基于ARM處理器的吸塵機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

引言

隨著人們生活水平的日益提高，我國(guó)人口的老齡化也越來(lái)越明顯，吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，能夠代替人進(jìn)行清掃房間、車(chē)間、墻壁等一些簡(jiǎn)單勞動(dòng)。

使服務(wù)機(jī)器人有廣闊的市場(chǎng)，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的吸塵機(jī)器人雖然也具有智能性，但大多由于結(jié)構(gòu)不盡合理、通用性差、集成度高而導(dǎo)致成本高，不利于普及。在研究總結(jié)市場(chǎng)上相對(duì)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于ARM Cortex-M3處理器設(shè)計(jì)一款具備自我導(dǎo)航功能的室內(nèi)吸塵機(jī)器人。外形緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴(kuò)展接口，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其功能做進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

1 吸塵機(jī)器人總體構(gòu)成

利用ARM Cortex-M3 處理器設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人，主要任務(wù)是能夠自主清掃房間，因此應(yīng)該具備以下功能：

(1)能正確判斷機(jī)器人所處的房間和在房間中所處的方位;

(2)能正確檢測(cè)出房間內(nèi)的墻壁、家具等障礙物;

(3)在游歷完所有房間完成清掃任務(wù)后能自主回到出發(fā)點(diǎn)，關(guān)機(jī)。

為了防止機(jī)器人在工作時(shí)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且能自由進(jìn)入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機(jī)器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤(pán)由四個(gè)輪子共同支撐，其中左右兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，前后兩個(gè)萬(wàn)向輪起到支撐和導(dǎo)向的作用。采用碰撞、紅外傳感器、超聲波等組成多傳感器系統(tǒng)。在機(jī)器人的上方裝有紅外接收傳感器，底盤(pán)邊緣均勻分布裝有接近傳感器，用來(lái)檢測(cè)障礙物;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測(cè)距傳感器，用來(lái)檢測(cè)周?chē)h(huán)境。

2 硬件主體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3處理器、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、無(wú)線遙控發(fā)射模塊組成。

2.1 ARM Cortex-M3處理

機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)傳感器和編碼器等反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu)，完成各種控制動(dòng)作。設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)模塊，紅外遙控接收模塊、LED 指示燈和液晶顯示模塊。采用ARM Cortex-M3處理器作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，主要是低成本、小管腳數(shù)和低功耗，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力，工作電流僅為50 mA.

2.2 電機(jī)模塊

分成小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和兩路大功率驅(qū)動(dòng)板，包括用于行走的兩個(gè)小直流電機(jī)和用于吸塵的大功率無(wú)刷直流電機(jī)、掃地的直流滾刷電機(jī)、掃邊角的直流邊刷電機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)分別決定機(jī)器人的行走路徑和吸塵功率，所以設(shè)計(jì)了專門(mén)的驅(qū)動(dòng)板，如圖2所示。行走模塊的設(shè)計(jì)對(duì)吸塵機(jī)器人避障規(guī)劃有著至關(guān)重要的作用，我們將吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)控制，主要包括驅(qū)動(dòng)電路和光電編碼反饋電路。光電編碼反饋電路通過(guò)計(jì)算反饋回來(lái)的脈沖數(shù)量和相位而得到當(dāng)前的電機(jī)速度。芯片最高可以驅(qū)動(dòng)25 V 的電機(jī)，吸塵機(jī)器人里行走電機(jī)的工作電壓為24 V，芯片的電壓為5 V，芯片輸出的PWM 波轉(zhuǎn)化成大電壓PWM波控制電機(jī)。其極限參數(shù)如表1所示。

2.3 傳感器模塊

主要包括3部分：用于測(cè)量和感知障礙物的超聲模塊、紅外和碰撞傳感器，用于狀態(tài)檢測(cè)的傳感器(檢測(cè)電池電量、塵桶、電機(jī)堵轉(zhuǎn)懸空)。傳感器模塊使機(jī)器人對(duì)周?chē)h(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務(wù)提供智能決策。

