家用機器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計

翁浩宇 張鶴東 張亞東 朱貴鴻

自動清掃機器人是當今服務(wù)機器人領(lǐng)域一個熱門的研究方向。從理論和技術(shù)上講，自動清掃機器人比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代表性，從市場前景角度講，自動清掃機器人將大大降低勞動強度、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，包括計算機、傳感器、電機與動力傳動機構(gòu)、電源、吸塵器、電源開關(guān)、操作電位計等，在清掃機的頂部共設(shè)有三個超聲波距離傳感器;清掃機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)成清掃機測距系統(tǒng);清掃機裝有兩臺直流電機;在清掃機的底部安裝有吸塵器機構(gòu)。自動清掃機器人的功能是自動完成房間空曠地面尤其是家居空曠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，騰出空曠地面。清掃機完成的主要功能：能自動走遍所以可進入的房間，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器人的總體布局方案，前后兩輪為萬向輪，左右兩輪為驅(qū)動輪。驅(qū)動輪設(shè)計采用兩輪獨立且各由兩臺步進電動機驅(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?？紤]到機器人實際應(yīng)用的實用性，本驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計成一個獨立的可方便替換的模塊，當機器人驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，只需簡單步驟就可以對驅(qū)動部分進行替換。同時為了機器人能夠靈活的運動，從動輪選用萬向輪。

自動清掃機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：第一層裝配各運動部件的驅(qū)動電機、傳動機構(gòu);第二層為垃圾存儲空間;第三層裝配機器人控制系統(tǒng)、接線板、電源電池、開關(guān)等。

自動清掃機器人控制系統(tǒng)硬件主要是以單片機AT89C51作為核心，輔助其外圍電路、電機驅(qū)動電路、傳感器檢測電路以及紅外遙控電路等，各模塊在單片機的控制下，相互協(xié)調(diào)工作，保證自動清掃機器人各種功能的實現(xiàn)。該控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。傳感器在清掃機器人上的布置如圖下所示，圖中紅色的圓點代表六個紅外傳感器的位置。

下圖為清掃機的硬件系統(tǒng)：

步進電機作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種自動化設(shè)備中。步進電機和普通電動機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電機分別驅(qū)動兩個驅(qū)動輪，通過通電方式的不同使自動清掃機器人的行走機構(gòu)達到前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運動姿態(tài)。自動清掃機器人的吸塵器則采用直流電機（H橋式電路）驅(qū)動。

下圖為步進電機驅(qū)動電路：

采用以AT89C51單片機為核心的紅外接收電路和步進電機驅(qū)動電路。紅外遙控器發(fā)射不同的碼值來控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動停止。單片機通過對紅外信號的解碼來實現(xiàn)步進電機的變速。紅外發(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)中斷對程序運行的干擾， 應(yīng)對接近開關(guān)的中斷處 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)彎標志位 （ 1或 0）來判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時處，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. 5 m， 第一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為 50 cm， 以后每圈的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增 30 cm。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長 （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： 行走時若為左轉(zhuǎn)， 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; 若無障礙物： 按行走規(guī)則繼續(xù)行進， 在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機器人吸塵器轉(zhuǎn)彎。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處有障礙物， 后退，避開障礙物后再轉(zhuǎn)彎， 前進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)域的精確長、寬值與內(nèi)圈行走軌跡寬度 30 cm相除， 商即為長、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)達到所需的次數(shù)， 即認為清掃完畢， 剩余矩形區(qū)域的清掃在終止模塊中完成。

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)對各子程序的調(diào)用， 并要充分考慮到各級中斷信號對程序運行的影響， 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， 這有可能導致程序運行出錯， 故DSP需在程序最開始首先屏蔽所有中斷。鍵盤的檢測由單片機實現(xiàn)， 用戶若想通過鍵盤設(shè)定吸塵器工作方式， 則必須在開機后20 s內(nèi)開始操作， 該20 s的延時由DSP提供， 20 s后若無鍵按下， 則認為用戶未設(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)用或進入中斷時實現(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; 中斷的相關(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)中斷處理，系統(tǒng)設(shè)計中共有4路中斷信號需要處理， 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級的外部中斷X INT1;兩個事件管理模塊EVA和EVB在產(chǎn)生PWM 波形時用到了優(yōu)先級為2級的定時器1和定時器3的周期中斷; 此外， 陀螺儀的測量值經(jīng)ADC 轉(zhuǎn)換時用到了中斷優(yōu)先級為6級的ADC 中斷。

結(jié)束語：掃地機器人控制系統(tǒng)主控及主要功能模塊程序的調(diào)試和仿真表明， 主控模塊通過對各子程序的調(diào)用， 按一定時序完成了對吸塵器的控制， 各主要功能模塊滿足設(shè)計要求。如避障模塊通過對采集到的超聲波信號和接近開關(guān)信號的判斷和處理， 很好地完成了對障礙物的自動感知和自主躲避; 步進電機及吸塵電機控制精度較高等。