自動清掃機器人研究

張健　陳立偉　郭玉驕　尚彥娜　章曉東

摘要：自動清掃機器人是基于自動控制基礎上，以飛思卡爾芯片為主控芯片，以超聲波傳感器、紅外避障傳感器等傳感器為輔，利用各種客觀條件進行判斷，以達到機器人自動遍歷、清掃垃圾、對垃圾進行分類以及自動充電等功能。文章對自動清掃機器人進行了研究。

關鍵詞：自動清掃機器人；飛思卡爾芯片；超聲波傳感器；紅外避障傳感器；自動控制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）10-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0858

隨著科學的發展，時代的進步，越來越多的產品趨于自動化，電子類產品發展日新月異，給人們帶來了各種生活上的便利，比如聲控燈、光控燈、智能家居等。本項目很好地解決了上述的各種問題，經過我們項目組的調查，自動清掃類機器人在市場上就目前來看還是一個盲區。而本項目就是設計、制作的一個針對于學校及公司實驗室的自動清掃機器人模型，該機器人僅以一片飛思卡爾芯片為核心芯片，以各種傳感器為輔，通過自動控制便能實現自動避障、遍歷、清掃、自動充電、垃圾分類等一系列功能。該機器人結構雖然復雜，但是所用器材均是市場常見，價格低廉，且具有普遍性，造價較低，具有很好的市場前景。

1 自動清掃機器人的系統結構和組成

本系統是由機械結構、控制器、電機驅動、穩壓、自動充電電源等部分共同構成自動清掃機器人。

1.1 系統機械結構

本自動清掃機器人是利用邊刷與舵機來控制垃圾分類，其機械結構如圖1所示，系統的機械結構由車體、四驅、大型機械抓等組成。系統的控制采用雙舵機協調控制，多個傳感器協同判斷以及垃圾分類等。能夠在機器人正常運行的情況下，順利完成自動避障、遍歷、清掃、垃圾分類以及自動充電等功能。保證實驗室的清潔。

圖1 系統機械結構示意圖

1.2 控制器組成

飛思卡爾（MC9S12XS128）芯片為主控，用來控制各個傳感器，選用飛思卡爾作為主控芯片的主要原因是其共有128個引腳，相對于51單片機，大大地增加了引腳數目，因此能夠連接更多的傳感器，另外飛思卡爾芯片在處理速度上要比51單片機快得多，這樣便不會導致判斷失誤等情況，例如，當避障傳感器檢測到障礙物時，將信號傳給主控芯片，此時，主控芯片有較高的處理速度，能夠盡快處理，因而機器人能夠做出較快的反應，不會導致程序紊亂。超聲波傳感器測距，主要用于遍歷，利用其測量機器人距障礙物距離來實現該功能。在此處，選擇超聲波傳感器而不選擇紅外避障，主要是因為超聲波傳感器能夠將距離的大小測出來，機器人可以通過所得數據來判斷自己的位置。另外，當機器人移動時，可通過超聲波傳感器傳回的數據控制機器人能夠等間隔的移動，因此達到遍歷的目的。紅外避障傳感器，利用其配合使用，分別實現細微避障、識別大垃圾、垃圾分類等功能。紅外避障傳感器相比于超聲波模塊，其精度要高一些，因此到機器人移動時，碰到障礙物會準確地檢測出來，此時機器人便可以根據傳感器的數據來判斷機器人距離障礙物有多遠，從而達到更好的效果。另外，在垃圾分類處理方面也采用通過避障傳感器來判斷垃圾類型。在垃圾清理時，邊刷清掃小垃圾，舵機控制的機械臂來夾收大垃圾。此外，機器人還配備無線遙控器，機器人分為自動控制和手動控制，人們可根據不同的需要選擇自己的控制方式，在必要時，人們可以選擇人工控制方式。

2 自動清掃機器人電路原理

2.1 自動清掃機器人電路原理圖

2.1.1 主控芯片。主控芯片采用飛思卡爾MC9S12XS128作為主控芯片，其包含1個SPI模塊，8路16位計數器，1個CAN總線模塊，4個外部中斷，8路PWM，112管腳。由此可見該芯片引腳眾多，因此可以連接較多的傳感器，相對于51單片機，大大增加了引腳數目，因此能夠連接更多的傳感器，另外飛思卡爾芯片在處理速度上要比51單片機快得多，這樣便不會導致判斷失誤等情況，例如，當避障傳感器檢測到障礙物時，將信號傳給主控芯片，此時，主控芯片有較高的處理速度，能夠盡快處理，因而機器人能夠做出較快的反應，不會導致程序紊亂。

2.1.2 穩壓電路。由于該機器人需要連接舵機、步進電機、直流電機、超聲波傳感器、避障傳感器、紅外對管傳感器等耗電元器件，因此在控制機器人時，電源部分也是非常重要的一部分，于是我們采用如圖2所示電路，以此來提高輸出電流。

圖2

2.2 自動清掃機器人封裝電路圖

2.2.1 最小系統板封裝圖。該圖為最小系統板封裝電路圖，其中線路可通過合理的布局來提高電路數據傳輸的準確性，可以使機器人運行更為穩定。

圖3

2.2.2 穩壓電路封裝圖。該電路為穩壓模塊的封裝電路圖，在其中可以看到較多的粗線，通過這么多粗線，我們可以傳輸較大的電流，以保證對機器人供電穩定。

圖4

3 控制軟件算法設計

本系統在算法設計上采用了PID算法設計，PID調節器中的P為比例環節，起放大作用。I為積分環節，可以消滅穩態誤差。D為微分環節，可以加快系統的反應。直流電機中加入PID調節器，可以實現快速啟動。當系統中突發干擾、負載變化或者使用者主動調速是，PID環節可以幫助電機縮減過渡時間、進入新的穩定狀態。根據整定參數后各個值，來計算整個系統各PWM的值。采用PID算法可以使機器人在整個運行過程中，動作流暢，判斷準確，相比于其他控制算法有較多的優勢。

4 實驗結果

本系統在測試過程中，無外物干擾，一切運行正常，自動清掃無誤，電池電壓低時機器人會自動回到電源處充電，能夠完成自動清掃任務、自動充電任務。實驗結果表明，該機器人可以獨立完成自動清掃任務，大大節省了人力，并且可以自動遍歷，適應性強，可面向市場，且大規模生產。

5 結語

本文對自動清掃機器人的硬件制作、電路原理以及軟件控制原理都做出了系統的介紹，系統結合了硬件模擬電路控制和單片機程序控制兩種方式，利用模擬電路實現各部分運行基礎，以程序為運行核心，進行一系列自動清掃，構成整個系統。該產品在測試過程中，表現出了靈活、準確、高效等特點，而且該產品應用價值較高，大大節約了人力資源，具有較好的市場前景。

參考文獻

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[3] 陳永強，魏金成，吳昌東，等.模擬電子技術[M].北京：人民郵電出版社，2013.

基金項目：西北民族大學國家大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：201410742015）。

作者簡介：張健，男（滿族），河北灤平人，西北民族大學電氣工程學院本科在讀學生，研究方向：電子信息工程。

（責任編輯：周 瓊）