摘?要：隨著機器人不斷融入社會發(fā)展的各個領域，智能化程度較高的機器人得到了人們的廣泛認可，而貼近人們?nèi)粘Ｉ畹臋C器人不但能為人們提供高品質(zhì)的生活水平，更能提高人們的工作效率。因此，掃地機器人越來越普及，也得到了世界各國的普遍關注，具有巨大的市場潛力。本次設計的掃地機器人是選用STC89C52型的單片機作為主控核心，其具備系統(tǒng)集成度較高、運行速度較快以及可靠性良好等優(yōu)點。本次設計主要集中于掃地機器人的內(nèi)部結構設計即控制系統(tǒng)的設計。基于單片機的掃地機器人控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括電機正反轉驅動電路部分、自主循跡避障部分以及數(shù)碼管顯示部分等。通過52單片機對普通直流電機的起始、停止、順時針旋轉、逆時針旋轉的控制實現(xiàn)小車運行狀態(tài)的變化。同時，結合單片機PWM的電機變速功能，實現(xiàn)速度可調(diào)，使設計更加完善。

關鍵詞：掃地機器人;單片機;避障

2002年，伊萊克斯公司在原有高質(zhì)量吸塵器的基礎上，成功研制出全球第一款全自動掃地機器人——“三葉蟲”掃地機器人。同時，iRobot公司也先后生產(chǎn)了7代智能家務機器人“Roomba”，最終成為了這一領域具有代表性的產(chǎn)品。

2010年前后，我國國內(nèi)的掃地機器人品牌不斷涌現(xiàn)，而且均逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前，國內(nèi)市場已擁有很多掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等知名品牌。然而在中國本土成立且具備完整的核心自主研發(fā)研發(fā)能力的掃地機器人企業(yè)并不是很多[1]。

近幾年，掃地機器人這一產(chǎn)品的普及速度越來越快，而且其市場發(fā)展也十分迅速。在掃地機器人的前期發(fā)展階段，其主要以改進掃地效能為主。在現(xiàn)階段，掃地機器人除了在保證較優(yōu)良的清掃效果的基礎上，還在大趨勢地影響推動下，一定會走向多傳感器融合、導航以及路徑規(guī)劃等智能化核心技術的發(fā)展道路。

1 掃地機器人的設計方案

掃地機器人總體由4部分組成：系統(tǒng)主控制部分、執(zhí)行電機部分、傳感器部分和電源部分。主控系統(tǒng)的設計是基于AT89C52型單片機的控制系統(tǒng)，主要包括對傳感器進行響應、對顯示部分元器件的控制以及對執(zhí)行電機的控制等[2]。執(zhí)行電機部分和小車避障是掃地機器人的主要構成部分。整體設計是機器人的前面是由兩個電機獨立驅動的兩個車輪，而后輪則是利用小球作為萬向輪。其中車輪電機采用是無刷直流電機，傳感器部分即用來進行探測和檢測的，能夠保證機器人完成既定作業(yè)，顯示部分則是對應輸入和輸出部分，通過數(shù)碼管顯示來實現(xiàn)人機交互功能，電源部分經(jīng)過分析選用可充電鋰電池進行供電[3]。

2 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件主要由四個模塊構成：單片機的控制模塊、紅外線避障模塊、電機的控制模塊及數(shù)碼管顯示模塊。

紅外避障模塊主要在小車在作業(yè)時檢測到前方有障礙物時，由單片機發(fā)出指令使小車停止，包括了38KHz的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊。同時與555定時器芯片組成一個多諧振蕩器，根據(jù)實際情況，需要設計出一個38KHZ方波信號[8]。

本次設計的小車電機選用帶有齒輪組的直流減速電機，由脈沖寬度調(diào)制（PWM）來完成調(diào)速功能。電機驅動芯片選擇L298N，它的優(yōu)點是在它的內(nèi)部包含有一個4通道的邏輯驅動電路，是單塊集成電路還能夠接收DTL或TTL邏輯電平。一般用于驅動感性負載（如繼電器、直流和步進電機等）和用到的開關功率晶體管[3]。

本次設計采用的是基于脈沖寬度調(diào)制原理的H型橋式驅動電路，此外還需要TLP521-2光耦集成塊，它可以將控制部分與電動機的驅動部分隔為兩塊，在它的輸入端可以設計一個三極管來放大自身的驅動電流。具體工作流程是當單片機接收到相應輸入控制指令后，CPU通過P1.0或P1.1任意一個端口來輸出與電機轉速匹配的PWM脈沖，而另一口則輸出的是低電平，輸出的先經(jīng)過信號放大器放大，再進行光耦傳遞，最終驅動橋式電動機控制電路，這樣便可以控制電動機的轉向以及轉速[4]?？刂葡到y(tǒng)的電源電壓統(tǒng)一為5V。

