基于單片機(jī)的多功能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

劉鑫 項(xiàng)瑜茜

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)的多功能掃地機(jī)器人，介紹了智能掃地機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用超聲波、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)避障和環(huán)境檢測(cè)，邊刷和吸塵電機(jī)進(jìn)行清潔，使用STM32 單片機(jī)作為控制芯片，有自主導(dǎo)航和手機(jī)APP兩種控制模式，掃地機(jī)器人在行走過(guò)程中采用混合路徑規(guī)劃技術(shù)，完成運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，同時(shí)可以接收手機(jī)APP模塊的指令，根據(jù)指令作出相應(yīng)的反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；掃地機(jī)器人；APP 控制；WIFI連接

1 引言

智能掃地機(jī)器人的出現(xiàn)讓人們從繁重的家庭清潔任務(wù)中解脫出來(lái)，從而可以將精力轉(zhuǎn)移到 更重要的領(lǐng)域中如何在保證清掃質(zhì)量的前提下更有效率地完成指定的清掃任務(wù)，是掃地機(jī)器人面臨的重要問(wèn)題。。改進(jìn)掃地機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及優(yōu)化其控制技術(shù)，對(duì)市場(chǎng)化的掃地機(jī)器人具有重大的研究意義[1]。目前智能掃地機(jī)器人的路徑全覆蓋規(guī)劃方法主要包括隨機(jī)覆蓋法、單元域分割法、模板匹配法等。單一的使用這些方法，存在著低覆蓋率及高重復(fù)率的缺點(diǎn)。為了避免單一路徑規(guī)劃帶來(lái)的缺陷，本設(shè)計(jì)提供了自主導(dǎo)航和手機(jī)APP遙控兩種控制模式：自主導(dǎo)航采用混合路徑規(guī)劃技術(shù)，完成運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃[2]，精準(zhǔn)定位家居環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全面有序清掃；APP遙控運(yùn)用WIFI進(jìn)行連接控制，使用更加方便。掃地拖地功能模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，方便更換，清潔效果良好。

2 掃地機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

掃地機(jī)器人的主要構(gòu)件有：行走裝置、清掃裝置、垃圾收集裝置、傳感檢測(cè)裝置、電源裝置、WiFi裝置等，采用混合路徑規(guī)劃技術(shù)[3]，完成運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，通過(guò)手機(jī)APP選擇不同的模式進(jìn)行工作，圖1為掃地機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖。供電模塊電源采用5200mAh的4S-14.8規(guī)格的航模電池，供機(jī)器人所有模塊用電，電源模塊連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)模塊以及LCD1602顯示模塊。主體模塊由傳感器、STM32控制器以及動(dòng)力裝置組成。掃地模塊由清掃垃圾的毛刷、吸塵集塵結(jié)構(gòu)、電機(jī)電路組成，拖地模塊，配備可拆卸拖布，加裝一個(gè)蠕動(dòng)泵來(lái)控制出水量，對(duì)地面進(jìn)行清潔。

2.1 掃地清潔模塊

為了避免其在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中卡住，該掃地機(jī)器人外形采用市面上常見(jiàn)的圓形結(jié)構(gòu)。在掃地機(jī)器人的底盤(pán)的靠前的方位，設(shè)計(jì)一個(gè)由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單向旋轉(zhuǎn)掃帚，工作時(shí)電機(jī)時(shí)刻旋轉(zhuǎn)。掃帚是一個(gè)圓柱體形狀的毛刷機(jī)構(gòu)，盡可能的靠近地面，選定合適的電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度帶動(dòng)掃帚。同時(shí)采取分離式吸塵技術(shù)[4]，引入抽風(fēng)機(jī)建立低壓環(huán)境，一方面，模仿簸箕加掃帚的清掃組合對(duì)付較大垃圾，輔助收集較小的垃圾；另一方面，使用下風(fēng)道和濾紙組合，增強(qiáng)單位面積的吸塵能力，完成清掃灰塵及顆粒狀垃圾的工作，并將垃圾清掃到垃圾收集裝置中存儲(chǔ)。

2.2 拖地清潔模塊

拖地模塊通過(guò)加裝一個(gè)蠕動(dòng)泵控制出水量，保證均勻出水，拖布被均勻潤(rùn)濕的同時(shí)可以控制使用水的量，從而減少拖地的次數(shù)。拖地模塊由亞克力制作底板、3D打印制作支撐、外部防護(hù)、水箱、水泵構(gòu)成。在抹布和底板中間附著帶有出水小孔的軟管來(lái)潤(rùn)濕抹布，控制水箱閥門(mén)選擇干拖或濕拖，完成不同的任務(wù)需求，拖布可根據(jù)地板材質(zhì)更換，易于拆卸清洗。

2.2 垃圾收集模塊

垃圾收集裝置安裝于掃地機(jī)器人底部，其前端有一塊緊貼在地面上的薄的刀片狀塑料，緊挨清掃裝置的后方，便于及時(shí)將垃圾掃入收集裝置中，避免垃圾從下方漏過(guò)，有效的保證行進(jìn)路線上垃圾的清掃效率。垃圾收納盒配有傳感器，當(dāng)垃圾盒雜物過(guò)多將發(fā)出報(bào)警。

2.3 動(dòng)力移動(dòng)模塊

單片機(jī)微處理器使用 PWM 控制方式，通過(guò) L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。使用兩個(gè)帶光電編碼器的直流減速電機(jī)放置于掃地車(chē)的后方，提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力讓掃地車(chē)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。并采用防滑輪胎避免小車(chē)打滑。通過(guò)光電編碼器記錄并計(jì)算小車(chē)行進(jìn)路程，清楚地知道其位置狀態(tài)信息。前面使用兩個(gè)固定方向的小輪，盡可能的使小車(chē)能夠趨于直線行駛。通過(guò)一個(gè)電機(jī)停轉(zhuǎn)一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，利用光電編碼器即可實(shí)現(xiàn)任意角度轉(zhuǎn)向。

