掃地機(jī)器人原理及實(shí)現(xiàn)

掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱門的研究方向。從理論和技術(shù)上講，自動(dòng)清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性，從市場(chǎng)前景角度講，自動(dòng)清掃機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于賓館、酒店、圖書館、辦公場(chǎng)所和大眾家庭。因此開發(fā)自動(dòng)清掃機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場(chǎng)前景。家用智能清掃機(jī)，包括計(jì)算機(jī)、傳感器、電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開關(guān)、操作電位計(jì)等，在清掃機(jī)的頂部共設(shè)有三個(gè)超聲波距離傳感器；清掃機(jī)底部前方邊沿安裝有5個(gè)接近開關(guān)，接近開關(guān)與超聲波距離傳感器一起，構(gòu)成清掃機(jī)測(cè)距系統(tǒng)；清掃機(jī)裝有兩臺(tái)直流電機(jī)；在清掃機(jī)的底部安裝有吸塵器機(jī)構(gòu)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的功能是自動(dòng)完成房間空曠地面尤其是家居空曠地面的清掃除塵任務(wù)，打掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁，騰出空曠地面。清掃機(jī)完成的主要功能：能自動(dòng)走遍所以可進(jìn)入的房間，可以自動(dòng)清掃吸塵，可在遙控和手控狀態(tài)下清掃吸塵。本文所介紹的自動(dòng)清掃機(jī)器人的總體布局方案如圖1所示，前后兩輪為萬向輪，左右兩輪為驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)采用兩輪獨(dú)立且各由兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向方式，通過控制左右兩輪的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。考慮到機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的可方便替換的模塊，當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只需簡(jiǎn)單步驟就可以對(duì)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行替換。同時(shí)為了機(jī)器人能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪選用萬向輪。下圖為自動(dòng)清掃機(jī)的三維立體圖：萬向輪傳感器起塵刷驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪吸塵風(fēng)機(jī)集系統(tǒng)電路傳感器底盤擋塵蓋清掃電機(jī)清掃刷電源傳感器起塵刷驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪吸塵風(fēng)機(jī)集系統(tǒng)電路傳感器底盤擋塵蓋清掃電機(jī)清掃刷電源自動(dòng)清掃機(jī)器人車箱體采用框架式結(jié)構(gòu)。從下至上分隔成三個(gè)空間：第一層裝配各運(yùn)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；第二層為垃圾存儲(chǔ)空間；第三層裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)、接線板、

電源電池、開關(guān)等。自動(dòng)清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要是以單片機(jī)AT89C51作為核心，輔助其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測(cè)電路以及紅外遙控電路等，各模塊在單片機(jī)的控制下，相互協(xié)調(diào)工作，保證自動(dòng)清掃機(jī)器人各種功能的實(shí)現(xiàn)。該控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。傳感器在清掃機(jī)器人上的布置如圖下所示，圖中紅色的圓點(diǎn)代表六個(gè)紅外傳感器的位置。下圖為清掃機(jī)的硬件系統(tǒng)：步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動(dòng)機(jī)不同之處在于它是一種可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作中傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)還可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，通過通電方式的不同使自動(dòng)清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)達(dá)到前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的吸塵器則采用直流電機(jī)（H橋式電路）驅(qū)動(dòng)。下圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路:uU7：cmg±3OCT：。邙OtTCUJ4rsijriMSuU7：cmg±3OCT：。邙OtTCUJ4rsijriMSMm采用以AT89C51單片機(jī)為核心的紅外接收電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。紅外遙控器發(fā)射不同的碼值來控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動(dòng)停止。單片機(jī)通過對(duì)紅外信號(hào)的解碼來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。紅外發(fā)射器原理圖如下所示：設(shè)計(jì)行走功能模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了圖3所示的行走方案。程序設(shè)計(jì)時(shí)要考慮:吸塵器在外圈行走時(shí)，為了避免接近開關(guān)中斷對(duì)程序運(yùn)行的干擾，應(yīng)對(duì)接近開關(guān)的中斷處理程序做相應(yīng)處理。由于吸塵器兩動(dòng)力輪的中心、與車體中心不重合，故采用以

