，所以需要對(duì)小車兩個(gè)后輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用L298N可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)調(diào)速，它具有良好的起動(dòng)性能，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，非常適用于這里的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示.這里，VSS接＋5V為L(zhǎng)298內(nèi)部工作電源，VS接＋12V供給電機(jī)，續(xù)流二極管用于吸收由負(fù)載電感造成的反峰，對(duì)L298進(jìn)行保護(hù)，防止被燒壞.J11，J12可用跳線進(jìn)行選擇性連接，電機(jī)M1可用P1.4或P4.3控制，電機(jī)M2可用P1.3或P4.2控制.

無(wú)線傳輸方面，選擇USR－WIFI232－T串口轉(zhuǎn)wifi模塊，可實(shí)現(xiàn)串口與無(wú)線wifi之間的雙向透明通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，小巧實(shí)用、功耗低，速率可達(dá)150M，一般家庭完全可實(shí)現(xiàn)全覆蓋.對(duì)溫濕度的檢測(cè)方面，選用溫濕傳感器SHT75，包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，在同一芯片上與A/D轉(zhuǎn)換及串行接口無(wú)縫連接，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，穩(wěn)定可靠.煙霧傳感器包括離子式和光電式兩種，離子式煙感器對(duì)熊熊大火較為敏感，而光電式煙感器對(duì)于“悶燒”更為敏感，鑒于本系統(tǒng)主要用于家庭環(huán)境，故這里選擇MQ－2光電式煙霧傳感器.

圖2 L298驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)原理圖

2 小車運(yùn)動(dòng)算法控制

小車在不同的環(huán)境下，無(wú)論是自主運(yùn)行還是手控運(yùn)行，均存在著輪速誤差的問(wèn)題.特別是在運(yùn)動(dòng)速率較高時(shí)，若不加以控制，會(huì)出現(xiàn)跑偏或與定位目標(biāo)距離相差太大的情況.若僅以編碼器對(duì)輪速進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋，實(shí)現(xiàn)反饋控制，對(duì)運(yùn)行算法的要求自然就提高，否則可能會(huì)使車身由于不斷糾錯(cuò)而出現(xiàn)“抖動(dòng)”前行，行進(jìn)效果如圖3a所示.基于此，我們?cè)谛≤囘\(yùn)行過(guò)程中結(jié)合粒子群算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整定.實(shí)現(xiàn)PID輸出適配器由一個(gè)值同時(shí)控制兩邊電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，由pwm輸出值的大小決定輪速，并且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，去除了pwm相對(duì)較小的值，以避免出現(xiàn)由于輸出力矩過(guò)小，小車無(wú)法行進(jìn)的情況.

將PID控制中的參數(shù)（Kp，Ki，Kd）作為PSO中的一個(gè)粒子的位置Xi，將PID控制器的參數(shù)整定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為了三維的PSO算法問(wèn)題，如公式（1）所示.而后，定義一個(gè)性能指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，用于評(píng)價(jià)PSO算法中粒子個(gè)體的適應(yīng)度.

這里，使慣性權(quán)重w自0.5向0.1遞減，從而提高收斂速度.r1和r2是處于0和1之間的隨機(jī)二維向量.c1和c2為自學(xué)習(xí)以及群學(xué)習(xí)因子.在一定采樣時(shí)間內(nèi)，選取足夠多的個(gè)體，用性能指標(biāo)評(píng)估每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度，選定適應(yīng)度大的作為PID控制參數(shù).加入結(jié)合PSO的PID算法后，“抖動(dòng)”問(wèn)題得到順利解決，其行進(jìn)狀態(tài)如圖3b所示.以此方式，盡管工作周邊環(huán)境可能產(chǎn)生變化并帶來(lái)影響，小車也可在最快時(shí)間內(nèi)調(diào)整好參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輪速的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)小車的自適應(yīng)運(yùn)行，提高其穩(wěn)定工作能力.軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示.

