吸附式自動擦黑板機器人的設(shè)計與應(yīng)用

申鵬 王麒宣 褚昊霖 何敬聰 毛旭東

摘 ?要： 為了更加環(huán)保、高效地清掃黑板上的字跡，保障老師和學(xué)生的身體健康，設(shè)計一種吸附式自動擦黑板機器人，該機器以STM32為核心，多種傳感器協(xié)同工作，使得機器具有清掃、吸附、移動等功能，可以自動或手動清掃黑板上的字跡，清掃完成后返回固定起始位置。實際運行結(jié)果表明，該機器可以正常運行，并且高效地完成對黑板字跡的清掃，同時收集粉塵。

關(guān)鍵詞：機器人;STM32;傳感器;吸附

中圖分類號： TP249????文獻標(biāo)識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.09.028

本文著錄格式：申鵬，王麒宣，褚昊霖，等. 吸附式自動擦黑板機器人的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（9）：120-123

Design and Application of Adsorptive Automatic Blackboard Cleaning Robot

SHEN?Peng¹， WANG Qi-xuan²， CHU Hao-lin¹?， HE Jing-cong¹?， MAO Xu-dong²

（1. Harbin University Of Commerce of Computer and Information Engineering， Harbin， HeiLongJiang， 150000， China）

【Abstract】： Nowadays black boards are widely used in almost every educational institute.?They are large in size，?for that reason it is very time consuming process to erase the writings from the board with duster.?Using duster also reduce the visual quality of the board. Considering this “adsorptive automatic blackboard cleaning robot”， an automatic system can solve these problems. Our system consists of a set of sensors and STM32，?as the core，?in order to achieve this mechanism.?The robot has horizontal movements?and it cleans the blackboards while absorbing the dust. It is possible to control the robot by a remote control system or by a hand. The actual experience results show that the robot can work efficiently on cleaning?the blackboard handwriting，?and collecting dust.

【Key words】：?Robot; STM32; Sensors;?Adsorptive

0??引言

當(dāng)今教學(xué)，雖然多媒體技術(shù)廣泛使用，但是教師使用粉筆板書依然是主流。傳統(tǒng)的黑板擦，體積小巧，成本低，但其結(jié)構(gòu)簡單，功能單一。在擦拭黑板的過程中，費時費力，而且容易產(chǎn)生大量粉塵，被師生吸入體內(nèi)，會對身體健康造成危害，這無疑是廣大師生日常面對的健康殺手^[1]。為了解決上述問題，本文基于STM32設(shè)計一種吸附式自動擦黑板機器人，可將其吸附在黑板上，機器人會按設(shè)定的路線移動清掃黑板上的字跡，并將粉塵吸進儲塵盒中，比傳統(tǒng)擦拭方法更加有效，擦拭效率和效果顯著提高，從而提高課堂效率和保證師生健康^[2]。

1??總設(shè)計思路

總體設(shè)計框圖如圖1所示，采用STM32作為主控芯片，由電機驅(qū)動、探測傳感器等八個模塊組成。使用者首先要將黑板的尺寸通過遙控器告知給機器，機器會根據(jù)輸入尺寸計算要行走行數(shù)和行移動距離，然后按‘S型軌跡移動^[3]。如圖2所示，機器內(nèi)部的滾刷會將沿途的字跡清掃下來，風(fēng)機將粉塵吸入儲塵盒。使用者可以通過紅外遙控器手動控制機器去指定位置清掃。黑板右上角會安裝鐵質(zhì)擋板

以及充電器，機器清掃完畢后會返回起始位置，通過電磁鐵模塊磁力吸附在鐵質(zhì)擋板，以達(dá)到停機固定的效果^[4]。

2??系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1探測傳感器模塊的設(shè)計

探測傳感器由一對紅外線發(fā)射與接收管組成，發(fā)射管對黑板表面發(fā)射紅外線，接收管負(fù)責(zé)接收，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或反射回來強度不夠大時，探測模塊輸出端對應(yīng)輸出不同的電壓值，由此判斷黑板上是否有字跡。

