李雪艷

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，北京100042）

0 引言

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，智能機器人的應(yīng)用越來越廣泛，家用電器也逐漸走向智能化，如一些簡單而實用的送料機器人、吸塵器、家居機器人、自動掃地機器人等逐漸出現(xiàn)在人們的家庭生活中。未來智能家居機器人在人們的生產(chǎn)、生活中將起到巨大的作用，它將大大提高人們的勞動效率，改善人們的生活水平。本文設(shè)計的基于單片機技術(shù)的智能掃地機器人集合了單片機、電子信息、控制技術(shù)、計算機、機械、傳感器、人工智能等諸多學科，有機地將吸塵器技術(shù)和移動機器人技術(shù)融合起來，有力地滿足了普通室內(nèi)衛(wèi)生清掃以及危險環(huán)境的清洗工作，是對掃地智能機器人的一個有效嘗試。

1 智能掃地車的總體方案設(shè)計

智能掃地車的主要構(gòu)件有：掃地功能設(shè)計、行走驅(qū)動裝置、清掃裝置、垃圾收集裝置、傳感檢測裝置、爬壁裝置、電源裝置等，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1．1 掃地功能設(shè)計

在智能掃地車的底盤前方，設(shè)計兩個轉(zhuǎn)向相反的都由直流減速電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)掃帚，使兩個掃帚的旋轉(zhuǎn)方向相反且都向內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)，以便于垃圾的收集。

1．2 行走驅(qū)動裝置

智能掃地車的行走驅(qū)動采用的是電機帶動驅(qū)動輪行走的方式。驅(qū)動輪安裝于智能掃地車的底盤后端處，前端裝上轉(zhuǎn)向裝置，驅(qū)動輪和轉(zhuǎn)向裝置在單片機控制下由電機驅(qū)動，來實現(xiàn)平穩(wěn)前進、后退和轉(zhuǎn)向等功能。這種行走驅(qū)動主要是由兩個步進電機和電機驅(qū)動電路組成的。主處理器采用PWM控制方式，通過PWM控制可以方便地實現(xiàn)機器人的前進和左右電機的調(diào)速，可以方便地實現(xiàn)機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、調(diào)頭等功能。

1．3 清掃裝置

在智能掃地車底部安裝吸塵器、軟毛刷、清潔布等清掃裝置，在掃地車行走過程中自動依次進行吸塵、掃地、擦地等工作，收集到的垃圾直接送進垃圾收集裝置中，實現(xiàn)先掃后擦、深度清潔的目的。

1．4 垃圾收集裝置

垃圾收集裝置安裝于智能掃地車底部、緊挨清掃裝置的后方，它內(nèi)部安裝了具有吸塵功能［1］的吸塵風機，吸塵風機可以造成垃圾收集裝置內(nèi)外的氣壓差，該氣壓差可配合及保障前端清掃裝置將垃圾直接送入垃圾收集裝置。

1．5 傳感檢測裝置模塊

傳感檢測模塊包括4個紅外傳感器、4個超聲波傳感模塊［2］和3個循跡傳感模塊，主要功能是用于避障、避懸崖、路徑循跡等等。（1）紅外傳感器。紅外傳感器安裝于智能掃地車的前方，它利用物體的反射性質(zhì)來探測機器人工作環(huán)境中的障礙物以避免碰撞。在一定范圍內(nèi)，如果有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到達傳感器接收頭，反之發(fā)射出去的紅外線，隨著傳播距離的增加而逐漸減弱，最后消失。當傳感器檢測到障礙物信號時，發(fā)送有障礙物信號給單片機處理器，單片機經(jīng)過一系列分析處理，驅(qū)動機器人的驅(qū)動輪來躲避障礙物。（2）超聲波傳感器。根據(jù)超聲波在不同媒質(zhì)的界面處會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，超聲波傳感器可以測得智能掃地車與障礙物的距離信息。單片機采取中斷捕獲的方式，超聲波發(fā)射時，單片機開始計時，當接收到反射波時，停止計時，測得的時間就是超聲波從發(fā)射到返回接收的時間間隔，根據(jù)波的傳輸公式可以計算智能掃地車與障礙物之間的距離。波的傳輸公式：S＝（v×t）／2。其中，S為智能掃地車到障礙物的距離；v為超聲波在空氣中的傳播速度；t為單次單片機從超聲波發(fā)射到碰到障礙物返回并接收所經(jīng)歷的時間。（3）加速度傳感器。加速度傳感器用來測量智能掃地車在行走中的行走加速度和地面的傾斜度，此外，壁懸崖也可以用加速度傳感器來測量。

1．6 爬壁裝置

爬壁裝置安裝于智能掃地車的底部，當掃地車完成高層建筑或高空玻璃作業(yè)時，爬壁裝置開始工作。而進行平地作業(yè)時，掃地行走裝置工作。爬壁裝置由四對曲柄滑塊機構(gòu)組成的強力吸盤組成，吸盤之間用皮帶連接起來，根據(jù)對角線劃分，四對強力吸盤分成兩組，第一組松開后前進，另外一組保持吸附狀態(tài)；同理，第二組松開前進時第一組保持吸附。兩組之間交替進行，實現(xiàn)智能掃地車的整體運動。

