張麗 李伙生 何永樂 林浩云 董大維 馮其立 吳怡漫

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程，廣東 佛山 528200）

引言

現(xiàn)在的掃地機(jī)器人市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，2017年國(guó)內(nèi)銷售了將近400萬臺(tái)。國(guó)內(nèi)外巨頭爭(zhēng)相入場(chǎng)。嵌入式掃地機(jī)器人的基本思路是將特定模塊程序編寫進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，通過多項(xiàng)傳感器收集外部環(huán)境信息，將信息傳輸給單片機(jī)內(nèi)部對(duì)應(yīng)的模塊程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出下一步指令，將指令傳達(dá)給機(jī)器人相應(yīng)的作用部位，達(dá)到自動(dòng)、智能的完成指定任務(wù)的目的。

一、總體方案設(shè)計(jì)

本智能機(jī)器人基于STM32開發(fā)平臺(tái)開發(fā)。主要由供電模塊、主體模塊以及清潔模塊組成。供電模塊電源采用了4.7V 18650鋰電池組的電源。電源直接與電機(jī)相連，提供所需要?jiǎng)恿?。主體模塊由傳感器模塊、動(dòng)力模塊和運(yùn)算控制器組成。清潔模塊由三項(xiàng)無刷電機(jī)等清掃垃圾的元件構(gòu)成?？傮w流程圖如圖1所示。

（一）掃地功能設(shè)計(jì)

清潔模塊主要采用了三項(xiàng)無刷電機(jī)（圖2）和灰塵收納箱。用三項(xiàng)無刷電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生低壓環(huán)境，進(jìn)而改變空氣壓強(qiáng)差。

圖2 三項(xiàng)無刷電機(jī)

三項(xiàng)無刷電機(jī)采用的是方波自控式永磁同步電機(jī)，使用霍爾傳感器，永磁材料使用釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子。它的優(yōu)點(diǎn)有：效率高，能耗低，噪音小，壽命長(zhǎng)等。動(dòng)力系統(tǒng)的組成部件有三部分，分別是：轉(zhuǎn)子，定子和位置傳感器。

通過無刷電機(jī)的運(yùn)行使灰塵和小型垃圾被吸入灰塵收納箱來滿足清潔的需求。

流程圖如圖3所示

圖3 清潔流程圖

（二）路徑算法分析

路徑算法主要是：當(dāng)小車的工作系統(tǒng)判斷周圍障礙物與小車之間的距離小于一定程度時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的中斷程序，調(diào)整方向。當(dāng)判斷前方有斷層（樓梯或大坑）時(shí)，緊急制動(dòng)，調(diào)整方向繼續(xù)工作。路徑工作流程如圖4所示。

圖4 路徑工作流程圖

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩個(gè)MINI 4WD 130馬達(dá)提供動(dòng)力，通過兩個(gè)MINI 4WD 130馬達(dá)進(jìn)行差速旋轉(zhuǎn)達(dá)到轉(zhuǎn)向目的。

（二）傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)采用了超聲波測(cè)距模塊、TCRT5000光電傳感器模塊和光耦測(cè)速系統(tǒng)

超聲波測(cè)距模塊選取了US-026，其特點(diǎn)為高性能、低成本。模塊的芯片選取了超聲波測(cè)距芯片CS100。超聲波測(cè)距模塊可以在2cm到6m的距離范圍內(nèi)精確測(cè)量，十分穩(wěn)定可靠。

TCRT5000光電傳感器模塊是一款紅外反射式光電開關(guān)，其核心是TCRT5000紅外光電傳感器。傳感器由高靈敏光電晶體管和高發(fā)射功率紅外光電二極管組成。TCRT5000光電傳感器模塊輸出的信號(hào)需要使用施密特電路整形。

光耦測(cè)速系統(tǒng)的測(cè)速信號(hào)由碼盤產(chǎn)生，其原理為通過使用stm32f103zet6的輸入捕獲模式來獲取高電平時(shí)間，取10次高電平時(shí)間，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值取加權(quán)平均。并帶入數(shù)學(xué)弧長(zhǎng)公式，即可獲得當(dāng)前車速。

三、結(jié)語

本文完成了基于嵌入式的掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)，采用了多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)進(jìn)行掃地、最優(yōu)路徑的目標(biāo)，且成本低，耗能少，在家庭的使用中十分方便。在多次的實(shí)驗(yàn)中，仍有需要改進(jìn)的地方，比如由于自身儲(chǔ)量的有限，對(duì)于體積大的垃圾以及液體垃圾未能清理干凈，在后續(xù)試驗(yàn)中，可增加拖地等的功能。