唐如龍

基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐如龍

（南華大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，湖南衡陽421001）

隨著智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛。為了提高掃地機(jī)器人的工作效率，本文研究了基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹了清掃機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上了設(shè)計(jì)了掃地機(jī)器人調(diào)速控制系統(tǒng)。

單片機(jī)；掃地機(jī)器人；調(diào)速系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

自進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和不斷發(fā)展，人們逐漸在能實(shí)現(xiàn)控制模式的傳統(tǒng)機(jī)器中添加了處理器，其中應(yīng)運(yùn)而生的控制機(jī)器就包括清掃機(jī)器人[1]。通過這種清掃機(jī)器人的使用，使得人們逐步擺脫繁重和重復(fù)的體力勞動(dòng)，不僅如此，清掃機(jī)器人還具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和相對(duì)較高的智能水平，逐漸被人們所關(guān)注和接受，因此對(duì)清掃機(jī)器人進(jìn)行深入的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)清掃機(jī)器人，在單片機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三輪式結(jié)構(gòu)機(jī)械平臺(tái)，對(duì)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制作，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)硬件控制程序進(jìn)行了編寫，實(shí)現(xiàn)并完善了環(huán)境自動(dòng)清掃功能。不僅如此，本文還基于研究的結(jié)果，開展了路徑規(guī)劃的深入探討，將策略類路徑規(guī)劃算法在清掃過程中使用，使機(jī)器人的清掃效率得到顯著提升。

1 清掃機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從組成結(jié)構(gòu)上來說，清掃機(jī)器人一共包含六個(gè)模塊，分別為機(jī)器人殼體、信息采集、運(yùn)動(dòng)模塊、清掃模塊、決策模塊以及電源模塊。從外觀上來說，清掃機(jī)器人僅有9 cm高，整機(jī)的機(jī)身直徑為35 cm；從機(jī)械本體來說，清掃機(jī)器人的組成部分包括硬質(zhì)塑料外殼、底盤（硬質(zhì)塑料為高強(qiáng)度的）以及單自由度碰撞板。在運(yùn)動(dòng)過程中，要注意清掃機(jī)器人有靈活運(yùn)動(dòng)的需求，在轉(zhuǎn)彎時(shí)要確保不能與周圍物品有刮碰的動(dòng)作，因此，選擇圓形作為清掃機(jī)器人的本體形狀。

移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)方式一般有三種，分別為履帶式、輪式和腿式[2]。其中腿式屬于仿生學(xué)結(jié)構(gòu)的一種，在腿式移動(dòng)機(jī)器人的行進(jìn)過程中，多為離散的落點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，對(duì)于相對(duì)比較復(fù)雜的環(huán)境都能很好的適應(yīng)；履帶式機(jī)器人是在輪子上環(huán)繞一圈環(huán)形履帶，相對(duì)具有較小的對(duì)地壓力，在松軟的地面上也能很好的行進(jìn)，但其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)較不靈活；最常見的清掃機(jī)器人為輪式機(jī)器人，不僅具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，而且移動(dòng)速度相對(duì)較快，同時(shí)還具有控制方便的優(yōu)點(diǎn)。

從工作環(huán)境方面來說，清掃機(jī)器人多在室內(nèi)使用，室內(nèi)一般具有平整的地面以及相對(duì)簡(jiǎn)單的地面環(huán)境，所以大多選擇輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。這種機(jī)器人部件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖1可知，該機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)為三輪式，電機(jī)包括兩個(gè)，分布在左右兩側(cè)，左右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)是由齒輪帶動(dòng)，通過對(duì)其輸入脈沖頻率的調(diào)節(jié)，把不同的速度賦予到驅(qū)動(dòng)輪只上，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)以及后退功能。在清掃機(jī)器人的正前方還添加了起到支撐輔助作用的萬向輪，在左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)過程中，能發(fā)揮出隨動(dòng)性，避免影響到主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)彎。