3 掃地機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器感知功能

系統(tǒng)共設(shè)置4個(gè)傳感器構(gòu)建掃地機(jī)器人的基本“視覺(jué)”系統(tǒng)，兩個(gè)超聲波傳感器、兩個(gè)光電傳感器，所有傳感器均與車(chē)輪面平行放置：

超聲波模塊：采用HC-RS04具有精度強(qiáng)體積小的優(yōu)點(diǎn)，用于檢測(cè)障礙物距離和角度。運(yùn)用非徑向排列的避障方法，此模塊分辨率高達(dá)0.3cm，功耗低。模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm?；竟ぷ髟頌椋?/p>

（1）采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信號(hào)。

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

（3）有信號(hào)返回，通過(guò) IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間* 聲速（340M/S））/2。

光電傳感器：

掃地機(jī)器人感知功能算法實(shí)現(xiàn)如圖2所示，在傳感器中配置觸碰開(kāi)關(guān)、超聲波傳感器、光電傳感器。當(dāng)觸碰開(kāi)關(guān)被觸發(fā)后，執(zhí)行外部中斷系統(tǒng)，代表遇到障礙物；否則，左右兩個(gè)超聲波同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，2個(gè)光電傳感器依次占用模擬I?C通道，分時(shí)完成數(shù)據(jù)的測(cè)量和儲(chǔ)存，定時(shí)器控制每5ms刷新一次數(shù)據(jù)采集。

3.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)功能

為了讓機(jī)器人更加智能，在清潔的基礎(chǔ)上添加了溫濕度和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊，此模塊選擇DHT11數(shù)字溫濕度和MQ135環(huán)境檢測(cè)傳感器。DHT11 可以對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量，而 MQ135 可以對(duì)室內(nèi)的CO、笨、硫、甲醛等有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，且傳感器的穩(wěn)定性強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、能耗低。通過(guò)單片機(jī)獲取DHT11和 MQ135 測(cè)得的環(huán)境數(shù)據(jù)，將其顯示在LCD1602液晶屏上。

3.3 路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)

路徑規(guī)劃算法[5]主要是對(duì)感知系統(tǒng)收到的障礙信息進(jìn)行判斷和處理，系統(tǒng)采用混合路徑規(guī)劃算法，如圖2所示。優(yōu)先執(zhí)行中斷觸發(fā)算法，分別執(zhí)行左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)指令。若存在大面積的障礙物便開(kāi)始執(zhí)行單元域分割算法，掃地機(jī)器人依據(jù)“弓”字形路徑進(jìn)行清潔；對(duì)于小尺寸障礙物，采用循障礙物邊界進(jìn)行清潔，降低單位面積內(nèi)的功耗問(wèn)題；若檢測(cè)不到相應(yīng)尺寸大小的障礙物，便執(zhí)行的隨機(jī)覆蓋算法依據(jù)三角形軌跡進(jìn)行清潔[6]?；谠撍惴ǎ瑨叩貦C(jī)器人效率更高，更加節(jié)能。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 APP的設(shè)計(jì)

通過(guò) JAVA 語(yǔ)言設(shè)計(jì)一款輕便的 WIFI小車(chē) APP，APP與ESP8266-WIFI模塊之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而控制小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和調(diào)速等。

4.2 WIFI模塊

WIFI 模塊使用的是 ESP8266，它是一款超低功耗的 UARTWIFI 傳輸模塊，體積小，穩(wěn)定性好，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到 WIFI 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，從而使設(shè)備和 APP 之間進(jìn)行通信，方便的使用手機(jī)控制掃地機(jī)器人的行動(dòng)。

4.2 PWM 控制算法

電機(jī)控制算法如圖3，原理：通過(guò)控制單片機(jī)輸出的2路PWM波（A路：左邊B路：右邊）的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的加速減速停車(chē)等動(dòng)作。

當(dāng)小車(chē)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，PWM波占空比最大，小車(chē)沿直線全速前進(jìn)。

當(dāng)小車(chē)左前方有障礙物時(shí)，B路PWM波占空比減小，相應(yīng)的右輪減速，使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。

當(dāng)小車(chē)右前方有障礙物時(shí)，A路PWM波占空比減小，相應(yīng)的左輪減速，使小車(chē)向左轉(zhuǎn)。

當(dāng)小車(chē)正前方有障礙物時(shí)，優(yōu)先向左轉(zhuǎn)，A路PWM 波占空比減小，小車(chē)向左轉(zhuǎn)。

5 結(jié)論

本論文完成的多功能掃地機(jī)器人基于STM32單片機(jī)，采用多種傳感器不間斷地檢測(cè)周?chē)h(huán)境中的障礙物信息，根據(jù)混合路徑規(guī)劃算法控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡各個(gè)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，是集清潔、自動(dòng)導(dǎo)航、APP 控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能于一體的智能清潔機(jī)器人。目前智能掃地機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，掃地機(jī)器人已經(jīng)走入了我們的生活，它的功能也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大，我們的研究也要不斷深入，比如傳感器還有很大的進(jìn)步空間。在對(duì)掃地機(jī)器人研究的過(guò)程中自己還有許多不足的地方，以后要多加強(qiáng)這一方面的學(xué)習(xí)。

參考文獻(xiàn)

[1]孫曉雪，趙玉山.掃地機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)研究[J].科技資訊2017（28）：238-239.

（作者單位：1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系）