(1)超聲波測(cè)距傳感器模塊

室內(nèi)吸塵機(jī)器人由于工作環(huán)境的原因，必須具備檢測(cè)各種大小、高低、顏色的障礙物，超聲波是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場(chǎng)等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應(yīng)距離更遠(yuǎn)，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以有效地完成障礙物的檢測(cè)。

本文選用的是US-100 超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)0~4.5 m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.4~5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，工作穩(wěn)定可靠。在機(jī)器人的前后各安裝兩個(gè)超聲波傳感器，處理器產(chǎn)生40 kHz的脈沖經(jīng)I/O口輸出，再經(jīng)過(guò)與非門(mén)以及三極管放大形成極性相反的兩路脈沖輸入超聲波發(fā)射頭的兩個(gè)引腳，探頭便可發(fā)出一連串40 kHz的超聲波，遇障礙物后返回給接收電路，處理器同時(shí)控制門(mén)電路，以實(shí)現(xiàn)發(fā)射波的間斷如圖3所示。超聲波接收端通過(guò)壓電轉(zhuǎn)換的原理，把經(jīng)障礙物反射回的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大和帶通濾波，再比較產(chǎn)生中斷給處理器進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，從而做出障礙物的距離判斷，如圖4所示。

(2)紅外和碰撞傳感器模塊

本吸塵機(jī)器人在工作時(shí)對(duì)于遠(yuǎn)距離障礙物主要利用超聲波測(cè)距，但是超聲波對(duì)近距離障礙物不敏感，所以增設(shè)紅外模塊進(jìn)行近距離檢測(cè)，根據(jù)能量反射法設(shè)計(jì)紅外測(cè)量模塊。機(jī)器人前后安裝兩組紅外傳感器，每組由多達(dá)14組紅外發(fā)射接收管組成，在機(jī)器人的上面和底盤(pán)各安裝14個(gè)，每上位和下位的2個(gè)紅外發(fā)射和接收管并聯(lián)并且指向同一個(gè)方向構(gòu)成一組，每一組電路可分為高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過(guò)38 kHz晶振和非門(mén)電路得到一個(gè)38 kHz的調(diào)制脈沖信號(hào);利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管(TSAL6200)的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收，通過(guò)接收頭 (HS0038B)內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸入到微控制器的I/O口，如圖5所示。

接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過(guò)對(duì)I/O口的檢測(cè)，便可以判斷物體的有無(wú)。這樣一共可以檢測(cè)14個(gè)方向，覆蓋360°范圍。機(jī)器人對(duì)前后的近距離障礙物都能檢測(cè)，前進(jìn)后退都能工作，這種由2個(gè)紅外接收管組成測(cè)障傳感器有效距離接近2 m，并且還能夠在球非常近的范圍內(nèi)(10 cm內(nèi))讀取障礙物距離結(jié)果(沒(méi)有溢出)。

在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后4個(gè)方位安裝四個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)(常開(kāi))，通過(guò)采集模擬口上電壓值的變化，判斷出其中的一個(gè)或幾個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)閉合，從而檢測(cè)出哪個(gè)方向有碰撞發(fā)生。

2.4 人機(jī)交互模塊

(1)液晶顯示和鍵盤(pán)輸入：兩者配合使用可以設(shè)置機(jī)器人各種參數(shù)，如自主啟動(dòng)、設(shè)置工作時(shí)間等。

(2)無(wú)線遙控模塊：紅外遙控使機(jī)器人的使用更加方便簡(jiǎn)單，發(fā)射距離超過(guò)10m，能滿足需要。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)這樣的硬件設(shè)計(jì)，清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，既能滿足良好的實(shí)用性，還降低了成本，工作穩(wěn)定可靠。機(jī)器人傳感器模塊能精確定位障礙物，通過(guò)軟件策略能實(shí)現(xiàn)良好的避障。對(duì)將來(lái)家用服務(wù)機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)有著重要現(xiàn)實(shí)意義。