【摘要】智能吸塵器能夠在陌生復(fù)雜環(huán)境中完成全方位無(wú)死角清掃，完全依賴于多種傳感器合理布局的相互配合。本文介紹了幾種由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的布局方案及其對(duì)應(yīng)避障行走策略。

【關(guān)鍵詞】吸塵器;智能;傳感器;避障

Abstract：intelligent cleaner can in a strange environment to complete the complex full range and no dead corner cleaning，cooperate fully dependent on the rational distribution of a plurality of sensor.This paper introduces several by the layout scheme of simple to complex and its corresponding avoidance running strategy.

Keywords：cleane;intelligent;sensor;obstacle avoidance

1.引言

智能吸塵器是一種無(wú)需人為干預(yù)即可完成對(duì)所處環(huán)境的偵測(cè)并完成預(yù)定清掃任務(wù)的全智能家用電器，由于其優(yōu)良的工作性能兒獲得了廣大消費(fèi)者的青睞和關(guān)注，但目前的智能吸塵器仍存在諸如覆蓋率不高、避障能力有限、價(jià)格持續(xù)居高不下等亟待完善解決的問題，針對(duì)該問題下文提出了幾種可供參考的設(shè)計(jì)方案。

2.智能吸塵器的總體設(shè)計(jì)方案

智能吸塵器自啟動(dòng)后，傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)交由微處理器MCU進(jìn)行綜合分析判斷，再根據(jù)分析結(jié)果驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)，完成吸塵器自身姿態(tài)的校正任務(wù)。本文由于采用了多種不同類型的傳感器，所占用的單片機(jī)片上資源也各不相同，為了很好的完成不同方案下的任務(wù)，我們采用了STC89C52和MC9S12兩種單片機(jī);吸塵器的機(jī)身采用了兩驅(qū)一輔的圓盤設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)可以很好的保障機(jī)器行走的靈活性，減小自身的摩擦阻力;吸塵器的外盒及其支撐材料均由鋁合金和ABS工程塑料構(gòu)成，可大大降低機(jī)器的重量;內(nèi)置了陀螺儀、超聲波傳感器、紅外傳感器、接近開關(guān)、電子羅盤等模塊，可用于采集機(jī)器的各種運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)的修正自身的運(yùn)動(dòng)軌跡，充分保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。圖1是對(duì)智能吸塵器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單邏輯描述。

圖1 智能吸塵器整體布局

3.傳感器設(shè)計(jì)方案

3.1 紅外傳感器

紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為信息傳播介質(zhì)的測(cè)量感知系統(tǒng)，采用發(fā)射固定波長(zhǎng)的紅外線并接收同一波長(zhǎng)的回波信號(hào)。常見傳感器有紅外對(duì)管等。有點(diǎn)：原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，探測(cè)角度小，方向性強(qiáng)，靈敏度較高;缺點(diǎn)：容易受到光照強(qiáng)度、灰塵、霧霾等因素影響，所以，綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)分析，其單獨(dú)使用往往不能很好的滿足我們的控制精度。

3.2 超聲波探測(cè)傳感器

超聲波是一種震動(dòng)頻率高于常見聲波的機(jī)械波，其聲波范圍大于16KHZ以上。超聲波傳感器通常有壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、金屬網(wǎng)格組成，換能網(wǎng)片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。超聲波傳感器要比紅外傳感器擁有交由的環(huán)境適應(yīng)性，在各種惡略環(huán)境中，依然可以免受影響，順利完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。與紅外傳感器搭配使用則可以較好地解決常見避障問題。其優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)為：穿透能力強(qiáng)，靈敏系數(shù)高，可對(duì)障礙物進(jìn)行測(cè)距處理;缺點(diǎn)依然是紅外類似，無(wú)法較好辨別障礙物的物理特性。

測(cè)距工作就是依據(jù)其良好的方向性和單向反射性來(lái)完成的，從由單片機(jī)控制發(fā)出聲波開始計(jì)時(shí)，波形遇到障礙后反射被傳感器的接收裝置所接收，停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)時(shí)間為T1，由聲波在空氣中傳播速度公式即可把距離計(jì)算出來(lái)，具體計(jì)算公式為D=340T/2=KT（K值由于常常受到電子電路、晶振頻率和單片機(jī)相應(yīng)速度的影響而常常在165-175之間變動(dòng)，具體實(shí)際數(shù)據(jù)需要實(shí)驗(yàn)測(cè)得）。

3.3 接觸開關(guān)

接觸開關(guān)是一種靜態(tài)被動(dòng)式傳感器，當(dāng)物體接近接觸開關(guān)的動(dòng)作距離時(shí)，不需要發(fā)生接觸式的機(jī)械形變就可以使裝置可靠動(dòng)作，從而為單片機(jī)提供一個(gè)的穩(wěn)定的數(shù)字量。將接觸開關(guān)安置在車體的適當(dāng)位置即可大體采集到周圍環(huán)境障礙物的大小尺寸，選擇出一條最優(yōu)的避障路徑。

3.4 陀螺儀

陀螺儀簡(jiǎn)單來(lái)說就是一個(gè)可以精確控制裝置的運(yùn)動(dòng)角度的電子器件，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向不受外力影響，不會(huì)發(fā)生改變，利用陀螺儀這一特性就可以精準(zhǔn)控制吸塵器的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3.5 電子羅盤

三維電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器、和MCU構(gòu)成。三維磁阻傳感器用來(lái)測(cè)量地球磁場(chǎng)，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。

