環(huán)保型復(fù)合式避障清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

梁辰滔， 閆娟， 張浩， 陳榮華， 何濤

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

由于工業(yè)發(fā)展所導(dǎo)致的日趨嚴(yán)峻的環(huán)境形勢(shì)以及大眾環(huán)保意識(shí)的不斷提高，傳統(tǒng)能源的缺點(diǎn)與環(huán)保主義之間的矛盾日趨尖銳，新型能源憑借其清潔、高效、可再利用性強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸走入了日常生活生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。其中，太陽能作為典型的優(yōu)秀新型能源，擁有頗具潛力的發(fā)展空間和廣闊的經(jīng)濟(jì)前景。隨著科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，結(jié)合“綠色經(jīng)濟(jì)”的主流發(fā)展背景，將新型環(huán)保能源與智能家居機(jī)器裝置相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)在行業(yè)中占據(jù)了主流意識(shí)，為順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種能夠有效利用綠色環(huán)保資源的清潔機(jī)器人。

1 清潔機(jī)器人整體控制設(shè)計(jì)方案

清潔機(jī)器人整體設(shè)計(jì)由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊以及電源模塊等模塊以及提供輔助功能的顯示器、按鈕開關(guān)等外圍器件組成，各部分由C52單片機(jī)控制指揮，協(xié)調(diào)配合工作。

1）控制芯片。采用STC89C52RC作為控制核心，將各模塊與器件聯(lián)系起來，通過程序的運(yùn)行控制各個(gè)模塊的運(yùn)行與配合。

2）數(shù)據(jù)顯示器。由一組四位共陽數(shù)碼管組成，用于直觀反映機(jī)器人的工作參數(shù)。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由行進(jìn)驅(qū)動(dòng)和滾刷驅(qū)動(dòng)兩部分組成，行進(jìn)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)控制機(jī)器人兩后輪的運(yùn)動(dòng)，滾刷驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)清潔裝置部分的滾刷工作。

4）傳感器組。由于采用復(fù)合式避障方式，故機(jī)器人使用超聲波傳感器與輕觸開關(guān)組成傳感器組，超聲波傳感器部分負(fù)責(zé)機(jī)器人前方范圍內(nèi)的避障探測(cè)，而輕觸開關(guān)負(fù)責(zé)機(jī)器人四周及后方的避障檢測(cè)，提高機(jī)器人避障的穩(wěn)定性。

5）供電電源。由一塊太陽能電池板以及兩塊蓄電池組組成，兩塊蓄電池組分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)與滾刷電機(jī)的供電。

2 清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

主控部分以STC89C52單片機(jī)為核心，通過I/O信號(hào)口與傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、按鍵開關(guān)等相連接，工作時(shí)負(fù)責(zé)接收來自超聲波傳感器以及輕觸開關(guān)傳送的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行分析處理，然后將具體的工作數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管直觀反饋到用戶端，同時(shí)通過PWM端使驅(qū)動(dòng)電路對(duì)行進(jìn)電機(jī)與滾刷電機(jī)以及舵機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到避障、清掃的目的。

圖1 智能清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊原理示意圖

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)上采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，穩(wěn)定性高，采用鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作。可以直接驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，并提供了5 V輸出接口（輸入最低只要6 V），可以給5 V單片機(jī)電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)），支持3.3V MCU控制，可以由單片機(jī)模擬PWM信號(hào)控制兩后輪的速度與方向。圖1為驅(qū)動(dòng)模塊原理示意圖。

機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用兩個(gè)直流電機(jī)后驅(qū)，結(jié)合前萬向輪的方式完成裝置的運(yùn)動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)兩直流電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，帶動(dòng)前萬向輪即可實(shí)現(xiàn)較小位移范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向，提高機(jī)器人在狹小空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)能力。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊由一個(gè)超聲波傳感器與多個(gè)輕觸開關(guān)組成，其中，超聲波傳感器安裝在舵機(jī)上，并用固定支架將其固定于機(jī)器人前端，通過舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及超聲波傳感器測(cè)距相結(jié)合，實(shí)時(shí)探測(cè)機(jī)器人前端180°范圍內(nèi)的工作環(huán)境，后方及兩側(cè)的輕觸開關(guān)在超聲波傳感器無法精確處理機(jī)器人后方位置狀態(tài)的時(shí)候，起到一個(gè)保證其正常安全工作的作用。同時(shí)由一組四位共陽數(shù)碼管組成數(shù)據(jù)顯示器，通過單片機(jī)處理，實(shí)時(shí)反饋顯示超聲波傳感器的測(cè)距數(shù)據(jù)，便于裝置的調(diào)試與檢測(cè)。

