智能吸塵機器人及設計分析

王超

摘 要：隨著智能化技術的不斷發展，智能吸塵機器人成為智能化家居用品的主要類型之一。從科學技術發展角度來看，智能吸塵機器人在設計過程中融入了多種技術，是智能家居技術發展的代表物品;從未來市場占有率看，智能吸塵機器人的功能將會不斷增加，應用范圍也會隨之擴大，可以用于各種家居環境和公共場所。本文闡述了智能吸塵機器人的設計原理，并探討了智能吸塵機器人控制系統的設計方案，力求可以提高設計方案的合理性。

關鍵詞：智能吸塵機器人;設計原理;硬件設計;軟件設計

中圖分類號：TP242文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0034-03

Intelligent Cleaning Robot and Its Design Analysis

WANG Chao

（Suzhou Vocational and Technical College of Economics and Trade，Suzhou Jiangsu 215000）

Abstract： With the continuous development of intelligent technology， intelligent cleaning robot has become one of the main types of intelligent household products. From the perspective of science and technology development， the intelligent dust cleaning robot integrates a variety of technologies in the design process， which is the representative of the development of smart home technology; from the perspective of future market share， the functions of intelligent dust cleaning robot will continue to increase， and its application scope will also be expanded， which can be used in various home environment and public places. This paper described the design principle of the intelligent dust cleaning robot， and discussed the design scheme of the intelligent dust cleaning robot control system， so as to improve the rationality of the design scheme.

Keywords： intelligent vacuuming robot;design principle;hardware design;software design

機器人技術是21世紀的新型科學技術類型之一。為了滿足人們的生活需求，服務型機器人開始成為機器人領域的新型研究方向。當前生活中所應用的智能家居類型和功能逐漸增多，吸塵機器人作為重要代表，給現代人們的生活提供了極大的便利。在設計智能吸塵機器人時，應用了機器人技術、自動化技術、計算機技術及傳感技術等，為之后服務型機器人的發展打下了良好的技術基礎，并帶動其他新型技術的發展。此次選擇HSR2000型號的智能吸塵機器人作為研究對象，對其設計原理和控制系統設計方案進行分析。

1 智能吸塵機器人設計原理

在最初的智能吸塵機器人市場中，將電子元件作為機器人設計的基礎元件，將小型的機器人作為依托，同時在其中加入自動控制系統、機電一體化系統，最終形成智能吸塵器。傳統的吸塵器設計原理較為復雜，在設計過程中需要添加多個繁雜的結構，對于普通的市場用戶而言使用起來較為麻煩，且售賣價格高，應用范圍有限，這給智能吸塵機器人的發展造成了制約。HSR2000智能吸塵機器人利用兩輪進行驅動，使用萬向輪支撐機器人，可以讓機器人在工作過程中靈活轉動[1]。智能吸塵機器人前端為傳感器，傳感器為整體式接觸類型，可以提供3個方位所傳來的碰撞信號。在機器人的四周放置了14個帶有超聲波技術的傳感器，可以對前方、后方、左方、右方進行全方位感知，并且能夠檢測到障礙物。機器人的驅動結構中放置了2個增量式編碼器，可以對系統進行定位。在控制系統設計的核心部分，設計了2個CPU，分為主CPU和從CPU，2個CPU分別進行分布計算，可以提高智能吸塵機器人的實時性。

該智能吸塵機器人主要有以下5項功能。第一，可以在智能吸塵機器人的人機界面自主設定用戶的使用參數，包括機器人的清掃方式及時間。第二，以智能吸塵機器人的充電座為起點，按照墻壁的邊界進行清掃和行走，記錄智能吸塵機器人的行走軌跡，自動形成電子化地圖。第三，智能機器人能根據最初設定的程序選擇清掃方式，執行所設定的任務，在清掃過程中還能主動避開所遇到的障礙，并對自身的電壓進行監測。第四，智能吸塵機器人完成清掃任務后或者在執行任務時電量不充足，能夠自行回到原有的位置進行充電。第五，智能吸塵機器人中設計有時鐘功能，使其可以按照所設定的時間按時完成任務。

智能吸塵機器人工作流程如圖1所示。

2 智能吸塵機器人控制系統設計方案

2.1 硬件設計

2.1.1 CPU控制模塊體系。主CPU和從CPU使用的單片機分別為80C196KC及AT89C52。其中，前者負責監測電池使用情況，并與從CPU進行通信和數據轉化;后者負責實現定位功能，并將智能吸塵機器人的位置、姿態信息傳遞給上位機。主CPU的外圍接口選擇PLD器件，具體型號為GAL6V8B，能處理其中各個模塊的位置信息。主CPU還包括具有高速傳輸功能的輸入口及輸出口，可以對直流電機進行控制驅動，調節直流電機的速度。

2.1.2 驅動系統設計。在設計智能機器人的驅動系統時，使用直流電機的驅動芯片，同時選擇HSO口對直流電機進行控制。結合直流電機在進行地面清掃時的運行速度及給定占空比之間的關系來進行智能化的速度調整。

2.1.3 電源模塊設計。對電源模塊進行合理和科學設計能為智能吸塵機器人提供多級電壓。智能吸塵機器人原本所帶有的充電電池輸出24 V電源，該電源可以直接對直流電機進行供電，能夠被當作驅動電壓。通過兩級電壓變化之后，8 V電壓能對超聲波電路進行驅動控制，5 V電壓可以對主板進行供電。