圖3 加入PSO＆PID算法前后小車行進(jìn)狀態(tài)對(duì)比圖

3 Android平臺(tái)下的軟件設(shè)計(jì)

Android是一種基于Linux的自由及開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)，主要使用于移動(dòng)設(shè)備，并且逐步擴(kuò)展到電視、數(shù)碼相機(jī)和游戲機(jī)等領(lǐng)域.它是一個(gè)完全開(kāi)放的平臺(tái)，能支持種類極其豐富的多種硬件，為APP開(kāi)發(fā)者提供了寬泛自由的環(huán)境.本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，基于java語(yǔ)言下，運(yùn)用eclipse軟件編程，編輯的界面包括：1個(gè)activity，1個(gè)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行切換的switch，4個(gè)控制上下左右4個(gè)方向的button以及3個(gè)imageview.當(dāng)點(diǎn)擊button時(shí)，觸發(fā)方向控制事件，通過(guò)調(diào)用wifi控件，向已經(jīng)配對(duì)好的設(shè)備發(fā)ASCII碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)清潔機(jī)器人的手動(dòng)控制；相應(yīng)的，在機(jī)器人自主運(yùn)行過(guò)程中，如果設(shè)備傳感器接受到溫度、濕度或煙霧的觸發(fā)信號(hào)，可由單片機(jī)通過(guò)串行口轉(zhuǎn)wifi模塊向手機(jī)報(bào)警，當(dāng)手機(jī)接受到數(shù)據(jù)時(shí)，可以自動(dòng)改變報(bào)警圖標(biāo)的效果.這里有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)，一種是用imagebutton，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)按下圖標(biāo)，使顏色發(fā)生變化，第二種是imageview，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時(shí)，變換圖標(biāo)觸發(fā)imageview模塊，使正常下的白色imageview替換成紅色，這里選用imageview，界面設(shè)計(jì)如圖5所示，包括了軟件進(jìn)入后手動(dòng)與自動(dòng)控制切換的界面.

清潔機(jī)器人上的wifi模塊，是在上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置的，當(dāng)工作地點(diǎn)變更、wifi環(huán)境改變時(shí)，只需借助串口調(diào)試助手，對(duì)wifi和密碼進(jìn)行重新設(shè)置即可，手機(jī)wifi連接方式和平時(shí)連接wifi方式一樣，其他部分都不用做特殊的更改，具有較好的靈活性.

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

這里報(bào)警功能的設(shè)計(jì)是基于清潔機(jī)器人每天工作數(shù)小時(shí)的固定規(guī)律，及其運(yùn)作過(guò)程中對(duì)整個(gè)家庭的相對(duì)較廣的覆蓋面.并且，現(xiàn)在家居中的無(wú)線wifi基本上都是全天工作的，這就為清潔機(jī)器人在家中檢測(cè)到安全問(wèn)題時(shí)向主人的手機(jī)發(fā)出警報(bào)提供了基本途徑的保障.清潔機(jī)器人一般是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，搭配一個(gè)萬(wàn)向輪實(shí)現(xiàn)全方位自由移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎.這里，以自行設(shè)計(jì)的與清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理一樣的小車為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證本方案的實(shí)施效果.小車實(shí)物圖如圖6所示.

圖5 手機(jī)手自動(dòng)切換演示界面

圖6 仿清潔機(jī)器人小車平臺(tái)

4.1 傳感器數(shù)據(jù)處理

SHT75溫度檢測(cè)范圍是－40℃～＋123.8℃，分辨率0.01℃；濕度檢測(cè)范圍是0至100%RH.當(dāng)SHT75檢測(cè)到周邊溫度上升時(shí)，其讀出的溫度值并非實(shí)際環(huán)境溫度，而是傳感器自身加熱后的溫度，且此溫度一般高于環(huán)境5～10℃.SHT75由能隙材料PTAT研發(fā)，正比于絕對(duì)溫度，具備極好的線性.基于此，其溫度輸出轉(zhuǎn)換如公式（2）所示.

這里，T是轉(zhuǎn)換后得到的實(shí)際溫度值，t1和t2為溫度轉(zhuǎn)換系數(shù)，分別取值－40.1和0.01.

居室里比較舒適的相對(duì)濕度應(yīng)控制在40%～50%，當(dāng)濕度高于65%或者低于38%時(shí)，不僅人體會(huì)感到不適，細(xì)菌繁殖加快，且對(duì)家居環(huán)境的各類電器會(huì)產(chǎn)生危害，甚至絕緣故障，所以濕度的控制也需予以重視.相比于溫度的極好線性能力，由于實(shí)際溫度與測(cè)量參考溫度（25℃）會(huì)有明顯差異，故SHT75的相對(duì)濕度輸出呈現(xiàn)一定的非線性，如圖7所示.SHT75的輸出濕度對(duì)溫度依賴性較大，對(duì)電壓基本無(wú)依賴性，故僅需考慮實(shí)際環(huán)境溫度因素對(duì)濕度信號(hào)作溫度補(bǔ)償即可，補(bǔ)償方法如公式（3）所示.Tt為實(shí)際環(huán)境溫度，SDOT為實(shí)際傳感器讀出值.這里主要用于預(yù)警，故在調(diào)試好閾值后，完全可以達(dá)到測(cè)試靈敏度要求.

