基于ARM處理器的吸塵機器人硬件設計

摘 要： 設計一款具有自主吸塵功能并且結構簡單、成本低的小型家用吸塵機器人，實現了室內半自動或者全自動的清潔工作，從一定程度上代替人們做繁雜的家務。在硬件選型上，以ARM Cortex??M3處理器為核心，設計了專門的電機驅動板，通過光電編碼反饋電路實現行走模塊的閉環控制。主要對傳感器模塊進行開發，通過合理布置傳感器，采用多種傳感器融合，使超聲波和紅外光電傳感器協調工作實現對遠近距離障礙物的精確檢測，提高了對障礙物的準確識別，能夠實現自主避障吸塵。

關鍵詞： 吸塵機器人； 硬件策略； ARM處理器； 超聲傳感器； 紅外測障傳感器

中圖分類號： TN911?34； TP242.3 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0103?03

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。使服務機器人有了廣闊的市場，已成為一些企業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、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。

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、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。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，用來檢測周圍環境。

2 硬件主體設計

硬件系統主要由ARM Cortex??M3處理器、傳感器模塊、電機驅動模塊、人機交互模塊、無線遙控發射模塊組成。

2.1 ARM Cortex??M3處理

機器人控制系統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上顯示機器人狀態和運行時間。因此，機器人控制系統包括傳感器模塊，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

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可以有效地完成障礙物的檢測[1]。

（2）紅外和碰撞傳感器模塊

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）[4]。

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。

3 結 語

通過這樣的硬件設計，清潔機器人控制系統，既能滿足良好的實用性，還降低了成本，工作穩定可靠。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有著重要現實意義。

參考文獻

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