一輪為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過檢測(cè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位（1或0）來判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時(shí)處，根據(jù)吸塵器外形的幾何尺寸計(jì)算吸塵器遇墻停止后，后退再轉(zhuǎn)彎的時(shí)間。吸塵器內(nèi)圈行走時(shí)的轉(zhuǎn)彎依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波傳感器1的值小于等于設(shè)定值時(shí)，吸塵器轉(zhuǎn)彎?？紤]到超聲波傳感器的最小量程為0.5m,第一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為50cm,以后每圈的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增30cm。吸塵器單向行駛至轉(zhuǎn)彎結(jié)束的過程稱為一次單向清掃過程。若某次單向行駛結(jié)束后檢測(cè)到超聲波傳感器1的值小于轉(zhuǎn)彎設(shè)定值，則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎，然后前進(jìn)至墻停止，整個(gè)房間清掃完畢。設(shè)計(jì)躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計(jì)避障總規(guī)則：利用超聲波實(shí)測(cè)值與已測(cè)得的房間長（寬）值的比較，判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物：行走時(shí)若為左轉(zhuǎn)，采用左避讓規(guī)則；行走時(shí)若為右轉(zhuǎn)，采用右避讓規(guī)則。障礙物避開后按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn)；若無障礙物：按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn)，在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機(jī)器人吸塵器轉(zhuǎn)彎。若吸塵器可以轉(zhuǎn)彎，則轉(zhuǎn)彎，本次單向清掃完畢；若吸塵器不能轉(zhuǎn)彎，說明下次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物，后退，避開障礙物后再轉(zhuǎn)彎,前進(jìn)至通過障礙物邊線后,本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，分為內(nèi)圈避障程序設(shè)計(jì)和外圈程序設(shè)計(jì)。清掃完畢的判斷方案：用外圈行走結(jié)束后清掃區(qū)域的精碼來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。紅外發(fā)射器原理圖如下所示：設(shè)計(jì)行走功能模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了圖3所示的行走方案。程序設(shè)計(jì)時(shí)要考慮:吸塵器在外圈行走時(shí)，為了避免接近開關(guān)中斷對(duì)程序運(yùn)行的干擾，應(yīng)對(duì)接近開關(guān)的中斷處理程序做相應(yīng)處理。由于吸塵器兩動(dòng)力輪的中心、與車體中心不重合，故采用以一輪為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過檢測(cè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位（1或0）來判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時(shí)處，根據(jù)吸塵器外形的幾何尺寸計(jì)算吸塵器遇墻停止后，后退再轉(zhuǎn)彎的時(shí)間。吸塵器內(nèi)圈行走時(shí)的轉(zhuǎn)彎依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波傳感器1的值小于等于設(shè)定值時(shí)，吸塵器轉(zhuǎn)彎?？紤]到超聲波傳感器的最小量程為0.5m,第一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為50cm,以后每圈的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增30cm。吸塵器單向行駛至轉(zhuǎn)彎結(jié)束的過程稱為一次單向清掃過程。若某次單向行駛結(jié)束后檢測(cè)到超聲波傳感器1的值小于轉(zhuǎn)彎設(shè)定值，則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎，然后前進(jìn)至墻停止，整個(gè)房間清掃完畢。設(shè)計(jì)躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計(jì)避障總規(guī)則：利用超聲波實(shí)測(cè)值與已測(cè)得的房間長（寬）值的比較，判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物：行走時(shí)若為左轉(zhuǎn)，采用左避讓規(guī)則；行走時(shí)若為右轉(zhuǎn)，采用右避讓規(guī)則。