基于嵌入式stm32的掃地機器人

張麗 李伙生 何永樂 林浩云 董大維 馮其立 吳怡漫

（佛山科學技術學院 電子信息工程，廣東 佛山 528200）

引言

現(xiàn)在的掃地機器人市場正在蓬勃發(fā)展，2017年國內(nèi)銷售了將近400萬臺。國內(nèi)外巨頭爭相入場。嵌入式掃地機器人的基本思路是將特定模塊程序編寫進單片機內(nèi)部，通過多項傳感器收集外部環(huán)境信息，將信息傳輸給單片機內(nèi)部對應的模塊程序進行數(shù)據(jù)處理，得出下一步指令，將指令傳達給機器人相應的作用部位，達到自動、智能的完成指定任務的目的。

一、總體方案設計

本智能機器人基于STM32開發(fā)平臺開發(fā)。主要由供電模塊、主體模塊以及清潔模塊組成。供電模塊電源采用了4.7V 18650鋰電池組的電源。電源直接與電機相連，提供所需要動力。主體模塊由傳感器模塊、動力模塊和運算控制器組成。清潔模塊由三項無刷電機等清掃垃圾的元件構(gòu)成。總體流程圖如圖1所示。

（一）掃地功能設計

清潔模塊主要采用了三項無刷電機（圖2）和灰塵收納箱。用三項無刷電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生低壓環(huán)境，進而改變空氣壓強差。

圖2 三項無刷電機

三項無刷電機采用的是方波自控式永磁同步電機，使用霍爾傳感器，永磁材料使用釹鐵硼作為轉(zhuǎn)子。它的優(yōu)點有：效率高，能耗低，噪音小，壽命長等。動力系統(tǒng)的組成部件有三部分，分別是：轉(zhuǎn)子，定子和位置傳感器。

通過無刷電機的運行使灰塵和小型垃圾被吸入灰塵收納箱來滿足清潔的需求。

流程圖如圖3所示

圖3 清潔流程圖

（二）路徑算法分析

路徑算法主要是：當小車的工作系統(tǒng)判斷周圍障礙物與小車之間的距離小于一定程度時，啟動相應的中斷程序，調(diào)整方向。當判斷前方有斷層（樓梯或大坑）時，緊急制動，調(diào)整方向繼續(xù)工作。路徑工作流程如圖4所示。

圖4 路徑工作流程圖

二、系統(tǒng)硬件設計

（一）電機驅(qū)動電路

動力驅(qū)動系統(tǒng)由兩個MINI 4WD 130馬達提供動力，通過兩個MINI 4WD 130馬達進行差速旋轉(zhuǎn)達到轉(zhuǎn)向目的。

（二）傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)采用了超聲波測距模塊、TCRT5000光電傳感器模塊和光耦測速系統(tǒng)

超聲波測距模塊選取了US-026，其特點為高性能、低成本。模塊的芯片選取了超聲波測距芯片CS100。超聲波測距模塊可以在2cm到6m的距離范圍內(nèi)精確測量，十分穩(wěn)定可靠。

TCRT5000光電傳感器模塊是一款紅外反射式光電開關，其核心是TCRT5000紅外光電傳感器。傳感器由高靈敏光電晶體管和高發(fā)射功率紅外光電二極管組成。TCRT5000光電傳感器模塊輸出的信號需要使用施密特電路整形。

光耦測速系統(tǒng)的測速信號由碼盤產(chǎn)生，其原理為通過使用stm32f103zet6的輸入捕獲模式來獲取高電平時間，取10次高電平時間，去掉一個最大值和一個最小值取加權(quán)平均。并帶入數(shù)學弧長公式，即可獲得當前車速。

三、結(jié)語

本文完成了基于嵌入式的掃地機器人的設計，采用了多種傳感器，實現(xiàn)了精準進行掃地、最優(yōu)路徑的目標，且成本低，耗能少，在家庭的使用中十分方便。在多次的實驗中，仍有需要改進的地方，比如由于自身儲量的有限，對于體積大的垃圾以及液體垃圾未能清理干凈，在后續(xù)試驗中，可增加拖地等的功能。