一種新型智能清潔機器人測控系統(tǒng)的設計

0 引 言

移動機構是清潔機器人的主體，決定了清潔機器人的運動空間，一般采用輪式結構。傳感器系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構成多傳感器系統(tǒng)。隨著近年來控制技術、傳感技術以及移動機器人技術等技術的迅速發(fā)展，智能清潔機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵系統(tǒng)在原理上與傳統(tǒng)立式吸塵器相同，主要是在結構設計上更多考慮結構尺寸、集成度以及一些輔助機構的合理布置和利用，以此來提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機器人測控系統(tǒng)的設計與實現，最終目標是通過軟硬件的合理設計，使智能清潔機器人能夠自動避開障礙物，實現一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。

1 測控系統(tǒng)組成及功能

智能清潔機器人測控系統(tǒng)主要包括控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)等。其原理如圖1所示?；谇鍧崣C器人自身體積盡可能小的原則，本設計將控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走驅動及相關電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開來。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統(tǒng)，檢測信號經調理電路處理后送控制器；采用8位單片機SST89E554RC作為控制器，控制器對傳感器信號加以判斷，根據判斷結果，選定相應的控制策略，并控制語音系統(tǒng)發(fā)出相應的報警信號；在相應的控制策略下，通過專用驅動器驅動直流電機，帶動驅動輪，兩輪獨立驅動，實現避障功能；同時，控制器控制小型雙風機真空吸塵系統(tǒng)對經過的地面進行必要的清掃。

圖1 系統(tǒng)原理

該新型智能清潔機器人實驗平臺如圖2所示，該平臺為圓形結構，兩輪獨立驅動，具備完整的吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等功能模塊。最終將在該平臺上對本文所介紹的測控系統(tǒng)的性能進行實驗驗證。

圖2 智能清潔機器人實驗平臺

2 測控系統(tǒng)硬件設計

2.1 CPU控制模塊

CPU采用美國SST公司制造的8位單片機SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標準的8051器件管腳對管腳兼容。片內擁有1 kB字節(jié)RAM空間，3個16位定時計數器，4個8位I/O端口，擁有可編程計數陣列(PCA),可提供5路256級PWM調速，可通過全雙工增強型串口實現人機通訊。

依據SST89E554RC單片機的引腳特性，在實際設計中，各電機驅動信號由單片機P1口輸出，左右驅動電機占用P1.1～P1.6共6個端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調速信號輸出端口使用)，吸塵風機和起塵電機分別占用P1.0和P1.7口；紅外反射式傳感器和接觸傳感器檢測信號分別送給 P2口的P2.0～P2.7共8個端口；超聲波接收器信號經調理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個觸摸式選擇屏的觸摸信號經處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

2.2 驅動模塊

直流電機所需的驅動電壓、驅動電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅動芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是推挽式功率放大專用集成電路器件，直流驅動電流總和可達4A，其內部具有2個完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調速功能。在控制電路中，考慮到單片機會受到驅動部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅動部分在電氣上隔離開來。采用8個1N5822高速大電流肖特基二極管組成續(xù)流保護電路，消除電機在起停、制動及換向時產生的反電勢。系統(tǒng)工作時，單片機P1口輸出的控制信號經過驅動器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機驅動芯片L298N，控制電機動作。當需要調速時，只需改變PWM波(本設計中由單片機P1.3和P1.6端口產生)的占空比即可，理論上可以實現256級調速。

2.3 障礙物檢測模塊

2.3.1 超聲波檢瀏部分

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波，頻率為40kHz的超聲波信號在空氣中的傳播效率最佳。本文選用中心頻率40kHz，測距范圍在5m以內的普通超聲波傳感器。傳感器發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機器人正前方，系統(tǒng)工作時，通過匯編程序由P3.7口產生精確的40kHz發(fā)射脈沖，每隔25ms發(fā)射一組脈沖，每組的脈沖個數取6～10個，以保證發(fā)射波具備良好的傳播性和反射性。發(fā)射波遇到障礙物反射回來，被接收器接收，轉變成電信號脈沖，對該信號進行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機外部中斷口INT1，觸發(fā)單片機外部中斷，進入中斷處理程序，獲取從發(fā)射波發(fā)出到收到反射波時的時間間隔即測距時間，由此即可根據超聲波測距原理計算出障礙物的距離。主程序中設定機器人行走過程中距離障礙物的最小距離，當被測距離小于最小距離時，控制器向驅動系統(tǒng)發(fā)出避障指令，避開障礙物。本設計中利用軟件延時去除串擾帶來的誤操作，即在發(fā)射波發(fā)出一段時間后，再打開外部中斷，避免發(fā)射波不經反射就直接被接收器接收而引起假中斷。