掃地機(jī)器人原理及實現(xiàn)

1、掃地機(jī)器人原理及實現(xiàn)掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計自動清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個熱門的研究方向。從理論和技術(shù)上講， 自動清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性，從市場前景角度講，自動清掃機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)度、 提高勞動效率， 適用于賓館、 酒店、 圖書館、辦公場所和大眾家庭。 因此開發(fā)自動清掃機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場前景。家用智能清掃機(jī)，包括計算機(jī)、傳感器、電機(jī)與動力傳動機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開關(guān)、操作電位計等，在清掃機(jī)的頂部共設(shè)有三個超聲波距離傳感器；清掃機(jī)底部前方邊沿安裝有5個接近開關(guān)，接近開關(guān)與超聲波距離傳感器一起， 構(gòu)成清掃機(jī)

2、測距系統(tǒng)； 清掃機(jī)裝有兩臺直流電機(jī)； 在清掃機(jī)的底部安裝有吸塵器機(jī)構(gòu)。 自動清掃機(jī)器人的功能是自動完成房間xx地面尤其是家居xx地面的清掃除塵任務(wù)，打 掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁，騰出xx地面。清掃機(jī)完成的 主要功能：能自動走遍所以可進(jìn)入的房間，可以自動清掃吸塵，可在遙控和手控狀態(tài)下清掃吸塵。本文所介紹的自動清掃機(jī)器人的總體布局方案如圖 1所示，前后兩輪為 xx ， 左右兩輪為驅(qū)動輪。 驅(qū)動輪設(shè)計采用兩輪獨(dú)立且各由兩臺步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)向方式，通過控制左右兩輪的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。 考慮到機(jī)器人實際應(yīng)用的實用性， 本驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計成一個獨(dú)立的可方便替換的模塊， 當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，

3、 只需簡單步驟就可以對驅(qū)動部分進(jìn)行替換。 同時為了機(jī)器人能夠靈活的運(yùn)動， 從動輪選用 xx 。下圖為自動清掃機(jī)的三維xx ：自動清掃機(jī)器人車箱體采用框架式結(jié)構(gòu)。從下至上分隔成三個空間：第一層裝配各運(yùn)動部件的驅(qū)動電機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)；第二層為垃圾存儲空間；第三層裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)、接線板、電源電池、開關(guān)等。自動清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要是以單片機(jī)AT51 作為核心， 輔助其外圍電路、 電機(jī)驅(qū)動電路、 傳感器檢測電路以及xx 遙控電路等，各模塊在單片機(jī)的控制下， 相互協(xié)調(diào)工作， 保證自動清掃機(jī)器人各種功能的實現(xiàn)。 該控制系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。 傳感器在清掃機(jī)器人上的布置如圖下所示，圖中紅色的圓點(diǎn)代表六

4、個xx 傳感器的位置。下圖為清掃機(jī)的硬件系統(tǒng)：掃地機(jī)器人原理及實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電動機(jī)不同之處在于它是一種可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作中傳遞轉(zhuǎn)矩的同時還可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，通過通電方式的不同使自動清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)達(dá)到前進(jìn)、后退、XX、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動姿態(tài)。自動清掃機(jī)器人的吸塵器則采用直流電機(jī)（H橋式電路）驅(qū)動。下圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路:采用以AT51單片機(jī)為核心的xx接收電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。xx遙控器發(fā)射不同的碼值來控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以 及啟動停止。單片機(jī)通過對xx信

5、號的解碼來實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。xx 發(fā)射器原理圖如下所示：設(shè)計行走功能模塊程序設(shè)計系統(tǒng)選用了圖 3所示的行走方案。程序設(shè)計時要考慮：吸塵器在外圈行走時,為了避免接近開關(guān)xx對 程序運(yùn)行的干擾，應(yīng)對接近開關(guān)的xx處 理程序做 相應(yīng)處理。由于 吸塵器兩動力輪的中心與車體中心不重合，故采用以一輪為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過檢測轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位（1或0）來判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎掃地機(jī)器人原理及實現(xiàn)時處， 根據(jù)吸塵器外形的幾何尺寸計算吸塵器遇墻停止后 , 后退再轉(zhuǎn)彎的時間。 吸塵器內(nèi)圈行走時的轉(zhuǎn)彎依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實現(xiàn)。 當(dāng)超聲波傳感器 1 的值小于等于設(shè)定值時, 吸塵器轉(zhuǎn)彎?？紤]到超聲波傳感器的最小量程為 0. , 第

6、一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為 , 以后每圈的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增 。吸塵器單向行駛至轉(zhuǎn)彎結(jié)束的過程稱為一次單向清掃過程。若某次單向行駛結(jié)束后檢測到超聲波傳感器1 的值小于轉(zhuǎn)彎設(shè)定值, 則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎 , 然后前進(jìn)至墻停止,整個房間清掃完畢。設(shè)計躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計避障總規(guī)則 : 利用超聲波實測值與已測得的房間 xx （ 寬 ） 值的比較 , 判斷某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物 : 行走時若為 xx, 采用左避讓規(guī)則 ; 行走時若為右轉(zhuǎn) , 采用右避讓規(guī)則。 障礙物避開后按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn); 若無障礙物 : 按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn), 在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機(jī)器人吸塵器轉(zhuǎn)彎

