掃地機器人硬件與軟件設計

摘?要：隨著機器人不斷融入社會發(fā)展的各個領域，智能化程度較高的機器人得到了人們的廣泛認可，而貼近人們日常生活的機器人不但能為人們提供高品質的生活水平，更能提高人們的工作效率。因此，掃地機器人越來越普及，也得到了世界各國的普遍關注，具有巨大的市場潛力。本次設計的掃地機器人是選用STC89C52型的單片機作為主控核心，其具備系統(tǒng)集成度較高、運行速度較快以及可靠性良好等優(yōu)點。本次設計主要集中于掃地機器人的內部結構設計即控制系統(tǒng)的設計。基于單片機的掃地機器人控制系統(tǒng)的硬件設計主要包括電機正反轉驅動電路部分、自主循跡避障部分以及數碼管顯示部分等。通過52單片機對普通直流電機的起始、停止、順時針旋轉、逆時針旋轉的控制實現小車運行狀態(tài)的變化。同時，結合單片機PWM的電機變速功能，實現速度可調，使設計更加完善。

關鍵詞：掃地機器人;單片機;避障

2002年，伊萊克斯公司在原有高質量吸塵器的基礎上，成功研制出全球第一款全自動掃地機器人——“三葉蟲”掃地機器人。同時，iRobot公司也先后生產了7代智能家務機器人“Roomba”，最終成為了這一領域具有代表性的產品。

2010年前后，我國國內的掃地機器人品牌不斷涌現，而且均逐步實現了產業(yè)化。目前，國內市場已擁有很多掃地機器人品牌，如科沃斯、iRobot、Xrobot、海爾、美的、Prosenic、飛利浦和三星等知名品牌。然而在中國本土成立且具備完整的核心自主研發(fā)研發(fā)能力的掃地機器人企業(yè)并不是很多[1]。

近幾年，掃地機器人這一產品的普及速度越來越快，而且其市場發(fā)展也十分迅速。在掃地機器人的前期發(fā)展階段，其主要以改進掃地效能為主。在現階段，掃地機器人除了在保證較優(yōu)良的清掃效果的基礎上，還在大趨勢地影響推動下，一定會走向多傳感器融合、導航以及路徑規(guī)劃等智能化核心技術的發(fā)展道路。

1 掃地機器人的設計方案

掃地機器人總體由4部分組成：系統(tǒng)主控制部分、執(zhí)行電機部分、傳感器部分和電源部分。主控系統(tǒng)的設計是基于AT89C52型單片機的控制系統(tǒng)，主要包括對傳感器進行響應、對顯示部分元器件的控制以及對執(zhí)行電機的控制等[2]。執(zhí)行電機部分和小車避障是掃地機器人的主要構成部分。整體設計是機器人的前面是由兩個電機獨立驅動的兩個車輪，而后輪則是利用小球作為萬向輪。其中車輪電機采用是無刷直流電機，傳感器部分即用來進行探測和檢測的，能夠保證機器人完成既定作業(yè)，顯示部分則是對應輸入和輸出部分，通過數碼管顯示來實現人機交互功能，電源部分經過分析選用可充電鋰電池進行供電[3]。

2 系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件主要由四個模塊構成：單片機的控制模塊、紅外線避障模塊、電機的控制模塊及數碼管顯示模塊。

紅外避障模塊主要在小車在作業(yè)時檢測到前方有障礙物時，由單片機發(fā)出指令使小車停止，包括了38KHz的紅外發(fā)射模塊和接收比較模塊。同時與555定時器芯片組成一個多諧振蕩器，根據實際情況，需要設計出一個38KHZ方波信號[8]。

本次設計的小車電機選用帶有齒輪組的直流減速電機，由脈沖寬度調制（PWM）來完成調速功能。電機驅動芯片選擇L298N，它的優(yōu)點是在它的內部包含有一個4通道的邏輯驅動電路，是單塊集成電路還能夠接收DTL或TTL邏輯電平。一般用于驅動感性負載（如繼電器、直流和步進電機等）和用到的開關功率晶體管[3]。

本次設計采用的是基于脈沖寬度調制原理的H型橋式驅動電路，此外還需要TLP521-2光耦集成塊，它可以將控制部分與電動機的驅動部分隔為兩塊，在它的輸入端可以設計一個三極管來放大自身的驅動電流。具體工作流程是當單片機接收到相應輸入控制指令后，CPU通過P1.0或P1.1任意一個端口來輸出與電機轉速匹配的PWM脈沖，而另一口則輸出的是低電平，輸出的先經過信號放大器放大，再進行光耦傳遞，最終驅動橋式電動機控制電路，這樣便可以控制電動機的轉向以及轉速[4]。控制系統(tǒng)的電源電壓統(tǒng)一為5V。