障礙物避開后按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn)；若無障礙物：按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn)，在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機(jī)器人吸塵器轉(zhuǎn)彎。若吸塵器可以轉(zhuǎn)彎，則轉(zhuǎn)彎，本次單向清掃完畢；若吸塵器不能轉(zhuǎn)彎，說明下次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物，后退，避開障礙物后再轉(zhuǎn)彎,前進(jìn)至通過障礙物邊線后,本次單向清掃|電立咨|_OI2E；W4]3董貧體咨務(wù)調(diào)蔡子羿少流用國車體姿態(tài)調(diào)整功能模塊程序設(shè)計(jì)，為保證車體運(yùn)行時(shí)不偏離軌道，采用陀螺儀傳感器監(jiān)視車體運(yùn)動(dòng)狀況。當(dāng)車體偏移量達(dá)到一定值時(shí)，通過控制行進(jìn)方式調(diào)整車體姿態(tài)。當(dāng)車體偏轉(zhuǎn)角度大于10%時(shí)，開始調(diào)整車體姿態(tài)。首先判斷車體偏轉(zhuǎn)的方向并記錄車體偏轉(zhuǎn)角度。為使車體能最大限度地回到原位置，采用一個(gè)動(dòng)力輪不動(dòng)，另一動(dòng)力輪倒轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)車體姿態(tài)調(diào)整。使用該方案調(diào)整車體位置后，車體并不一定能恰好回到原位置，但誤差已經(jīng)很小，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。車體姿態(tài)調(diào)整程序流程如圖所示。貧體咨務(wù)調(diào)蔡子羿少流用國主控程序是吸塵器工作的主體邏輯。在主控程序中需要完成DSP的初始化設(shè)置，考慮各功能模塊間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)各子程序的調(diào)用，并要充分考慮到各級(jí)中斷信號(hào)對(duì)程序運(yùn)行的影響，做出正確的處理、協(xié)調(diào)。主控程序流程如圖所示。用戶操作鍵盤時(shí)接近開關(guān)可能會(huì)工作，這有可能導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯(cuò)，故DSP需在程序最開始首先屏蔽所有中斷。鍵盤的檢測(cè)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶若想通過鍵盤設(shè)定吸塵器工作方式，則必須在開機(jī)后20s內(nèi)開始操作，該20s的延時(shí)由DSP提供，20s后若無鍵按下，則認(rèn)為用戶未設(shè)定吸塵器工作狀態(tài)，系統(tǒng)按自動(dòng)方式開始工作;20s后若有鍵按下，則將等待用戶輸入完畢后，按照用戶設(shè)定要求工作。系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的初始化程序是系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)的前提。給狀態(tài)寄存器賦值,保證子程序調(diào)用或進(jìn)入中斷時(shí)實(shí)現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)配置；輸出口的選擇及功能設(shè)定；中斷的相關(guān)寄存器處理；累加器的溢出方式選擇及系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的選定等功能都在初始化程序中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中斷處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共有4路中斷信號(hào)需要處理，其中8路接近開關(guān)和4路超聲波傳感器共用優(yōu)先級(jí)為1級(jí)的外部中斷XINT1;兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB在產(chǎn)生PWM波形時(shí)用到了優(yōu)先級(jí)為2級(jí)的定時(shí)器1和定時(shí)器3的周期中斷；此外，陀螺儀的測(cè)量值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換時(shí)用到了中斷優(yōu)先級(jí)為6級(jí)的ADC中斷。外部中斷XINT1的處理，由于8路接近開關(guān)和超聲波傳感器共用XINT1中斷，故在響應(yīng)該中斷時(shí)應(yīng)首先判斷是哪個(gè)外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。若為接近開關(guān)中斷，單片機(jī)向雙口RAM8040h單元寫0,若為超聲波中斷則寫1,DSP通過讀8040h單元內(nèi)容來判斷是哪個(gè)外設(shè)產(chǎn)生的中斷:①若為超聲波傳感器發(fā)出的中斷，在其中斷服務(wù)程序中只需重新開中斷即可（這是因?yàn)檫M(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉中斷）；②若為接近開關(guān)中斷,需判斷該接近開關(guān)是否工作。工作時(shí)，則在中斷服務(wù)程序中還要執(zhí)行停止程序，否則只需開中斷即可。是第幾個(gè)接近開關(guān)工作，單片機(jī)就在雙口RAM8033h單元中寫幾，若同時(shí)有多個(gè)接近開關(guān)工作，則單片機(jī)從8033單元的最低位起將其序號(hào)依次寫入。DSP只需依照此規(guī)則便可根據(jù)8033h單元內(nèi)容判斷是哪個(gè)接近開關(guān)工作。ADC中斷處理，吸塵器在測(cè)距模塊中車體旋轉(zhuǎn)180。，左、右轉(zhuǎn)及姿態(tài)調(diào)整的過程中都會(huì)響應(yīng)ADC中斷，故在執(zhí)行上述功能的程序時(shí)分別向012Eh單元寫0、1、2、3,功能實(shí)現(xiàn)后再向012Eh單元寫4,這樣，響應(yīng)中斷時(shí)便可在中斷服務(wù)程序中通過查詢012Eh單元的內(nèi)容來判斷車體的運(yùn)動(dòng)情況，從而執(zhí)行不同的服務(wù)程