基于ARM處理器的吸塵機器人硬件設計

引言

隨著人們生活水平的日益提高，我國人口的老齡化也越來越明顯，吸塵機器人作為服務機器人的一種，能夠代替人進行清掃房間、車間、墻壁等一些簡單勞動。

使服務機器人有廣闊的市場，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點。目前市場上的吸塵機器人雖然也具有智能性，但大多由于結構不盡合理、通用性差、集成度高而導致成本高，不利于普及。在研究總結市場上相對成熟產品的基礎上，基于ARM Cortex-M3處理器設計一款具備自我導航功能的室內吸塵機器人。外形緊湊、結構簡單、運行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴展接口，用戶能夠根據實際需要對其功能做進一步開發(fā)。

1 吸塵機器人總體構成

利用ARM Cortex-M3 處理器設計一款應用于室內的移動清潔機器人，主要任務是能夠自主清掃房間，因此應該具備以下功能：

(1)能正確判斷機器人所處的房間和在房間中所處的方位;

(2)能正確檢測出房間內的墻壁、家具等障礙物;

(3)在游歷完所有房間完成清掃任務后能自主回到出發(fā)點，關機。

為了防止機器人在工作時出現堵轉現象，并且能自由進入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤由四個輪子共同支撐，其中左右兩側為驅動輪，分別由兩個微型直流電機直接驅動，前后兩個萬向輪起到支撐和導向的作用。采用碰撞、紅外傳感器、超聲波等組成多傳感器系統(tǒng)。在機器人的上方裝有紅外接收傳感器，底盤邊緣均勻分布裝有接近傳感器，用來檢測障礙物;在機器人的前方裝有碰撞傳感器;前方和左右裝有超聲波測距傳感器，用來檢測周圍環(huán)境。

2 硬件主體設計

硬件系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3處理器、傳感器模塊、電機驅動模塊、人機交互模塊、無線遙控發(fā)射模塊組成。

2.1 ARM Cortex-M3處理

機器人控制系統(tǒng)的主要任務是根據傳感器和編碼器等反饋回來的數據，進行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機構，完成各種控制動作。設計合適的人機接口，在 LCD上顯示機器人狀態(tài)和運行時間。因此，機器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機驅動模塊，紅外遙控接收模塊、LED 指示燈和液晶顯示模塊。采用ARM Cortex-M3處理器作為機器人控制系統(tǒng)的核心，主要是低成本、小管腳數和低功耗，并且具有極高的運算能力和極強的中斷響應能力，工作電流僅為50 mA.

2.2 電機模塊

分成小電機驅動電路和兩路大功率驅動板，包括用于行走的兩個小直流電機和用于吸塵的大功率無刷直流電機、掃地的直流滾刷電機、掃邊角的直流邊刷電機。因為電機分別決定機器人的行走路徑和吸塵功率，所以設計了專門的驅動板，如圖2所示。行走模塊的設計對吸塵機器人避障規(guī)劃有著至關重要的作用，我們將吸塵機器人設計成一個閉環(huán)控制，主要包括驅動電路和光電編碼反饋電路。光電編碼反饋電路通過計算反饋回來的脈沖數量和相位而得到當前的電機速度。芯片最高可以驅動25 V 的電機，吸塵機器人里行走電機的工作電壓為24 V，芯片的電壓為5 V，芯片輸出的PWM 波轉化成大電壓PWM波控制電機。其極限參數如表1所示。

2.3 傳感器模塊

主要包括3部分：用于測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)檢測的傳感器(檢測電池電量、塵桶、電機堵轉懸空)。傳感器模塊使機器人對周圍環(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務提供智能決策。

(1)超聲波測距傳感器模塊

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

本文選用的是US-100 超聲波測距模塊可實現0~4.5 m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，工作穩(wěn)定可靠。在機器人的前后各安裝兩個超聲波傳感器，處理器產生40 kHz的脈沖經I/O口輸出，再經過與非門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，處理器同時控制門電路，以實現發(fā)射波的間斷如圖3所示。超聲波接收端通過壓電轉換的原理，把經障礙物反射回的信號轉換為電信號經過低噪聲放大和帶通濾波，再比較產生中斷給處理器進行時間測量，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

本吸塵機器人在工作時對于遠距離障礙物主要利用超聲波測距，但是超聲波對近距離障礙物不敏感，所以增設紅外模塊進行近距離檢測，根據能量反射法設計紅外測量模塊。機器人前后安裝兩組紅外傳感器，每組由多達14組紅外發(fā)射接收管組成，在機器人的上面和底盤各安裝14個，每上位和下位的2個紅外發(fā)射和接收管并聯(lián)并且指向同一個方向構成一組，每一組電路可分為高頻脈沖信號產生、紅外發(fā)射調節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅動、紅外接收等幾個部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個38 kHz的調制脈沖信號;利用三極管驅動紅外發(fā)射管(TSAL6200)的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經物體反射后被紅外接收模塊接收，通過接收頭 (HS0038B)內部自帶的集成電路處理后返回一個數字信號，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的紅外脈沖就會返回輸出低電平，否則就會輸出高電平。通過對I/O口的檢測，便可以判斷物體的有無。這樣一共可以檢測14個方向，覆蓋360°范圍。機器人對前后的近距離障礙物都能檢測，前進后退都能工作，這種由2個紅外接收管組成測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(10 cm內)讀取障礙物距離結果(沒有溢出)。

在機器人的左前、左后、右前、右后4個方位安裝四個碰撞開關(常開)，通過采集模擬口上電壓值的變化，判斷出其中的一個或幾個碰撞開關閉合，從而檢測出哪個方向有碰撞發(fā)生。

2.4 人機交互模塊

(1)液晶顯示和鍵盤輸入：兩者配合使用可以設置機器人各種參數，如自主啟動、設置工作時間等。

(2)無線遙控模塊：紅外遙控使機器人的使用更加方便簡單，發(fā)射距離超過10m，能滿足需要。

3 結語

通過這樣的硬件設計，清潔機器人控制系統(tǒng)，既能滿足良好的實用性，還降低了成本，工作穩(wěn)定可靠。機器人傳感器模塊能精確定位障礙物，通過軟件策略能實現良好的避障。對將來家用服務機器人的研究與開發(fā)有著重要現實意義。