掃地機(jī)器人原理及實(shí)現(xiàn)

-掃地機(jī)器人構(gòu)造及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)辦公場(chǎng)所和群眾家庭。因此開(kāi)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(kāi)裝有5個(gè)接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)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)裝有空曠地面尤其是家居空曠地面的清掃除塵任務(wù)，清掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁，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(wàn)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(guò)控制左替換。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(wàn)向輪。-自動(dòng)清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測(cè)電路控制下，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-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)化為進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)通電方式的不同使自動(dòng)清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)到達(dá)前進(jìn)、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(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動(dòng)停頓。單片機(jī)通過(guò)對(duì)紅外信號(hào)的解碼來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。紅外發(fā)設(shè)計(jì)行走功能模塊程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了圖3所示的行走外圈行走時(shí),為了防止接近開(kāi)關(guān)中斷對(duì)程序運(yùn)行的干擾,應(yīng)對(duì)接近開(kāi)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(chē).-體中心不重合,故采用以一輪為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位(1或0)來(lái)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)算吸塵器遇墻停頓后,后退再轉(zhuǎn)彎的時(shí)間。吸塵器圈行走時(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。考慮到超聲波傳感器的最小量程為0.5m,第一圈圈行走的轉(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)彎完畢的過(guò)程稱為一次單向清掃過(guò)程。假設(shè)*次單向行駛完畢后檢測(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)至墻停頓,整個(gè)房間設(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(zhǎng)(寬)值的比較,判斷*次單向清掃途中是否有障礙物。假設(shè)有障礙物:行走時(shí)假設(shè)為左轉(zhuǎn),采用左避讓規(guī)則;行走時(shí)假設(shè)為右轉(zhuǎn),采用右避讓規(guī)則。障礙物避開(kāi)后按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn);假設(shè)無(wú)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。假設(shè)吸塵器可以轉(zhuǎn)彎,則轉(zhuǎn)彎,本次單向清掃完畢;假設(shè)吸塵器不能轉(zhuǎn)彎,說(shuō)明下次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物,后退,避開(kāi)障礙物后再轉(zhuǎn)彎,前進(jìn)至通過(guò)障礙物邊線后,本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功能根底上實(shí)現(xiàn)的,的判斷方案:用外圈行走完畢后清掃區(qū)域的準(zhǔn)數(shù)則說(shuō)明還有一塊寬度小于30cm的矩形區(qū)域需要清掃。在執(zhí)行圈避障時(shí),只要長(zhǎng)或?qū)捜我夥较蛏系膯蜗蚯鍜叽螖?shù)到達(dá)所需的次數(shù),即認(rèn)為清掃完畢,剩余矩形區(qū)域的清掃在終止模塊中完成。車(chē)體姿態(tài)調(diào)整功能模塊程序設(shè)計(jì)，為保證車(chē)體運(yùn)行時(shí)不偏離軌道,采用陀螺儀傳感器監(jiān)視車(chē)體運(yùn)動(dòng)狀況。當(dāng)車(chē)體偏移量到達(dá)一定值時(shí),通過(guò)控制行進(jìn)方式調(diào).-記錄車(chē)體偏轉(zhuǎn)角度。為使車(chē)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(chē)體姿態(tài)調(diào)整。使用該方案調(diào)整車(chē)體位置后,車(chē)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(chē)體姿態(tài)調(diào)整程序流程如以下圖。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)。主控程序流程如以下圖。用戶操作鍵盤(pán)時(shí)接近開(kāi)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(kāi)場(chǎng)首先屏蔽所有中斷。鍵盤(pán)的檢測(cè)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn),用戶假設(shè)想通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定吸塵器工作方式,則必須在開(kāi)機(jī)后20s開(kāi)場(chǎng)操作,該20s的延時(shí)由DSP提供,20s后假設(shè)無(wú)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(kāi)場(chǎng)工作;20s后假設(shè)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。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)存放器處理;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(kāi)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*INT1;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)展相應(yīng)的處理。假設(shè)為接近開(kāi)關(guān)中斷,單片機(jī)向雙口RAM8040h單元寫(xiě)0,假設(shè)為超聲波中斷則寫(xiě)1,DSP通過(guò)讀8040h單元容來(lái)判斷是哪個(gè)外設(shè)產(chǎn)生的中斷:①假設(shè)為超聲波傳感器發(fā)出的中斷,在其中斷效勞程序中只需重新開(kāi)中斷即可(這是因?yàn)檫M(jìn)入中斷效勞程序時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉中斷)；②假設(shè)為接近開(kāi)關(guān)中斷,需判斷該接近開(kāi)關(guān)是否工作。工作時(shí),則在中斷效勞程序中還要執(zhí)行停頓程序,否則只需開(kāi)中斷即可。是第幾個(gè)接近開(kāi)關(guān)工作,單片機(jī)就在雙口RAM8033h單元中寫(xiě)幾,假設(shè)同時(shí)有多個(gè)接近開(kāi)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(xiě)入。DSP只需依照此規(guī)則便可根據(jù)8033h單元容判斷是哪個(gè)接近開(kāi)關(guān)工作。-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(xiě)0、1、2、3,功能實(shí)現(xiàn)后再向012Eh單元寫(xiě)4,這樣,響應(yīng)中斷時(shí)便可在中斷效勞程序過(guò)查詢012Eh單元的容來(lái)判斷車(chē)體的運(yùn)動(dòng)情況,從而執(zhí)行不同的效勞程序。器1和計(jì)數(shù)器3重新設(shè)置計(jì)數(shù)初值并開(kāi)中斷即可。過(guò)對(duì)各子程序的調(diào)用,按一定時(shí)序完成了對(duì)吸塵器的控制