南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 傅忠云 劉子豪 姚翼榮

引言

掃地機(jī)器人在家庭及服務(wù)類公共場(chǎng)所的不斷普及應(yīng)用，降低了人類的工作強(qiáng)度，提高了工作效率，成為了近年來的研究熱點(diǎn)問題之一。從技術(shù)角度分析，掃地機(jī)器人是移動(dòng)類機(jī)器人的基礎(chǔ)應(yīng)用，包含了障礙躲避，速度控制，原地轉(zhuǎn)向及路徑規(guī)劃等多項(xiàng)技術(shù)，因此掃地機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

路徑規(guī)劃算法是掃地機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)中的核心，也是決定掃地機(jī)器人售價(jià)的關(guān)鍵因素，路徑規(guī)劃算法的優(yōu)劣直接決定了工作效率的高低，但是路徑規(guī)劃的優(yōu)劣和傳感器數(shù)量以及位置有直接關(guān)系，對(duì)于成本的依賴相當(dāng)高，本設(shè)計(jì)提出了一種低成本，相對(duì)簡(jiǎn)單可靠的路徑規(guī)劃方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

硬件方面主要是針對(duì)實(shí)地環(huán)境、機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要介紹本系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)框架，各硬件模塊的選型及系統(tǒng)總體硬件原理圖等，給出了一個(gè)相對(duì)可行的低成本硬件設(shè)計(jì)方案。

1.1 整體框架設(shè)計(jì)

掃地機(jī)器人的整體框架如圖1.1所示，系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)模塊，檢測(cè)模塊，掃地模塊和主控模塊。掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要考慮的硬件主要包括機(jī)械設(shè)計(jì)需求和電路設(shè)計(jì)需求，機(jī)械設(shè)計(jì)主要考慮的問題在于如何保持機(jī)器人的平衡以及驅(qū)動(dòng)行走的方式，盡可能的做到原地轉(zhuǎn)彎，而電路的設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)的傳輸以及驅(qū)動(dòng)電流電壓等能否符合設(shè)計(jì)要求，在保證符合要求的情況下選擇低成本器件完成設(shè)計(jì)。

圖1.1 掃地機(jī)器人整體框架圖

1.2 主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比相對(duì)較高STM32F-103C8T6為系統(tǒng)中央處理單元，由該芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)板外擴(kuò)一個(gè)8M的晶振，有20個(gè)擴(kuò)展口，同時(shí)配有LM1117-3.3V可以對(duì)電源電壓進(jìn)行降壓處理，保證其穩(wěn)定運(yùn)行，外擴(kuò)USB下載系統(tǒng)方便調(diào)試下載和電源輸出，非常適合本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求。

圖1.2 系統(tǒng)整體硬件原理圖

1.3 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊為掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)需考慮的首要問題，其設(shè)計(jì)主要考慮問題在于電路電流電壓能否滿足要求，以及直角轉(zhuǎn)彎等設(shè)計(jì)要求。

為提高掃地機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)彎效果，本設(shè)計(jì)以左右驅(qū)動(dòng)輪的相反驅(qū)動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，以達(dá)到最小體積轉(zhuǎn)彎，并且轉(zhuǎn)彎角度任意，轉(zhuǎn)彎半徑極低，方便靈巧，適合室內(nèi)等狹窄地方使用。有了驅(qū)動(dòng)方面的基本設(shè)計(jì)后，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的電流比較大，普通的信號(hào)不能很好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)甚至?xí)斐呻娐钒l(fā)生故障，還需要對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用較為新式的驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG，與L298N相比，此模塊具有體積小、效率高、性價(jià)比高及易控制等特點(diǎn)。

1.4 掃地模塊設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)資金有限，對(duì)于掃地系統(tǒng)無法深入研究探討，在此僅提供一種相對(duì)建議的設(shè)計(jì)方案，但是掃地效果相對(duì)有限。在本設(shè)計(jì)中掃地系統(tǒng)由一個(gè)微型吸塵器和兩個(gè)毛刷組成，吸塵器是由得力18880配合繼電器改裝而來，掃地機(jī)器人的毛刷使用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

1.5 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

掃地機(jī)器人的傳感器系統(tǒng)的好壞直接決定掃地機(jī)器人的成本和效果，一套優(yōu)秀的傳感器系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地進(jìn)行機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和所處環(huán)境等信息監(jiān)測(cè)。

1.5.1 紅外傳感器模塊

通過檢測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信息和內(nèi)部信息的獲取，其中獲取外部信息主要采用紅外傳感器。本設(shè)計(jì)采用6個(gè)相同的紅外傳感器模塊以獲取相關(guān)外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)避障功能。

1.5.2 MPU6050模塊

本系統(tǒng)選用了3軸加速度慣性傳感器模塊MPU6050，利用此模塊可以獲取機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，運(yùn)行速度等相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)信息。

1.6 整體硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)整體方案及各功能模塊硬件選型，繪制出了本設(shè)計(jì)的整體硬件原理圖，如圖1.2所示。

進(jìn)行系統(tǒng)整合后所搭建的硬件實(shí)物圖如圖1.3所示。

圖1.3 整機(jī)硬件實(shí)物圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求分析可知，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包含利用MPU6050傳感器獲取轉(zhuǎn)動(dòng)角度、路徑規(guī)劃算法及電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案等。

