自動清掃機(jī)器人研究

張健　陳立偉　郭玉驕　尚彥娜　章曉東

摘要：自動清掃機(jī)器人是基于自動控制基礎(chǔ)上，以飛思卡爾芯片為主控芯片，以超聲波傳感器、紅外避障傳感器等傳感器為輔，利用各種客觀條件進(jìn)行判斷，以達(dá)到機(jī)器人自動遍歷、清掃垃圾、對垃圾進(jìn)行分類以及自動充電等功能。文章對自動清掃機(jī)器人進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：自動清掃機(jī)器人；飛思卡爾芯片；超聲波傳感器；紅外避障傳感器；自動控制 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）10-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0858

隨著科學(xué)的發(fā)展，時代的進(jìn)步，越來越多的產(chǎn)品趨于自動化，電子類產(chǎn)品發(fā)展日新月異，給人們帶來了各種生活上的便利，比如聲控?zé)簟⒐饪責(zé)?、智能家居等。本?xiàng)目很好地解決了上述的各種問題，經(jīng)過我們項(xiàng)目組的調(diào)查，自動清掃類機(jī)器人在市場上就目前來看還是一個盲區(qū)。而本項(xiàng)目就是設(shè)計(jì)、制作的一個針對于學(xué)校及公司實(shí)驗(yàn)室的自動清掃機(jī)器人模型，該機(jī)器人僅以一片飛思卡爾芯片為核心芯片，以各種傳感器為輔，通過自動控制便能實(shí)現(xiàn)自動避障、遍歷、清掃、自動充電、垃圾分類等一系列功能。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但是所用器材均是市場常見，價格低廉，且具有普遍性，造價較低，具有很好的市場前景。

1 自動清掃機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

本系統(tǒng)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、電機(jī)驅(qū)動、穩(wěn)壓、自動充電電源等部分共同構(gòu)成自動清掃機(jī)器人。

1.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本自動清掃機(jī)器人是利用邊刷與舵機(jī)來控制垃圾分類，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由車體、四驅(qū)、大型機(jī)械抓等組成。系統(tǒng)的控制采用雙舵機(jī)協(xié)調(diào)控制，多個傳感器協(xié)同判斷以及垃圾分類等。能夠在機(jī)器人正常運(yùn)行的情況下，順利完成自動避障、遍歷、清掃、垃圾分類以及自動充電等功能。保證實(shí)驗(yàn)室的清潔。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制器組成

飛思卡爾（MC9S12XS128）芯片為主控，用來控制各個傳感器，選用飛思卡爾作為主控芯片的主要原因是其共有128個引腳，相對于51單片機(jī)，大大地增加了引腳數(shù)目，因此能夠連接更多的傳感器，另外飛思卡爾芯片在處理速度上要比51單片機(jī)快得多，這樣便不會導(dǎo)致判斷失誤等情況，例如，當(dāng)避障傳感器檢測到障礙物時，將信號傳給主控芯片，此時，主控芯片有較高的處理速度，能夠盡快處理，因而機(jī)器人能夠做出較快的反應(yīng)，不會導(dǎo)致程序紊亂。超聲波傳感器測距，主要用于遍歷，利用其測量機(jī)器人距障礙物距離來實(shí)現(xiàn)該功能。在此處，選擇超聲波傳感器而不選擇紅外避障，主要是因?yàn)槌暡▊鞲衅髂軌驅(qū)⒕嚯x的大小測出來，機(jī)器人可以通過所得數(shù)據(jù)來判斷自己的位置。另外，當(dāng)機(jī)器人移動時，可通過超聲波傳感器傳回的數(shù)據(jù)控制機(jī)器人能夠等間隔的移動，因此達(dá)到遍歷的目的。紅外避障傳感器，利用其配合使用，分別實(shí)現(xiàn)細(xì)微避障、識別大垃圾、垃圾分類等功能。紅外避障傳感器相比于超聲波模塊，其精度要高一些，因此到機(jī)器人移動時，碰到障礙物會準(zhǔn)確地檢測出來，此時機(jī)器人便可以根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)來判斷機(jī)器人距離障礙物有多遠(yuǎn)，從而達(dá)到更好的效果。另外，在垃圾分類處理方面也采用通過避障傳感器來判斷垃圾類型。在垃圾清理時，邊刷清掃小垃圾，舵機(jī)控制的機(jī)械臂來夾收大垃圾。此外，機(jī)器人還配備無線遙控器，機(jī)器人分為自動控制和手動控制，人們可根據(jù)不同的需要選擇自己的控制方式，在必要時，人們可以選擇人工控制方式。

