張 強(qiáng) 陳奕梅

（天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

1 引言

隨著人們生活水平的日益提高，我國人口的老齡化問題也越來越明顯，清潔機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，能夠代替人們進(jìn)行清掃房間、車間、墻壁等一些簡單勞動(dòng)，這些都為人們的日常生活提供了許多方便，使服務(wù)機(jī)器人有了廣闊的市場前景。從技術(shù)方面講，清潔機(jī)器人體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括路徑規(guī)劃、自主避障、信號(hào)處理等。目前市場上的清潔機(jī)器人大多由于通用性差、結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致成本高、操作復(fù)雜，不利于其普及[1]。在研究總結(jié)市場上相對(duì)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于ARM處理器s3c2440A設(shè)計(jì)一款具備自我導(dǎo)航能力的家用清潔機(jī)器人，其具有結(jié)構(gòu)簡單、外形緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、噪音小的特征，并且價(jià)格低，操作方便，還具有可擴(kuò)展接口，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其功能做進(jìn)一步開發(fā)[2]。

2 清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人本體硬件系統(tǒng)如圖 1所示。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：主控制器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、清掃模塊、器模塊、人機(jī)交互模塊、電源及欠壓檢測模塊等，這幾個(gè)模塊在主控制器的控制下，相互協(xié)調(diào)工作，保證了清潔機(jī)器人各種功能的實(shí)現(xiàn)，清理機(jī)器人各模塊間關(guān)系。

3 硬件主體設(shè)計(jì)

3.1 主控制器

清潔機(jī)器人以s3c2440A控制芯片作為控制核心，主要完成以下的任務(wù)：接收各個(gè)傳感器采集的外界環(huán)境信息進(jìn)行綜合規(guī)劃；通過2路PWM信號(hào)控制左右輪的速度和方向，從而控制機(jī)器人的行駛路徑；通過 I/O口信號(hào)控制三極管進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動(dòng)清掃模塊對(duì)地面進(jìn)行清潔；通過多個(gè) I/O口控制 LCD顯示機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，如電池剩余電量、外界環(huán)境溫度等[3]。

3.2 環(huán)境信息采集傳感器

清潔機(jī)器人的環(huán)境信息采集傳感器包括五個(gè)紅外避障傳感器、五個(gè)碰撞傳感器和三個(gè)紅外防跌落傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示，圖中圓代表紅外避障傳感器，長方形代表紅外碰撞傳感器，三角形代表紅外防跌落傳感器。機(jī)器人通過紅外避障傳感器和碰撞傳感器的結(jié)合使用實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人的避障，紅外防跌落傳感器對(duì)機(jī)器人的行駛路徑上可能跌落的區(qū)域進(jìn)行檢測，防止機(jī)器人跌落[4]。

清潔機(jī)器人通過紅外避障傳感器檢測障礙物，通過紅外防跌落傳感器檢測臺(tái)階，但臺(tái)階檢測和障礙物檢測需要選用距離不同的反射式紅外光電開關(guān)。反射式光電開關(guān)是由 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，輸出為低電平信號(hào)，當(dāng)沒有障礙物阻攔時(shí)，光線不能反射回來，輸出為高電平信號(hào)[4]。

本文所設(shè)計(jì)的紅外傳感器如圖 3所示。電路中使用了LM567芯片，它在電路中的作用是選頻，即只有當(dāng)輸入信號(hào)的頻率與電路自身的振蕩頻率一致時(shí)，電路輸出低電平，但是紅外避障傳感器和防跌落傳感器的作用是不同的，當(dāng)紅外避障傳感器輸出低電平時(shí)，清潔機(jī)器人進(jìn)行避障，當(dāng)紅外防跌落傳感器輸出高電平時(shí)，清潔機(jī)器人進(jìn)行防跌落操作。清潔機(jī)器人在行駛過程中由于紅外避障傳感器的局限性是不能完成對(duì)于桌腿、椅腿等較細(xì)的障礙物的檢測的，這時(shí)就需要碰撞傳感器對(duì)其障礙物檢測的缺陷進(jìn)行補(bǔ)足[5]，其與 s3c2440A的連接如圖4所示，圖中只給出一個(gè)碰撞傳感器與s3c2440A的接線圖。當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí)，碰撞開關(guān)閉合，1、3引腳導(dǎo)通，引腳 3輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，機(jī)器人進(jìn)行避障操作。

3.3 驅(qū)動(dòng)及清掃模塊

清潔機(jī)器人在運(yùn)行過程中至少六個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，其中驅(qū)動(dòng)模塊包括兩個(gè)小型直流電機(jī)，清掃模塊包括四個(gè)直流電機(jī)：一個(gè)電機(jī)用于產(chǎn)生真空，兩個(gè)電機(jī)用于控制邊刷，一個(gè)電機(jī)用于控制滾刷。本文將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)控制，主要包括L298N驅(qū)動(dòng)電路和光電編碼器電路，L298N驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

