0 引 言

移動機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)器人的主體，決定了清潔機(jī)器人的運(yùn)動空間，一般采用輪式結(jié)構(gòu)。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(gòu)成多傳感器系統(tǒng)。隨著近年來控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機(jī)器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更多考慮結(jié)構(gòu)尺寸、集成度以及一些輔助機(jī)構(gòu)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(jī)器人測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終目標(biāo)是通過軟硬件的合理設(shè)計(jì)，使智能清潔機(jī)器人能夠自動避開障礙物，實(shí)現(xiàn)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(jī)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(qū)動系統(tǒng)等。其原理如圖1所示?；谇鍧崣C(jī)器人自身體積盡可能小的原則，本設(shè)計(jì)將控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走驅(qū)動及相關(guān)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(jīng)調(diào)理電路處理后送控制器；采用8位單片機(jī)SST89E554RC作為控制器，控制器對傳感器信號加以判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，選定相應(yīng)的控制策略，并控制語音系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報警信號；在相應(yīng)的控制策略下，通過專用驅(qū)動器驅(qū)動直流電機(jī)，帶動驅(qū)動輪，兩輪獨(dú)立驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)避障功能；同時，控制器控制小型雙風(fēng)機(jī)真空吸塵系統(tǒng)對經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的清掃。

圖1 系統(tǒng)原理

該新型智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺如圖2所示，該平臺為圓形結(jié)構(gòu)，兩輪獨(dú)立驅(qū)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺

2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU控制模塊

CPU采用美國SST公司制造的8位單片機(jī)SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051器件管腳對管腳兼容。片內(nèi)擁有1 kB字節(jié)RAM空間，3個16位定時計(jì)數(shù)器，4個8位I/O端口，擁有可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA),可提供5路256級PWM調(diào)速，可通過全雙工增強(qiáng)型串口實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。

依據(jù)SST89E554RC單片機(jī)的引腳特性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各電機(jī)驅(qū)動信號由單片機(jī)P1口輸出，左右驅(qū)動電機(jī)占用P1.1～P1.6共6個端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調(diào)速信號輸出端口使用)，吸塵風(fēng)機(jī)和起塵電機(jī)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(jīng)調(diào)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(jīng)處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

2.2 驅(qū)動模塊

直流電機(jī)所需的驅(qū)動電壓、驅(qū)動電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅(qū)動芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片。L298N是推挽式功率放大專用集成電路器件，直流驅(qū)動電流總和可達(dá)4A，其內(nèi)部具有2個完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調(diào)速功能。在控制電路中，考慮到單片機(jī)會受到驅(qū)動部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅(qū)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(hù)電路，消除電機(jī)在起停、制動及換向時產(chǎn)生的反電勢。系統(tǒng)工作時，單片機(jī)P1口輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動芯片L298N，控制電機(jī)動作。當(dāng)需要調(diào)速時，只需改變PWM波(本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級調(diào)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(nèi)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(jī)器人正前方，系統(tǒng)工作時，通過匯編程序由P3.7口產(chǎn)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(shù)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(zhuǎn)變成電信號脈沖，對該信號進(jìn)行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機(jī)外部中斷口INT1，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，進(jìn)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(jù)超聲波測距原理計(jì)算出障礙物的距離。主程序中設(shè)定機(jī)器人行走過程中距離障礙物的最小距離，當(dāng)被測距離小于最小距離時，控制器向驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出避障指令，避開障礙物。本設(shè)計(jì)中利用軟件延時去除串?dāng)_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(jīng)反射就直接被接收器接收而引起假中斷。