2 自動清掃機(jī)器人電路原理

2.1 自動清掃機(jī)器人電路原理圖

2.1.1 主控芯片。主控芯片采用飛思卡爾MC9S12XS128作為主控芯片，其包含1個SPI模塊，8路16位計(jì)數(shù)器，1個CAN總線模塊，4個外部中斷，8路PWM，112管腳。由此可見該芯片引腳眾多，因此可以連接較多的傳感器，相對于51單片機(jī)，大大增加了引腳數(shù)目，因此能夠連接更多的傳感器，另外飛思卡爾芯片在處理速度上要比51單片機(jī)快得多，這樣便不會導(dǎo)致判斷失誤等情況，例如，當(dāng)避障傳感器檢測到障礙物時，將信號傳給主控芯片，此時，主控芯片有較高的處理速度，能夠盡快處理，因而機(jī)器人能夠做出較快的反應(yīng)，不會導(dǎo)致程序紊亂。

2.1.2 穩(wěn)壓電路。由于該機(jī)器人需要連接舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、超聲波傳感器、避障傳感器、紅外對管傳感器等耗電元器件，因此在控制機(jī)器人時，電源部分也是非常重要的一部分，于是我們采用如圖2所示電路，以此來提高輸出電流。

圖2

2.2 自動清掃機(jī)器人封裝電路圖

2.2.1 最小系統(tǒng)板封裝圖。該圖為最小系統(tǒng)板封裝電路圖，其中線路可通過合理的布局來提高電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，可以使機(jī)器人運(yùn)行更為穩(wěn)定。

圖3

2.2.2 穩(wěn)壓電路封裝圖。該電路為穩(wěn)壓模塊的封裝電路圖，在其中可以看到較多的粗線，通過這么多粗線，我們可以傳輸較大的電流，以保證對機(jī)器人供電穩(wěn)定。

圖4

3 控制軟件算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在算法設(shè)計(jì)上采用了PID算法設(shè)計(jì)，PID調(diào)節(jié)器中的P為比例環(huán)節(jié)，起放大作用。I為積分環(huán)節(jié)，可以消滅穩(wěn)態(tài)誤差。D為微分環(huán)節(jié)，可以加快系統(tǒng)的反應(yīng)。直流電機(jī)中加入PID調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)快速啟動。當(dāng)系統(tǒng)中突發(fā)干擾、負(fù)載變化或者使用者主動調(diào)速是，PID環(huán)節(jié)可以幫助電機(jī)縮減過渡時間、進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)整定參數(shù)后各個值，來計(jì)算整個系統(tǒng)各PWM的值。采用PID算法可以使機(jī)器人在整個運(yùn)行過程中，動作流暢，判斷準(zhǔn)確，相比于其他控制算法有較多的優(yōu)勢。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)在測試過程中，無外物干擾，一切運(yùn)行正常，自動清掃無誤，電池電壓低時機(jī)器人會自動回到電源處充電，能夠完成自動清掃任務(wù)、自動充電任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可以獨(dú)立完成自動清掃任務(wù)，大大節(jié)省了人力，并且可以自動遍歷，適應(yīng)性強(qiáng)，可面向市場，且大規(guī)模生產(chǎn)。

5 結(jié)語

本文對自動清掃機(jī)器人的硬件制作、電路原理以及軟件控制原理都做出了系統(tǒng)的介紹，系統(tǒng)結(jié)合了硬件模擬電路控制和單片機(jī)程序控制兩種方式，利用模擬電路實(shí)現(xiàn)各部分運(yùn)行基礎(chǔ)，以程序?yàn)檫\(yùn)行核心，進(jìn)行一系列自動清掃，構(gòu)成整個系統(tǒng)。該產(chǎn)品在測試過程中，表現(xiàn)出了靈活、準(zhǔn)確、高效等特點(diǎn)，而且該產(chǎn)品應(yīng)用價值較高，大大節(jié)約了人力資源，具有較好的市場前景。

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基金項(xiàng)目：西北民族大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：201410742015）。

作者簡介：張健，男（滿族），河北灤平人，西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院本科在讀學(xué)生，研究方向：電子信息工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）