吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計
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引 言
隨著人口的老齡化和社會福利制度的完善，導(dǎo)致勞動力成本的急劇上升，一些簡單的重復(fù)性的體力勞動為服務(wù)機(jī)器人提供了廣闊的市場。清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，可以代替人進(jìn)行清掃房間、車間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機(jī)器人的設(shè)計方案。其具有實用價值。室內(nèi)清潔機(jī)器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機(jī)器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形比較緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，噪音??；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結(jié)合清潔機(jī)器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。
1 測控系統(tǒng)及功能
為了使吸塵機(jī)器人運(yùn)動更加流暢，防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，把吸塵機(jī)器人外觀設(shè)計成扁圓柱形的，扁圓形的設(shè)計可以使其自由進(jìn)入沙發(fā)、床和家具底下，把一些邊角都能夠清掃干凈。與地面平行的圓形底盤由三個輪子共同支撐，左右兩側(cè)的為驅(qū)動輪，分別由兩個微型直流電機(jī)直接驅(qū)動，前面的支撐輪為萬向輪。機(jī)器人的這種外形和車輪布局可使其方便地實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，大大提高了行走的靈巧性，這在空間范圍較小的地方更為突出。采用碰撞、超聲波和紅外傳感器組成多傳感器系統(tǒng)，在機(jī)器人的上方裝有紅外接收裝置；在機(jī)器人的底部邊緣．每隔45°裝有接近傳感器，用來檢測臺階，防止跌落；在機(jī)器人的前方裝有碰撞傳感器，前方和左右裝有超聲波傳感器，用來檢測周圍環(huán)境。機(jī)器人上裝有電源管理系統(tǒng)，如果電壓過低會停止清掃，并且去自動充電。
1．1 微控制器
傳統(tǒng)的微處理器如51系列雖然開發(fā)周期短，成本低，但其實時性不好，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；另外，增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢，使機(jī)器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速DSP的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化，但其開發(fā)成本高。與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術(shù)優(yōu)點是高性能，低價格，低功耗，廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。LPC2210是飛利浦帶有一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S微處理器，其采用3級流水線技術(shù)，能夠并行處理指令。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，多個32位定時器、PWM輸出和32個GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)，滿足了機(jī)器人對控制器運(yùn)算速度的要求。以LPC2210為核心。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定的清潔機(jī)器人車體系統(tǒng)。
機(jī)器人控制系統(tǒng)主要完成的任務(wù)：接收傳感器和編碼器傳來的數(shù)據(jù)，綜合處理進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃；驅(qū)動左右輪前進(jìn)行走，控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu)，完成各種底層控制動作；設(shè)計合適的人機(jī)接口，在LCD上顯示機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)行時間。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動模
這一款超聲波傳感器有以下優(yōu)點：適應(yīng)各種環(huán)境，不受灰塵和光線的影響；盲區(qū)為2．5 cm?？梢园褌鞲衅靼惭b在合適的位置就可以避開盲區(qū)；探測發(fā)散角度為15°，反應(yīng)距離2．5 m以內(nèi)，該課題的檢測距離為0．5 m。超聲波傳感器的基本原理是測量從聲波發(fā)射和回到接收器所用的時間。這一款傳感器的的發(fā)射端口和接收端口是一個管腳，首先由控制器發(fā)射一個5μs寬度的高電平脈沖來激發(fā)傳感器發(fā)射40 kHz的超聲波，脈沖發(fā)出750μs后，管腳電平置高；當(dāng)傳感器接收到回波時，管腳的電平被拉低。由信號端高電平的寬度就可以知道由發(fā)射到返回需要的時間，寬度為115μs～18．5 ms之間。公式s＝vt／2，其中s表示傳感器與目標(biāo)的距離；t表示發(fā)射到回收的時間；v是聲波速度，v=340 m／s。由此可以知道傳感器與障礙物之間的距離。一次探測時間最多是20 ms，5個傳感器查詢完畢，用時l00 ms，因此兩個相鄰傳感器采用分時段進(jìn)行使能，就會避免相互干擾，而不會影響機(jī)器人速度。 這三個傳感器中，超聲波傳感器用來探測前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個超聲波傳感器垂直于行走方向放置，用于機(jī)器人的沿邊行走規(guī)劃；設(shè)定機(jī)器人行走時與墻邊的距離值，調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走方向，使兩個超聲波與墻邊的距離近似等于設(shè)定值，保持機(jī)器人沿墻行走時保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不會撞到或者遠(yuǎn)離墻壁。前方兩個碰撞傳感器和一個超聲波配合用來用來探測前半部分的環(huán)境；接觸傳感器具有檢測范圍大、信號無需調(diào)理、占用資源少的優(yōu)點，通過接觸碰撞，檢測那些未能被超聲波傳感器檢測到的桿狀障礙比如家具腿等，傳感器之間的位置如圖5所示。 接近傳感器用來探測地面是否有懸崖，在機(jī)器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個。除了上述三種傳感器以外，在三個輪子上都裝有一個常開的開關(guān)傳感器，當(dāng)輪子懸空的時候，開關(guān)就會閉合，輸出低電平。當(dāng)輪子懸空時可以讓機(jī)器人停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
用ARM7的P0．8和P0．9來控制電機(jī)，這兩個管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動，同時輪上帶有編碼器，可以對行走的路程進(jìn)行檢測。通過航位推算可以實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機(jī)器人光電碼盤的分度數(shù)為N；控制器收到的脈沖數(shù)為m；輪子的直徑為D；兩個輪子之間的間距為W，則輪子前進(jìn)的距離為：
式中：vR(t)和vL(t)分別是在t時刻兩輪的速度；△SLn和△SRn為兩個主動輪從第n次采樣時刻到第n+1次采樣時刻之間所行走的距離。
4 結(jié) 語 |
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