7、。 若吸塵器可以轉(zhuǎn)彎, 則轉(zhuǎn)彎 , 本次單向清掃完畢 ; 若吸塵器不能轉(zhuǎn)彎, 說明下次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物 ,后退 , 避開障礙物后再轉(zhuǎn)彎 , 前進(jìn)至通過障礙物邊線后 , 本次單向清掃完畢。 避障功能是在行走功能基礎(chǔ)上實現(xiàn)的 , 分為內(nèi)圈避障程序設(shè)計和外圈程序設(shè)計。 清掃完畢的判斷方案: 用外圈行走結(jié)束后清掃區(qū)域的精確 xx 、 寬值與內(nèi)圈行走軌跡寬度相除 , 商即為 xx 、 寬方向上各自所需的單向清掃次數(shù), 有余數(shù)則說明還有一塊寬度小于 30cm 的矩形區(qū)域需要清掃。在執(zhí)行內(nèi)圈避障時 , 只要長或?qū)捜我夥较蛏系膯蜗蚯鍜叽螖?shù)達(dá)到所需的次數(shù), 即認(rèn)為清掃完畢 , 剩余矩形區(qū)域的清掃在終止模

8、塊中完成。車體姿態(tài)調(diào)整功能模塊程序設(shè)計， 為保證車體運(yùn)行時不偏離軌道,采用陀螺儀傳感器監(jiān)視車體運(yùn)動狀況。當(dāng)車體偏移量達(dá)到一定值時,通過控制行進(jìn)方式調(diào)整車體姿態(tài)。 當(dāng)車體偏轉(zhuǎn)角度大于10%時, 開始調(diào)整車體姿態(tài)。 首先判斷車體偏轉(zhuǎn)的方向并記錄車體偏轉(zhuǎn)角度。 為使車體能最大限度地回到原位置, 采用一個動力輪不動 , 另一動力輪倒轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)車體姿態(tài)調(diào)整。 使用該方案調(diào)整車體位置后, 車體并不一定能恰好回到原位置, 但誤差已經(jīng)很小 , 可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。車體姿態(tài)調(diào)整程序流程如圖所示。主控程序是吸塵器工作的主體邏輯。在主控程序中需要完成DSP的初始化設(shè)置, 考慮各功能模塊間的邏輯關(guān)系 , 實現(xiàn)對各

9、子程序的調(diào)用，并要充分考慮到各級xx信號對程序運(yùn)行的影響，做出正確的處理、協(xié)調(diào)。主控程序流程如圖所示。用戶操作鍵盤時接近開關(guān)可能會工作,這有可能導(dǎo)致程序運(yùn)行出錯，故DSPT在程序最開始首先屏蔽所有xx 。 鍵盤的檢測由單片機(jī)實現(xiàn), 用戶 xx 通過鍵盤設(shè)定吸塵器工作方式則必須在開機(jī)后20 s內(nèi)開始操作，該20 s的xx由DSP1供，20 s后若無鍵按下 , 則認(rèn)為用戶未設(shè)定吸塵器工作狀態(tài), 系統(tǒng)按自動方式開始工作 ; 20 s 后若有鍵按下, 則將等待用戶輸入完畢后 , 按照用戶設(shè)定要求工作。系統(tǒng)初始化程序設(shè)計，系統(tǒng)的初始化程序是系統(tǒng)各功能實現(xiàn)的前提。給狀態(tài)寄存器賦值，保證子程序調(diào)用或進(jìn)入xx

10、時實現(xiàn)CPU各種狀 態(tài)的保存 ; 數(shù)據(jù)存儲區(qū)配置; 輸出口的選擇及功能設(shè)定; xx 的相關(guān)寄存器處理; 累加器的溢出方式選擇及系統(tǒng)的時鐘頻率的選定等功能都在初始化程序中實現(xiàn)。系統(tǒng)xx處理，系統(tǒng)設(shè)計中共有4路xx信號需要處理，其中8路接近 開關(guān)和4路超聲波傳感器共用優(yōu)先級為1級的外部xxX INT1; 兩個事件管理模塊EV屏口EVBfc產(chǎn)生PWM形時用到了優(yōu)先級為2級的定時器1 和定時器3的周期xx；止匕外，陀螺儀的測量值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換時用到了 xx 優(yōu)先級為6級的 ADC xx。外部 xxX INT1 的處理，由于 8路接近開關(guān)和超聲波傳感器共用XINTIxx,故在響應(yīng)該xx時應(yīng)首先判斷是哪個外

11、部設(shè)備產(chǎn)生的 xx請求, 然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。若為接近開關(guān)xx,單片機(jī)向雙口 RAM8040h元 寫0,若為超聲波xx則寫1, DSP通過讀8040憚元內(nèi)容來判斷是哪個 外設(shè)產(chǎn)生的xx:若為超聲波傳感器發(fā)出的xx,在其xx服務(wù)程序中只 需重新開xx即可（這是因為進(jìn)入xx服務(wù)程序時，系統(tǒng)自動關(guān)閉xx）; 若為接近開關(guān)xx, 需判斷該接近開關(guān)是否工作。工作時, 則在 xx服務(wù)程序中還要執(zhí)行停止程序 , 否則只需開xx 即可。是第幾個接近開關(guān)工作，單片機(jī)就在雙口 RAM 8033第元中寫幾，若同時有多個接近開關(guān)工作 , 則單片機(jī)從8033 單元的最低位起將其序號依次寫入。 DSP只需依照此規(guī)則便可根據(jù)8033贈1元內(nèi)容判斷是哪個接近開關(guān)工作。ADCx處理，吸塵器在測距模塊中車體旋轉(zhuǎn)180。，左、右轉(zhuǎn)及姿態(tài)調(diào)整的過程中都會響應(yīng) ADC xx, 故在執(zhí)行上述功能的程序時分別向012E周元寫0、1、2、3,功能實現(xiàn)后再向012E理元寫4,這樣，響應(yīng)xx時便可在xx服務(wù)程序中通過查詢012E周元的內(nèi)容來判斷車體的運(yùn)動情況 , 從而執(zhí)行不同的服務(wù)程序。定時器周期xx 處理，定時器周期xx 的處理相對簡單, 只需在 xx 服務(wù)