0 引 言

移動(dòng)機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)器人的主體，決定了清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式結(jié)構(gòu)。傳感器系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構(gòu)成多傳感器系統(tǒng)。隨著近年來控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵系統(tǒng)在原理上與傳統(tǒng)立式吸塵器相同，主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更多考慮結(jié)構(gòu)尺寸、集成度以及一些輔助機(jī)構(gòu)的合理布置和利用，以此來提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，最終目標(biāo)是通過軟硬件的合理設(shè)計(jì)，使智能清潔機(jī)器人能夠自動(dòng)避開障礙物，實(shí)現(xiàn)一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。

1 測(cè)控系統(tǒng)組成及功能

智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)主要包括控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。其原理如圖1所示?；谇鍧崣C(jī)器人自身體積盡可能小的原則，本設(shè)計(jì)將控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)及相關(guān)電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開來。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統(tǒng)，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送控制器；采用8位單片機(jī)SST89E554RC作為控制器，控制器對(duì)傳感器信號(hào)加以判斷，根據(jù)判斷結(jié)果，選定相應(yīng)的控制策略，并控制語音系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)；在相應(yīng)的控制策略下，通過專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)避障功能；同時(shí)，控制器控制小型雙風(fēng)機(jī)真空吸塵系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的清掃。

圖1 系統(tǒng)原理

該新型智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，該平臺(tái)為圓形結(jié)構(gòu)，兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，具備完整的吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等功能模塊。最終將在該平臺(tái)上對(duì)本文所介紹的測(cè)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2 智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU控制模塊

CPU采用美國(guó)SST公司制造的8位單片機(jī)SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標(biāo)準(zhǔn)的8051器件管腳對(duì)管腳兼容。片內(nèi)擁有1 kB字節(jié)RAM空間，3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，4個(gè)8位I/O端口，擁有可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA),可提供5路256級(jí)PWM調(diào)速，可通過全雙工增強(qiáng)型串口實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。

依據(jù)SST89E554RC單片機(jī)的引腳特性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)P1口輸出，左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)占用P1.1～P1.6共6個(gè)端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調(diào)速信號(hào)輸出端口使用)，吸塵風(fēng)機(jī)和起塵電機(jī)分別占用P1.0和P1.7口；紅外反射式傳感器和接觸傳感器檢測(cè)信號(hào)分別送給 P2口的P2.0～P2.7共8個(gè)端口；超聲波接收器信號(hào)經(jīng)調(diào)理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個(gè)觸摸式選擇屏的觸摸信號(hào)經(jīng)處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

直流電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是推挽式功率放大專用集成電路器件，直流驅(qū)動(dòng)電流總和可達(dá)4A，其內(nèi)部具有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調(diào)速功能。在控制電路中，考慮到單片機(jī)會(huì)受到驅(qū)動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅(qū)動(dòng)部分在電氣上隔離開來。采用8個(gè)1N5822高速大電流肖特基二極管組成續(xù)流保護(hù)電路，消除電機(jī)在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)。系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)P1口輸出的控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，控制電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)，只需改變PWM波(本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)速。

2.3 障礙物檢測(cè)模塊

2.3.1 超聲波檢瀏部分

超聲波是一種一定頻率范圍的聲波，頻率為40kHz的超聲波信號(hào)在空氣中的傳播效率最佳。本文選用中心頻率40kHz，測(cè)距范圍在5m以內(nèi)的普通超聲波傳感器。傳感器發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機(jī)器人正前方，系統(tǒng)工作時(shí)，通過匯編程序由P3.7口產(chǎn)生精確的40kHz發(fā)射脈沖，每隔25ms發(fā)射一組脈沖，每組的脈沖個(gè)數(shù)取6～10個(gè)，以保證發(fā)射波具備良好的傳播性和反射性。發(fā)射波遇到障礙物反射回來，被接收器接收，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)脈沖，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機(jī)外部中斷口INT1，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，進(jìn)入中斷處理程序，獲取從發(fā)射波發(fā)出到收到反射波時(shí)的時(shí)間間隔即測(cè)距時(shí)間，由此即可根據(jù)超聲波測(cè)距原理計(jì)算出障礙物的距離。主程序中設(shè)定機(jī)器人行走過程中距離障礙物的最小距離，當(dāng)被測(cè)距離小于最小距離時(shí)，控制器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出避障指令，避開障礙物。本設(shè)計(jì)中利用軟件延時(shí)去除串?dāng)_帶來的誤操作，即在發(fā)射波發(fā)出一段時(shí)間后，再打開外部中斷，避免發(fā)射波不經(jīng)反射就直接被接收器接收而引起假中斷。