選用光電式煙霧傳感模塊置于清潔機(jī)器人上，適于檢測(cè)家庭火災(zāi)中易出現(xiàn)的“悶燒”，這里要說(shuō)明的是，家用燃?xì)庖话惆ㄌ烊粴?、城市煤氣和液化石油?大類，這里由于掃地機(jī)器人的工作高度較低，只能針對(duì)氣體密度重于空氣的液化石油氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而相對(duì)較輕的天然氣和煤氣，若需檢測(cè)，可在廚房距離天花板50公分左右位置安裝無(wú)線聯(lián)網(wǎng)煙感器.

只有在清潔機(jī)器人處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，傳感器的監(jiān)測(cè)功能才予以啟動(dòng)，手動(dòng)狀態(tài)下無(wú)需監(jiān)測(cè)功能.在傳感器啟動(dòng)監(jiān)測(cè)功能后，將傳感器的輸出信號(hào)發(fā)送至單片機(jī)處理，預(yù)先設(shè)定好各傳感器閾值，通過(guò)中斷方式進(jìn)行處理對(duì)比.若屬于正常范圍，則不發(fā)送任何信號(hào)，一旦有突破閾值的情況，則根據(jù)中斷類型激活報(bào)警程序，通過(guò)無(wú)線wifi向手機(jī)發(fā)送警報(bào).

圖7 SHT75相對(duì)濕度輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

4.2 實(shí)際測(cè)試

為滿足煙霧傳感器測(cè)試要求，我們選用打火機(jī)為測(cè)試道具.打火機(jī)中的氣體以丁烷為主，重于空氣，適于對(duì)小車傳感器和報(bào)警能力進(jìn)行測(cè)試.先手動(dòng)控制小車至打火機(jī)下方，切換手動(dòng)控制為自動(dòng)運(yùn)行，與此這時(shí)，小車啟動(dòng)傳感檢測(cè)功能，在煙霧傳感器檢測(cè)到丁烷氣體且達(dá)到閾值后，向手機(jī)發(fā)出煙霧報(bào)警；同樣的，將打火機(jī)點(diǎn)燃逐步靠近小車，溫濕度傳感器在檢測(cè)到溫度變化，并達(dá)到閾值后，會(huì)向手機(jī)發(fā)出溫度報(bào)警，手機(jī)測(cè)試效果如圖8所示.

5 結(jié)論

本文嘗試在清潔機(jī)器人的基礎(chǔ)上增添溫濕傳感器和煙霧傳感器，利用清潔機(jī)器人每天規(guī)律化的工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在家中無(wú)人時(shí)的安全監(jiān)控，借助無(wú)線wifi模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)與機(jī)器人之間的雙向通信.經(jīng)過(guò)20次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)氣體源和溫度源位置的不同變換，測(cè)試其警報(bào)靈敏度，成功率達(dá)到90%.結(jié)果表明，此初步設(shè)計(jì)方案可行，實(shí)用潛力較大，在未來(lái)清潔機(jī)器人產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中具有較好的應(yīng)用前景.

［1］ Goldberg K，Gentner S，Sutter C，et al.The mercury project：A feasibility study for internet robots［J］.Robotics ＆Automation Magazine，IEEE，2000，7（1）：35－40.

［2］ Bardella A，Danieletto M，Menegatti E，et al.Autonomous Robot Exploration in Smart Environments Exploiting Wireless Sensors and Visual Features［J］.Annals of Telecommunications Des Tele－communications，2012，67（7－8）：297－311.

［3］ 邱實(shí).服務(wù)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010：17－22.

［4］ 蔣薇.機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的研究與應(yīng)用［D］.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2007：21－22.

［5］ 熊光輝.基于Android平臺(tái)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2012：34－40.

［6］ 張琨.基于Android平臺(tái)的WLAN解決方案［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［7］ 許恩江，李合增，劉金河，等.智能服務(wù)機(jī)器人在家庭安防中的核心技術(shù)初探［J］.兵工自動(dòng)化，2010，29（9）：88－89.

［8］ 陸建飛，趙福臣.基于Internet的機(jī)器人遙操作研究［J］.機(jī)械工程師，2008（8）：119－121.

［9］ 李瑞峰，顧義坤.基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的家用機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2006，28（10）：71－74.

［10］李琴，陳立定，任志剛.基于Android智能手機(jī)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電視技術(shù)，2012，36（7）：134－136.