處理器的J5和J6與ENA和ENB相連，產(chǎn)生PWM波控制電機(jī)的速率，管腳D12、C12、E11、F10分別和IN1、IN2、IN3、IN4相連，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向（J5、J6、D12、C12、E11、F10均為ARM的管腳），處理器通過編碼器反饋的脈沖數(shù)量和相位而得到當(dāng)前的電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。清掃模塊控制電路如圖 6所示，由于清掃模塊中的四個(gè)電機(jī)的控制方式相同，所以圖中只給出一個(gè)電機(jī)的控制電路，三級(jí)管導(dǎo)通，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由三極管做開關(guān)驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)F10作為I/O口輸出高電平時(shí)，線圈通電，常開端口閉合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包括 LCD液晶顯示屏、按鍵和紅外遙控模塊?？紤]系統(tǒng)需求，本文選用了SYB12864K-ZK液晶顯示屏，它具有并行/串行兩種接口方式，內(nèi)部含有中文字庫，其顯示分辨率為 128x64，接口方式靈活簡單、方便操作[6]。同時(shí)，采用 4個(gè)獨(dú)立式按鍵作為輸入，分別為設(shè)置鍵、遞增鍵、遞減鍵和確認(rèn)鍵，用于工作時(shí)間和路徑規(guī)劃方式的選擇。本文設(shè)計(jì)的紅外遙控模塊如圖 7所示，該設(shè)計(jì)使機(jī)器人的使用更加方便簡單，發(fā)射距離超過10m，能夠滿足需要。

3.5 電源及欠壓檢測模塊

清潔機(jī)器人的電源消耗主要有清掃模塊、控制電路和驅(qū)動(dòng)電路。綜合考慮各個(gè)方面的因素，本文采用14.4v/3500mA的可充電電池，具體的電路連接如圖8所示，其中VDD作為清掃機(jī)構(gòu)正極，VCC作為控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的正極。

本設(shè)計(jì)采用AX301作為欠壓檢測芯片，其連接電路如圖9所示。當(dāng)電源電壓高于上行閾值60ms后，LBO輸出高電平，當(dāng)電源電壓低于下行閾值后LBO輸出低電平。

4 軟件主體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)基本上可以分成以下幾個(gè)部分的任務(wù)：a.控制機(jī)器人的清掃模塊。當(dāng)清潔機(jī)器人開始或停止工作時(shí)，清掃模塊中四個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)或停止。b.防止機(jī)器人從臺(tái)階跌落。如果機(jī)器人底部的任意一個(gè)紅外防跌落傳感器檢測到臺(tái)階都要強(qiáng)行后退并向右轉(zhuǎn)彎，這部分實(shí)時(shí)性要求高,所以采用中斷來實(shí)現(xiàn)。c.探測機(jī)器人周圍的障礙物情況。當(dāng)機(jī)器人的紅外避障傳感器或碰撞傳感器探測到障礙物時(shí)，傳感器將信號(hào)反饋給 s3c2440A，機(jī)器人初步判斷障礙物的位置，然后采取相應(yīng)的處理。d.控制機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊。s3c2440A通過兩路PWM波和光電編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑規(guī)劃。e.LCD顯示屏和按鍵的設(shè)置。在程序中需要對(duì)LCD顯示屏的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置使之顯示機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，而且按鍵進(jìn)行軟件去抖動(dòng)。g.電源欠壓檢測及充電控制。通過AX301檢測電池電壓，當(dāng)電池電壓低于一定值時(shí)，啟動(dòng)尋找充電站子程序，電池充上電后，監(jiān)測電壓防止過充電。

以上的每個(gè)任務(wù)都對(duì)應(yīng)幾個(gè)子程序或中斷程序，整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程如圖 10所示.其中障礙檢測、按鍵和電壓檢測等都采用了分時(shí)查詢的方式，臺(tái)階檢測和大部分延時(shí)程序采用了中斷的方式。這樣合理利用資源的同時(shí)也提高了機(jī)器人的響應(yīng)時(shí)間當(dāng)定時(shí)時(shí)間到或檢測到臺(tái)階時(shí)，進(jìn)入中斷程序，具體流程如圖10所示。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，控制系統(tǒng)滿具備智能清潔能力，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，抗干擾能力強(qiáng)，性能良好，可以實(shí)現(xiàn)完全遍歷和自主避障等路徑規(guī)劃任務(wù)，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作。

[1] 高學(xué)山,徐殿國.全方位地面移動(dòng)清掃機(jī)器人[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(3):28-33.

[2] 邢敏,蒙梅,劉任平.JP-cleaner型清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2006,(10):55-57.

[3] 王磊,楊杰.全自主清掃機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析與路徑規(guī)劃[J].機(jī)電一體化,2007,(2):70-73.

[4] Yong-Joo,Watanabe-Y.Development of small robot for home floor cleaning[A].SICE 2002.Proceedings of the 4lst SICE Annual Conferenee[C].2002,(5):222-223.

[5] 劉瑜.自主吸塵機(jī)器人的研究[D].杭州:浙江大學(xué), 2006.

[6] 曹建樹,曾林春,靳志杰.室內(nèi)智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子,2009,(6):60-63.