2.4 電源模塊

電源模塊采用兩塊7.2 V鎳氫可充電池以及一塊太陽能電池板組成，其中太陽能電池板安裝在機(jī)器人頂部通過充電電路與其中一塊鎳氫可充電池連接，這樣，當(dāng)清潔機(jī)器人在太陽能電池板的工作條件下工作時(shí)，太陽能轉(zhuǎn)化為鎳氫電池的電能儲(chǔ)存起來，由另一塊電池為清潔機(jī)器人供電，當(dāng)環(huán)境不適合太陽能電池板工作時(shí)，用波動(dòng)開關(guān)將電路切換到由備用鎳氫電池供電的電路，保證機(jī)器人的正常工作供電。

2.5 清潔模塊

采用滾筒式毛刷和海綿吸液裝置復(fù)合工作方式，海綿吸液裝置部分置于機(jī)器人底部，采用PVA高密度吸水海綿，液體處理能力更加出色，滾筒由一個(gè)直流電機(jī)通過齒輪組連接帶動(dòng)工作，和收集器一起由固定件安裝在裝置底部中間的主要工作位置，滾筒毛刷采用防靜電尼龍材質(zhì)毛刷，耐磨損，不附塵，這樣的復(fù)合裝置既能掃除干燥雜物，又能吸收處理液體污物，提高清潔效率與質(zhì)量，在面對(duì)復(fù)雜工作條件時(shí)能發(fā)揮更好的作用。圖2為系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖。

3 清潔機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在實(shí)際工作環(huán)境下，先按下機(jī)器人開關(guān)，舵機(jī)先執(zhí)行歸中程序?qū)⒊暡▊鞲衅髡龑?duì)機(jī)器人前方工作區(qū)，清潔模塊根據(jù)環(huán)境條件調(diào)控選擇至太陽能電池或蓄電池供電方式，同時(shí)滾刷開始由電機(jī)帶動(dòng)工作，由超聲波傳感器對(duì)前方進(jìn)行測(cè)距，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)反饋之?dāng)?shù)碼管顯示，當(dāng)清潔機(jī)器人與前方障礙物距離大于安全距離時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)并開始工作，海綿裝置吸收處理地面液體污物，碎紙細(xì)屑則由滾筒毛刷卷入其后的收集器中，超聲波傳感器保持對(duì)前方的測(cè)距處理，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到前方障礙物小于安全距離時(shí)，機(jī)器人開始執(zhí)行避障程序：用延時(shí)函數(shù)控制其短暫后退一小距離然后停止，超聲波傳感器隨舵機(jī)由單片機(jī)進(jìn)行PWM控制轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人前方180°角范圍進(jìn)行障礙測(cè)距，經(jīng)程序檢測(cè)分析，若機(jī)器人與兩邊障礙均大于安全距離，則向距離更遠(yuǎn)的一方保持原地轉(zhuǎn)向（兩直流電機(jī)相反向轉(zhuǎn)動(dòng)）后前進(jìn)。若只有一方小于安全距離，則轉(zhuǎn)向另一方后前進(jìn)。若與兩邊障礙均小于安全距離，則沿原路后退一小段距離后再次進(jìn)行如上方式測(cè)距，直至安全距離。當(dāng)檢測(cè)到前方距離小于安全距離的時(shí)候，進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)，停止前進(jìn)并對(duì)前方180°范圍進(jìn)行測(cè)距處理，或當(dāng)內(nèi)部定時(shí)器時(shí)間到的時(shí)候，保持前進(jìn)并對(duì)前方180°范圍進(jìn)行測(cè)距處理。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 結(jié)語

提出了一種基于STC89c52為控制核心，以小車為運(yùn)動(dòng)載體，有效利用環(huán)保太陽能，采取多傳感器組合避障的智能清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)，其電源模塊設(shè)計(jì)，既滿足清潔機(jī)器人的工作條件，又符合現(xiàn)代環(huán)?？萍嫉挠^念，是未來可能形成的一種發(fā)展趨勢(shì)，可進(jìn)一步通過添加電池電壓檢測(cè)模塊、太陽能檢測(cè)模塊等等，進(jìn)一步優(yōu)化配置程序，使之做到自動(dòng)根據(jù)環(huán)境因素調(diào)節(jié)選擇供電方式。本機(jī)器人避障程序邏輯清楚實(shí)用，能夠及時(shí)避開障礙物，提高了清潔機(jī)器人的工作效率與穩(wěn)定性，但路徑較為無規(guī)律，適用于簡(jiǎn)單理想環(huán)境，若工作于復(fù)雜環(huán)境之下，可考慮加入更高精度路徑規(guī)劃，如沿內(nèi)螺旋式“回”字型路徑、區(qū)域遍歷算法等。

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