3 掃地機器人的軌跡規(guī)劃

機器人的路徑規(guī)劃就是指在某種特定的優(yōu)化指標下，機器人感知到工作環(huán)境信息后，自主作業(yè)的起始點和目標點自動選擇出一條完美避障的路徑，從而實現機器人的歷遍功能，達到清掃區(qū)域的全面覆蓋的目標。一般基于機器人對其工作環(huán)境的感知認識程度大致可以分為以下兩種類型：

（1）全局路徑規(guī)劃：環(huán)境信息能完全被機器人感知;

（2）局部路徑規(guī)劃：環(huán)境信息未知或部分未知，要獲取目標清掃區(qū)域中障礙物的信息（位置、形狀和大小），這就需要機器人傳感器檢測子系統(tǒng)對其所處工作環(huán)境進行實時探測[9]。

本次掃地器人在設計中采用的是紅外線傳感器，但由于紅外探測的有效范圍受到限制加之目標清掃區(qū)域的不確定性，故在本次設計中添加機器人的邊沿學習。邊沿學習方式是指讓掃地機器人從作業(yè)前指定的某個位置按順時針或逆時針沿著墻壁和經過靠近墻壁的障礙物邊緣處繞著環(huán)境運動一圈，并且需要在機器人行走的過程中檢測出機器人中心的坐標，完成邊沿學習后，機器人就可以初步感知出清掃區(qū)域的大致情況以及障礙物的具體分布坐標。在行進過程中記錄下當y坐標達到最大值Ymax時，x能達到的最大值Xmax（考慮到障礙物可能存在于墻壁的右下角）[7]。

在設計機器人的移動定位時，傳統(tǒng)的方法是采用編碼器定位即推算定位，主要原理是：將光電碼盤固定在掃地機器人的車輪輪軸上，由光電碼盤來記錄機器人移動前行的距離，從而可以知道兩輪各自前行的運動距離，從而完成作業(yè)時的運動信息的推算。將光電碼盤裝在電機的輪軸上，由于左右兩輪都有各自的驅動電機，所以它可以隨著車輪一起轉動，從而根據兩個車輪的運動距離來知道機器人的位置和方向[10-12]。

4 歷遍路徑規(guī)劃方案

為了實現掃地機器人的全區(qū)域覆蓋即實現歷遍功能，就必須事先設計好掃地機器人的行走規(guī)律，此次設計中選擇了“往返式路徑規(guī)劃方法”，并分為兩種情況進行討論設計方案[7]。

4.1 清掃區(qū)域中無障礙物

當清掃區(qū)域內無任何障礙物出現，則主要由控制程序來驅動掃地機器人在該區(qū)域內做直線帶狀往復運動。當掃地機器人的紅外傳感器檢測到其運動到x方向的最大位置時，則機器人繞右側輪子順時針旋轉180°，同時在機器人轉角時，只需要驅動一個驅動輪，而以另一個驅動輪為支點旋轉轉，這樣便能保證掃地機器人在轉過180°后恰好前進了一個機身車位，這樣就能實現其歷遍功能，完成在往返清掃的過程中不留下清掃死去的目標。

4.2 清掃區(qū)域中有障礙物

（1）靠最遠處墻壁的障礙物，如障礙物D;

（2）不靠墻壁的障礙物，如障礙物C;

（3）其他位置靠墻的障礙物。

在進行正式清理前，掃地機器人先進行了邊沿學習，因此提前獲得了空間的邊緣信息，這樣便可以自動將其他靠墻障礙物視為墻壁進行處理。遇到清掃區(qū)域中非靠墻障礙物時，這時掃地機器人則利用紅外測距傳感器沿著障礙物的邊沿運動，直到機器人在y軸方向移動一個車身機位，然后轉180°運動[8]。

當機器人遇到障礙物并移動到x軸上的最大或最小位置時，它將沿障礙物長度方向沿y軸行進一段距離，然后繼續(xù)清潔另一側的區(qū)域的障礙;當遇到的障礙物是位于最遠處墻壁處時，y軸達到最大值、x軸方向未達到Xmax，這時前方的紅外傳感器檢測到障礙物時，機器人就會繞過障礙物運動到y(tǒng)軸方向的最遠處，清掃之前剩余的區(qū)域;當y軸方向和x軸方向同時達到最大值即之前邊沿學習檢測到的最大值位置時，立刻停止檢測[13-14]。

5 結論

本次設計是以集成度較高、功能強大的AT89C52型的單片機作為主控核心進行掃地機器人控制系統(tǒng)的硬件設計，基本原理是利用單片機對直流電機的起始、停止、旋轉（逆時針或順時針）的進行控制來驅動小車完成既定目標，其中也用到了PWM調速的設計。

掃地機器人的設計具備以下亮點：

（1）擁有自主歷遍功能;

（2）設計有紅外自動避障功能擁有一定的智能化。

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作者簡介：蘇健（1996—?），男，漢族，黑龍江大慶人，碩士，研究方向：繼續(xù)教育。