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)角度的獲取

由于系統(tǒng)對(duì)于角度的精度要求不高，故使用MPU6050內(nèi)部的硬件數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器(DMP)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)角度的直接獲取，且本系統(tǒng)只需要獲取其中一個(gè)軸向的角度值即可。MPU6050角度值的獲取和配置軟件流程圖如圖2.1所示。

圖2.1 MPU6050角度獲取軟件流程圖

2.2 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃是機(jī)器人移動(dòng)的核心技術(shù)，應(yīng)用場(chǎng)景廣闊，方法繁多，其核心思路是根據(jù)所給地圖，利用計(jì)算機(jī)算法規(guī)劃?rùn)C(jī)器人移動(dòng)路徑。路徑規(guī)劃的算法主要包括傳統(tǒng)算法，圖形學(xué)算法和智能仿生學(xué)算法，而在掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法中常用的是隨機(jī)路徑算法和柵格法。

隨機(jī)路徑算法具有設(shè)備成本低，易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，其核心思路在于每次遇到障礙物后，由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成一個(gè)轉(zhuǎn)彎角度，以保證每次轉(zhuǎn)彎位置不同。該算法對(duì)于簡(jiǎn)單地形規(guī)劃則相對(duì)穩(wěn)定，但是該路徑規(guī)劃方案效率較低，且無法完成復(fù)雜地形的路徑規(guī)劃。

在路徑規(guī)劃的算法中常采用的是柵格法，即將地圖劃分為柵格，對(duì)每一個(gè)柵格進(jìn)行遍歷以達(dá)到全覆蓋的路勁規(guī)劃。柵格的大小決定其路徑規(guī)劃的復(fù)雜程度和效果的好壞。在本設(shè)計(jì)中由于資金有限，無法準(zhǔn)確獲取地圖信息構(gòu)建地圖模型，對(duì)此本設(shè)計(jì)提出了一種簡(jiǎn)單路徑規(guī)劃——蛇形路徑規(guī)劃方案，對(duì)該方案進(jìn)行了初步探討和簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，并給出實(shí)現(xiàn)結(jié)果。如圖2.2本設(shè)計(jì)蛇形路徑規(guī)劃細(xì)分為五個(gè)狀態(tài)并將每個(gè)狀態(tài)細(xì)分為多種狀態(tài)處理。

圖2.2 路徑規(guī)劃狀態(tài)圖

如圖2.3所示a)，b)，c)，d)分別為狀態(tài)一、二、三、四所實(shí)現(xiàn)的情況示意圖。

圖2.3 路徑規(guī)劃示意圖

將四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行合成，可獲得路徑規(guī)劃最終效果，如圖2.4所示，此類規(guī)劃效果對(duì)于規(guī)則障礙物，環(huán)境空間效果較好，掃地效率較高。

圖2.4 路徑規(guī)劃最終效果圖

如圖2.5是第一個(gè)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的流程圖，一直按照此套方案進(jìn)行執(zhí)行，直到滿足跳轉(zhuǎn)條件到狀態(tài)二，狀態(tài)二及后面其他狀態(tài)與狀態(tài)一相似，在此不再贅述。

圖2.5 狀態(tài)一流程圖

由于條件所致無法生成地圖模型，僅以此完成路徑規(guī)劃，此類路徑規(guī)劃為一折中方案，雖然無法完成復(fù)雜地形的路徑規(guī)劃，但對(duì)于簡(jiǎn)單規(guī)則地形規(guī)劃則相對(duì)穩(wěn)定，這種路徑規(guī)劃方案具有成本低，易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

系統(tǒng)中的車輪由直流調(diào)速電機(jī)，通過PWM控制方式進(jìn)行速度及轉(zhuǎn)向的調(diào)控，由于STM32F103C8T6芯片擁有2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，可以單獨(dú)發(fā)射PWM波，調(diào)用其內(nèi)部函數(shù)即可使用，但考慮到STM32F100XX系列只擁有一個(gè)高級(jí)定時(shí)器，但是考慮到通用性，本設(shè)計(jì)采用最基本的PWM發(fā)射方式，即采用通用定時(shí)器發(fā)射PWM。

3 系統(tǒng)功能調(diào)試

對(duì)于設(shè)計(jì)好的掃地機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了整機(jī)調(diào)試，首先進(jìn)行了原地轉(zhuǎn)向和直線行走測(cè)試，通過不斷調(diào)整參數(shù)進(jìn)行兩個(gè)車輪的差速控制，并利用MPU6050的航向角對(duì)直線行走偏離進(jìn)行矯正，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了掃地機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向和直線行走功能。最后進(jìn)行了蛇形路徑規(guī)劃的系統(tǒng)調(diào)試，經(jīng)多次調(diào)試，本系統(tǒng)對(duì)較規(guī)整環(huán)境的清掃效果較好，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)掃地機(jī)器人的硬件選型、軟件設(shè)計(jì)及提出的蛇形路徑規(guī)劃算法等做了較為詳細(xì)的論述，完成了系統(tǒng)預(yù)期功能，基本可以在室內(nèi)完成自動(dòng)清掃工作。但是本設(shè)計(jì)由于采用傳感器數(shù)量和質(zhì)量的限制，所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃功能也存在一定的局限性，對(duì)于不規(guī)則場(chǎng)景及邊角位置的清掃效果不是很理想，還需進(jìn)行更多的實(shí)地場(chǎng)景測(cè)試，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，完善算法。