2.1.4 時鐘模塊設計。在設計時鐘模塊的過程中，應當選擇DALLAS公司型號為12887的芯片，該芯片的內部自帶電池，經過初始化之后能進行持續的工作。當電路通電時，充電電路可以自主充電，同時還能根據系統的運行情況進行定時中斷，滿足了智能吸塵機器人對時鐘功能控制需求[2]。

2.1.5 超聲波信號發射、接收模塊設計。在設計超聲波信號的數據處理模塊時，電路為單獨狀態下的振蕩電路，該電路所產生的信號頻率和幅值均為固定值，分別為40 kHz、5 V。在設計智能吸塵機器人的探頭時，會將其進行緊密布置，因此在工作過程中探頭之間會出現互相干擾的情況。為了避免探頭干擾影響智能機器人的運行，需要在其中加入路選電路。通過這一電路的增加，能夠要求各路超聲探頭根據最初系統設計的順序開展循環清掃。在振蕩信號的影響下，發射探頭也會在遇到障礙時發出信號，接收探頭在接收信號之后會按照幅值大小以及測距原理評估出和障礙物之間的距離。

2.2 軟件設計

2.2.1 核心控制層設計。這一層的任務包括對功能函數進行選擇，根據定位信息和視覺信息設計控制策略，針對運行情況進行自動中斷等，大體上可以被分為3個模塊，即任務管理模塊、智能決策管理模塊、智能中斷管理模塊，不同模塊對應不同的功能函數。

2.2.1.1 任務管理模塊。此處的任務并不單單是指清掃的任務，同時還包括系統需要實現的各種功能[3]。首先需要進行任務劃分，智能吸塵機器人需要完成的任務可分為沿邊運行行為學習、構建電子化地圖、自動充電、對接充電及對周圍環境進行清掃。其次是任務調度，任務調度是將所構建的任務代碼按照原有的執行順序放置在任務列表中，當完成其中一個任務之后就執行另一個任務代碼。

2.2.1.2 智能決策管理模塊。智能決策是智能吸塵機器人設計過程中需要關注的最為主要和核心的部分，需要機器人結合定位視覺信息對所處環境進行布局分析，自動選擇應對策略，從而完成自動前進、自動后退及自動旋轉等各種動作。

2.2.1.3 智能中斷管理模塊。該模塊主要包括AD中斷、定時中斷以及串口中斷等中斷任務，可以利用中斷任務對視覺信息和定位信息進行分析。為了保證智能吸塵機器人信息處理的實時性，中斷管理程序需要和信息處理程序通過信號量進行持續通信，保持兩者處于同步狀態[4]。

2.2.2 姿態控制層設計。姿態控制層是指對機器人的姿態進行控制，智能吸塵機器人按照決策層所發送的指令自動完成前進或者后退等工作，完成姿態轉換。除此之外，還需要接收傳感器所傳遞的數據和信息，并對其進行處理，達到數據融合的效果。在多個傳感器進行數據融合之前，需要先對超聲信號賦予權值，利用所對應的算法來達到數據融合。數據融合后所得出的結果會再次發送給核心控制模塊，最終完成決策判斷。在這一層中需要使用2個變量對智能吸塵機器人內部不同直流電機進行姿態控制，2個變量分別控制運行狀態及運行速度。

2.2.3 定位層設計、視覺信息處理設計和驅動層設計。定位層、視覺層、驅動層指的是利用智能吸塵機器人中主CPU里各個中斷模塊來完成對直流電機的速度、超聲波信號發射、信號接收以及主CPU、從CPU通信進行管理。同時，也需要對接觸信息及紅外傳感數據進行收集和檢測，為數據融合任務的進行提供基礎數據。這一層分為定位模塊設計，利用串口通信中斷完成定位數據的發送和傳遞;視覺信息收集設計，利用多個傳感器來對多個方位的情況進行處理;驅動模塊設計，對機器人的運行速度進行調整，保證智能吸塵機器人的有序運行[5]。

3 結語

智能吸塵機器人的市場發展前景極其廣闊，符合現代人的生活理念。隨著市場的發展，機器人的設計方案也需要與時俱進，這樣才能為向人們提供更多的智能化服務。HSR2000智能吸塵機器人具備智能化的清掃功能，并且運動規劃方案具有可靠性，控制策略較為完善，能適應各種環境，避開所遇到的障礙，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1]孔令棚.基于STC89C52的拖掃一體機的設計[J].電子設計工程，2019（15）：90-94.

[2]李靜，邱昌勝.淺談涂裝自動擦凈機器人系統的技術開發及應用[J].現代涂料與涂裝，2018（4）：45-47.

[3]常成惠.智能掃地機器人的發展趨勢[J].大眾用電，2019（1）：49.

[4]肖獻法.針對“背街小巷”，北京環衛集團推出一系列新款小型化、智能化清潔設備[J].商用汽車，2017（12）：86-90.

[5]袁力蓉，譚文君，朱皓陽，等.智能吸痰機器人安全性和有效性的實驗研究[J].臨床醫學研究與實踐，2020（17）：5-8.