圖1 清掃機(jī)器人主要部件介紹

采集信息主要是為了對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行感知，達(dá)到避障和測(cè)距的目的。采集信息的實(shí)現(xiàn)方式包括對(duì)行程開關(guān)的碰撞以及紅外距離傳感器的使用，紅外距離傳感器分別安裝在機(jī)器的左邊、右邊以及正前方，對(duì)這三個(gè)方位測(cè)量距離。一般來說，紅外傳感器存在著相鄰漫反射的盲區(qū)，為了彌補(bǔ)這一缺憾，可以把一個(gè)自由度碰撞板安裝在機(jī)器人的前端，同時(shí)把兩個(gè)碰撞行程開關(guān)分別安裝在碰撞板的兩側(cè)[3-6]。那么在行進(jìn)過程中，如果清掃機(jī)器人探測(cè)到有障礙物存在，碰觸行程開關(guān)將開啟，達(dá)到信息采集的目的。

在清掃機(jī)器人中，清掃模塊是執(zhí)行模塊，在一定程度上能影響到機(jī)器人的清掃效果，該模塊由兩個(gè)邊刷組成，分布在該模塊的左右兩側(cè)，此外該模塊還包含有吸塵盒以及一個(gè)吸塵電機(jī)。

2 掃地機(jī)器人調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

面對(duì)目標(biāo)，機(jī)器人首先完成定位操作，通過自動(dòng)調(diào)速功能才能更準(zhǔn)確的到達(dá)指定位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。從電機(jī)本身來說，同步轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)速度，式（1）給出了具體的表達(dá)式：

在上式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及同步轉(zhuǎn)速分別用n和n0來表示，轉(zhuǎn)速差率用s來表示，電機(jī)的頻率從一定程度上決定了電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，式（2）給出了其具體的表達(dá)式：

在上式中，電動(dòng)機(jī)的輸入頻數(shù)以及磁極對(duì)數(shù)分別用f和p表示，與式（1）、（2）相結(jié)合可以得到式（3）：

從上式中可以知道，當(dāng)達(dá)到一定的磁極對(duì)數(shù)時(shí)，電機(jī)的調(diào)速可以通過電機(jī)頻率的改變來實(shí)現(xiàn)，圖2給出了變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

單片機(jī)為變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，電動(dòng)機(jī)的速度可以通過轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)反饋信息實(shí)現(xiàn)變頻控制，并在外圍設(shè)備中顯示具體的速度。該單片機(jī)主要針對(duì)監(jiān)測(cè)速度處理具體的反饋信息，并實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的更新，進(jìn)而完成機(jī)器人速度的閉環(huán)控制，圖3給出了最小系統(tǒng)的電路圖。由圖3可知，電路圖主要包含三個(gè)方面內(nèi)容，分別為晶振電路、下載端口以及復(fù)位電路。前者用于維持機(jī)器人的工作穩(wěn)定性；下載端口用于對(duì)反饋信息數(shù)據(jù)的修改和利用；復(fù)位電路用于實(shí)現(xiàn)實(shí)習(xí)單片機(jī)的復(fù)位。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

STC89C52RC基本結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，這種產(chǎn)品作為位微控制器，不僅性能較高，同時(shí)還具有低能耗的特點(diǎn)，改進(jìn)之后還添加了一些功能，使性能得到提升。

圖4 STC89 C52RC基本結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

一般而言，清掃機(jī)器人具有小巧的結(jié)構(gòu)，同時(shí)還擁有操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)小巧等優(yōu)點(diǎn)，不僅能很好的適應(yīng)環(huán)境，還能達(dá)到一定的智能水平，目前在生活中已經(jīng)得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，清掃機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)還能在收割以及防雷機(jī)器人上應(yīng)用，對(duì)于這些更深入的研究具有一定的指示意義。

[1]簡(jiǎn)毅，張?jiān)?移動(dòng)機(jī)器人全局覆蓋路徑規(guī)劃算法研究進(jìn)展與展望明[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（10）：2844-2849.

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Design of Speed Regulation System of Sweeping Robot Based on MCU

TANG Ru-long
（South China Institute of Innovation and Entrepreneurship，Hengyang Hunan 421001，China）

With the rapid development of intelligent technology，the application of intelligent robot is more and more widely.In order to improve the efficiency of sweeping robot，this paper studied the design of speed control system of sweeping robot based on MCU.Firstly，the structure of cleaning robot system is introduced，and based on this，the speed control system of sweeping robot is designed.

MCU；sweeping robots；speed control system；design

TP242

A

1672-545X（2017）07-0116-03

2017-04-15

唐如龍（1979－），男，湖南衡陽人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事電子技術(shù)理論和工程實(shí)踐教育的研究。