3 掃地機器人的軌跡規(guī)劃

機器人的路徑規(guī)劃就是指在某種特定的優(yōu)化指標下，機器人感知到工作環(huán)境信息后，自主作業(yè)的起始點和目標點自動選擇出一條完美避障的路徑，從而實現(xiàn)機器人的歷遍功能，達到清掃區(qū)域的全面覆蓋的目標。一般基于機器人對其工作環(huán)境的感知認識程度大致可以分為以下兩種類型：

（1）全局路徑規(guī)劃：環(huán)境信息能完全被機器人感知;

（2）局部路徑規(guī)劃：環(huán)境信息未知或部分未知，要獲取目標清掃區(qū)域中障礙物的信息（位置、形狀和大小），這就需要機器人傳感器檢測子系統(tǒng)對其所處工作環(huán)境進行實時探測[9]。

本次掃地器人在設計中采用的是紅外線傳感器，但由于紅外探測的有效范圍受到限制加之目標清掃區(qū)域的不確定性，故在本次設計中添加機器人的邊沿學習。邊沿學習方式是指讓掃地機器人從作業(yè)前指定的某個位置按順時針或逆時針沿著墻壁和經(jīng)過靠近墻壁的障礙物邊緣處繞著環(huán)境運動一圈，并且需要在機器人行走的過程中檢測出機器人中心的坐標，完成邊沿學習后，機器人就可以初步感知出清掃區(qū)域的大致情況以及障礙物的具體分布坐標。在行進過程中記錄下當y坐標達到最大值Ymax時，x能達到的最大值Xmax（考慮到障礙物可能存在于墻壁的右下角）[7]。

在設計機器人的移動定位時，傳統(tǒng)的方法是采用編碼器定位即推算定位，主要原理是：將光電碼盤固定在掃地機器人的車輪輪軸上，由光電碼盤來記錄機器人移動前行的距離，從而可以知道兩輪各自前行的運動距離，從而完成作業(yè)時的運動信息的推算。將光電碼盤裝在電機的輪軸上，由于左右兩輪都有各自的驅動電機，所以它可以隨著車輪一起轉動，從而根據(jù)兩個車輪的運動距離來知道機器人的位置和方向[10-12]。

4 歷遍路徑規(guī)劃方案

為了實現(xiàn)掃地機器人的全區(qū)域覆蓋即實現(xiàn)歷遍功能，就必須事先設計好掃地機器人的行走規(guī)律，此次設計中選擇了“往返式路徑規(guī)劃方法”，并分為兩種情況進行討論設計方案[7]。

4.1 清掃區(qū)域中無障礙物

當清掃區(qū)域內(nèi)無任何障礙物出現(xiàn)，則主要由控制程序來驅動掃地機器人在該區(qū)域內(nèi)做直線帶狀往復運動。當掃地機器人的紅外傳感器檢測到其運動到x方向的最大位置時，則機器人繞右側輪子順時針旋轉180°，同時在機器人轉角時，只需要驅動一個驅動輪，而以另一個驅動輪為支點旋轉轉，這樣便能保證掃地機器人在轉過180°后恰好前進了一個機身車位，這樣就能實現(xiàn)其歷遍功能，完成在往返清掃的過程中不留下清掃死去的目標。

4.2 清掃區(qū)域中有障礙物

（1）靠最遠處墻壁的障礙物，如障礙物D;

（2）不靠墻壁的障礙物，如障礙物C;

（3）其他位置靠墻的障礙物。

在進行正式清理前，掃地機器人先進行了邊沿學習，因此提前獲得了空間的邊緣信息，這樣便可以自動將其他靠墻障礙物視為墻壁進行處理。遇到清掃區(qū)域中非靠墻障礙物時，這時掃地機器人則利用紅外測距傳感器沿著障礙物的邊沿運動，直到機器人在y軸方向移動一個車身機位，然后轉180°運動[8]。

當機器人遇到障礙物并移動到x軸上的最大或最小位置時，它將沿障礙物長度方向沿y軸行進一段距離，然后繼續(xù)清潔另一側的區(qū)域的障礙;當遇到的障礙物是位于最遠處墻壁處時，y軸達到最大值、x軸方向未達到Xmax，這時前方的紅外傳感器檢測到障礙物時，機器人就會繞過障礙物運動到y(tǒng)軸方向的最遠處，清掃之前剩余的區(qū)域;當y軸方向和x軸方向同時達到最大值即之前邊沿學習檢測到的最大值位置時，立刻停止檢測[13-14]。

5 結論

本次設計是以集成度較高、功能強大的AT89C52型的單片機作為主控核心進行掃地機器人控制系統(tǒng)的硬件設計，基本原理是利用單片機對直流電機的起始、停止、旋轉（逆時針或順時針）的進行控制來驅動小車完成既定目標，其中也用到了PWM調(diào)速的設計。

掃地機器人的設計具備以下亮點：

（1）擁有自主歷遍功能;

（2）設計有紅外自動避障功能擁有一定的智能化。

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作者簡介：蘇健（1996—?），男，漢族，黑龍江大慶人，碩士，研究方向：繼續(xù)教育。