1．7 電源裝置

智能掃地車的電源不宜采取拖線的方式，因此必須為掃地車配上蓄電池，方便掃地車四處行動，因此，本系統(tǒng)采用鋰電池來為智能掃地車供電。鋰電池大致可分為兩類：鋰離子電池和鋰金屬電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。本智能掃地車配有雙節(jié)655085鋰電池電池組，兩路輸出，具有熱保護、帶過流保護、過充保護、欠壓保護功能。本智能掃地車除了配有鋰電池以外，還在頂部安裝有太陽能電池板，當智能掃地車不工作時，可以將其放在陽光下照射，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲于蓄電池中，以實現(xiàn)能源的綠色化、環(huán)?；?/p>

2 智能掃地車的電路設(shè)計

2．1 智能掃地車的主體電控設(shè)計

本系統(tǒng)由一個STC89C51 40I－PDIP40單片機、四個紅外傳感模塊、一個超聲波模塊、兩個步進電機、一個L298N驅(qū)動芯片和一個細分器組成。通過單片機給細分器發(fā)送脈沖，細分器可控制步進電機的運動，步進電機為清掃裝置提供工作的動力，同時驅(qū)動智能掃地車向前運動。超聲波模塊和紅外傳感器不斷檢測車前是否存在障礙物，加速度傳感器檢測前方是否有低洼或懸崖，當檢測到障礙物或前方有低洼、懸崖時，傳感器將反饋信號傳送給單片機，從而實現(xiàn)自動避障（避懸崖）［3－7］。

2．2 智能掃地車的驅(qū)動控制設(shè)計

智能掃地車驅(qū)動主要包括電機控制驅(qū)動［8］、紅外傳感器驅(qū)動和系統(tǒng)時鐘程序。（1）電機控制驅(qū)動。智能掃地車上包含有兩個直流電機。它們由L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動，每個電機有M1＋、M1－、M2＋、M2－兩組控制線。當 Mx＋為高電平、Mx－為低電平時，直流電機正向轉(zhuǎn)動（x表示電機的序號）。反之，Mx＋為低電平、Mx－為高電平時，直流電機反向轉(zhuǎn)動。Mx＋與Mx－都為高電平或低電平時，則電機停止運轉(zhuǎn)。直流電機執(zhí)行驅(qū)動任務(wù)時，單片機根據(jù)電機需要正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止給予不同的電平。（2）紅外傳感器驅(qū)動。紅外傳感器的工作原理：實時檢測傳感器前方的障礙物到傳感器的距離，然后輸出一個距離的電壓函數(shù)，驅(qū)動程序完成電壓的測量，然后再經(jīng)一個12位的ADC轉(zhuǎn)化器將電壓信號轉(zhuǎn)化為距離信息。本程序采用三通道連續(xù)的轉(zhuǎn)換方式，三通道分別對應(yīng)前、后、左、右四個傳感器，每間隔1 s執(zhí)行一次。設(shè)置完成后啟動轉(zhuǎn)換，然后等待觸發(fā)中斷。由AD轉(zhuǎn)換結(jié)果均值計算電壓值，參考電壓為3．3 V，AD位數(shù)為12 bit，根據(jù)逐次逼近式AD原理，電壓計算公式為：ADC＿Voltage＝Vfer／2b×ADC＿AvlResualtx（x＝1，2，3）。（3）系統(tǒng)時鐘程序。整個軟件系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)時鐘，它控制所有程序的啟動時機、模式切換節(jié)點及狀態(tài)保持時間等涉及時間判斷的機制。本系統(tǒng)時鐘軟件的時鐘源使用高階定時器TIM1。TIM1是高級控制定時器，它由一個可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動，可以產(chǎn)生輸出波形或測量輸入信號的脈沖寬度。預(yù)分頻器選用RCC時鐘控制預(yù)分頻器和定時器預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)波形周期和脈沖寬度從微秒至毫秒的調(diào)節(jié)。

2．3 電路設(shè)計

智能掃地車的電路設(shè)計中最重要的是循跡避障模塊，小車前方的循跡避障模塊不斷檢測小車正前方是否存在障礙物，當檢測到障礙物時，循跡避障模塊將信號反饋給單片機，單片機發(fā)送驅(qū)動信號驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，步進電機通過正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止帶動驅(qū)動輪做相應(yīng)運動，從而實現(xiàn)小車的避障。小車控制電路圖如圖2所示。

圖2 小車控制電路圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計的智能掃地車，集掃地、擦地、清洗等功能于一體，解決了日常生活中地面上的垃圾問題，且在原行走驅(qū)動模塊中增加了四對強力吸盤裝置，可與四只驅(qū)動輪相互配合，既可在平地行走清掃，也可對垂直地面進行作業(yè)，如擦玻璃等，這樣也可以解決高層住戶玻璃窗臺不好擦洗的難題。同時，小車頂部的太陽能電池板還可在陽光充足時對小車電池進行充電，既節(jié)能又綠色環(huán)保，能使智能掃地車更好地為清潔工做出貢獻。

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