4.傳感器布局探索與避障算法

4.1 沿邊行走算法

將超聲波傳感器至于車體右側(cè)中央位置，控制超聲波傳感器的測(cè)量值，比較測(cè)量值與設(shè)定值，當(dāng)設(shè)定值與測(cè)量值不一致產(chǎn)生偏差時(shí)，微處理器做出相應(yīng)的判斷處理，并變成測(cè)試其靠右貼墻行走效果。由實(shí)驗(yàn)效果得出當(dāng)PWM值輸出較小時(shí)，可保持直行一段距離后迅速偏離原先運(yùn)動(dòng)軌跡。

為了更好的解決上述問題，我們大膽提出了增加紅外輔助傳感器和改進(jìn)調(diào)用超聲波返回的測(cè)量值的具體算法的兩種改進(jìn)措施。

圖2 沿邊算法示意圖

該方案采用了三支紅外傳感器的設(shè)計(jì)，安裝前調(diào)整紅外傳感器的靈敏距離，將2、3調(diào)整到同一靈敏距離，單純的沿邊僅有2，3傳感器即可實(shí)現(xiàn)，而傳感器1則是為了保持一個(gè)適當(dāng)?shù)膲啵Ｕ宪圀w和障礙物的安全距離，以減輕重復(fù)碰撞對(duì)車體和障礙物的損傷程度。

通過對(duì)傳感器采集到的不同信號(hào)來(lái)調(diào)整車體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。如若傳感器2采集信號(hào)由無(wú)障礙的高電平“1”變?yōu)榈碗娖健?”時(shí)，此時(shí)前部右傾，單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，及時(shí)向左調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，從而保持靠墻前行;同理車體后部左傾;在缺少紅外1傳感器的情況下，由于車體慣性，在調(diào)姿過程中不斷的與障礙物發(fā)生碰撞，故在車體右側(cè)中央位置安裝紅外1傳感器，傳感器1的靈敏具體設(shè)置為1-2cm，常態(tài)設(shè)置為無(wú)障礙，當(dāng)車體距離障礙物過近時(shí)，單片機(jī)可以及時(shí)做出向左調(diào)整處理。

圖3 彎道處理示意圖

當(dāng)遇到上圖這樣的拐角處時(shí)，上述設(shè)計(jì)便無(wú)法正常識(shí)別。此時(shí)，可把中央右側(cè)的紅外傳感器替代成超聲波傳感器，超聲波傳感器可對(duì)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量;當(dāng)具體大于設(shè)定值時(shí)，車體大右轉(zhuǎn)。

4.2 全局行走規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.2.1 隨機(jī)遍歷行走

隨機(jī)遍歷行走策略，即當(dāng)傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，由單片機(jī)控制車體隨機(jī)轉(zhuǎn)過一定角度，避開障礙物，繼續(xù)前行。該算法僅需在車體前后分別安裝兩個(gè)紅外傳感器即可，硬件配置、算法設(shè)計(jì)均較為簡(jiǎn)單如圖4所示。當(dāng)室內(nèi)障礙物較少時(shí)，單次清掃可以覆蓋50%--60%，理論上當(dāng)時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)，可以整體全面積覆蓋，但由于此法所用配置簡(jiǎn)單，在較為復(fù)雜環(huán)境中可能會(huì)陷入無(wú)限死循環(huán)當(dāng)中，無(wú)法退出障礙區(qū)域。

圖4 隨機(jī)遍歷行走示意圖

4.2.2 外螺旋遍歷算法

圖5 外螺旋遍歷算法示意圖

外螺旋遍歷算法，即機(jī)器在開始工作以后，以一定的角速度做半徑不斷擴(kuò)大的外旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器沒有遇到障礙時(shí)可以無(wú)休止的做外旋運(yùn)動(dòng)，這種方法在空曠的房間內(nèi)時(shí)，重復(fù)率低，覆蓋面高，效率較好;當(dāng)傳感器在機(jī)器旋轉(zhuǎn)過程中，檢測(cè)到前方障礙物時(shí)，隨機(jī)轉(zhuǎn)過一個(gè)角度，避開障礙物后繼續(xù)以外旋方式清掃室內(nèi)地面，此時(shí)機(jī)器的重復(fù)率升高，較難保證清掃效率，且死角處無(wú)法清理。

4.2.3 往復(fù)式遍歷算法

圖6 往復(fù)式遍歷算法

往復(fù)式遍歷算法，如圖6即機(jī)器先縱向遍歷后再進(jìn)行橫向遍歷的算法，理論上從上一條軌跡的尾端到下一條軌跡的始端所轉(zhuǎn)過的角度為5度到10度。機(jī)器直線行走，遇到障礙物就轉(zhuǎn)彎掉頭繼續(xù)沿相反方向前行，該算法有一定的重復(fù)率，有一定的清掃盲區(qū)，且需要借助陀螺儀實(shí)時(shí)讀取機(jī)器離直線位置的偏移量，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。

5.總結(jié)與展望

本文對(duì)智能吸塵器提出了幾種不同的路徑規(guī)劃方案，并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)作了大量實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。找出了主要影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，同時(shí)對(duì)不同環(huán)境中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn)，為盲區(qū)的清理工作提供了可靠數(shù)據(jù)依據(jù);下一步，我們將融合更多不同種類的傳感器，來(lái)滿足對(duì)房間所有障礙物的探測(cè)，從而更好的實(shí)現(xiàn)避障功能。

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作者簡(jiǎn)介：段霖（1991—），山西忻州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于臨沂大學(xué)汽車學(xué)院，2012年獲全國(guó)電子大賽山東賽區(qū)二等獎(jiǎng)。

通訊作者：王春梅（1979—），山東臨沂人，碩士，講師，電子大賽指導(dǎo)教師，主要研究方向：電子信息、信號(hào)與信息處理。