2.2角度傳感器模塊的設(shè)計

角度傳感器模塊由LM393雙電壓比較器和N1000060單軸角度傳感器組成，該模塊測量的角度范圍為0°到180°，對應(yīng)正比輸出0.5?V到4.5?V電壓值，可通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集，由此判斷機體當(dāng)前是否水平移動。當(dāng)機器需要轉(zhuǎn)彎時，控制兩個行走電機正反轉(zhuǎn)，采集機體當(dāng)前的角度，使機體準(zhǔn)確的進行‘U型轉(zhuǎn)彎。兩個電位器可以調(diào)節(jié)測量角度范圍，調(diào)整精度為±1°。

2.3氣壓傳感器模塊的設(shè)計

氣壓傳感器模塊由惠斯通電橋傳感器和調(diào)理芯片構(gòu)成，模塊內(nèi)含差分放大、自動校準(zhǔn)、溫度補償?shù)入娐?，可直接測量-5?kPa到0的壓強，對應(yīng)正比輸出0.5?V到4.5?V電壓值，可通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集，只有當(dāng)機器內(nèi)部負(fù)壓到達(dá)完全吸附的閾值時，機器方可脫離固定的電磁鐵。

2.4碰撞傳感器模塊的設(shè)計

機器四周裝有八個碰撞傳感器。當(dāng)機器到達(dá)黑板邊緣時，機器外殼上的碰撞傳感器會被按壓，并發(fā)出信號給總控制芯片，總控制芯片這時會控制機器后退進行U型轉(zhuǎn)彎動作。

2.5電機驅(qū)動模塊設(shè)計

電機驅(qū)動模塊由A4950驅(qū)動芯片、穩(wěn)壓器和光電隔離器構(gòu)成，可控制電機正反轉(zhuǎn)，使得機器完成轉(zhuǎn)彎動作，此模塊自帶限流保護功能，過流時不會斷電，但會限制最大輸出電流。主控芯片IO口與IN1，IN2連接，可通過設(shè)置PWM占空比，改變了電機輸出扭矩的大小，由此來調(diào)節(jié)行走電機的速度。

3??軟件設(shè)計

在Keil環(huán)境下，使用C語言編寫控制程序，程序流程圖如圖6所示。擦黑板機器人自我保護的

優(yōu)先級最高，自我保護步驟為：當(dāng)機器清掃到黑板邊緣處產(chǎn)生碰撞時，總控芯片會控制電機，使其到達(dá)安全區(qū)域繼續(xù)清掃，同時氣壓傳感器采集機器吸附狀態(tài)，對應(yīng)地調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速。探測傳感器，碰撞傳感器連接在STM32的中斷引腳上，碰撞傳感器的中斷優(yōu)先級最高。角度和電壓傳感器則接在STM32內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器管腳，調(diào)用1?ms定時器中斷服務(wù)，對模擬量進行采集。電機和風(fēng)機調(diào)速則通過調(diào)用定時器改變PWM占空比來實現(xiàn)^[5]。

軟件系統(tǒng)首先對各模塊進行初始化。包括ADC、PWM和I/O口的設(shè)置等。初始化完成后，讀取人機交互模塊的參數(shù)，包括開關(guān)狀態(tài)及紅外遙控傳回的數(shù)據(jù)。然后開始進入無限循環(huán)，讀取各傳感器模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，控制電機和風(fēng)機工作^[6]。

4??分析與測試

機器人靜止貼附在黑板表面時，主要受到負(fù)壓吸附力、重力和靜摩擦力作用，其中靜摩擦力來自履帶和清潔裝置對玻璃表面的相互作用。假設(shè)忽略受壓后履帶和海綿的回彈，機器人驅(qū)動結(jié)構(gòu)的履帶輪與黑板表面剛性接觸，清潔裝置壓縮后使之與機器人底盤成為剛性連接，即黑板對清潔裝置的支持力會通過清潔裝置傳遞到機器人本體，機器人在靜止?fàn)顟B(tài)下的受力如圖7所示。

其中固定坐標(biāo)系為{}、機器坐標(biāo)系為{}，、、。是機器人清潔裝置和黑板表面的靜摩擦系數(shù)，，是機器人履帶輪和黑板表面的靜摩擦系數(shù)，如圖所示是機器所在坐標(biāo)系軸與固定坐標(biāo)系軸的夾角。

聯(lián)立（1）（2）（3）可以算出在靜止?fàn)顟B(tài)機械所受的臨界壓力。通過算的臨界壓強^[7]。經(jīng)過理論計算和反復(fù)實驗，如圖8所示，最終確定機器吸附壓強閾值約為-2.8?Kpa。傳感器輸出電壓為2.26?V。當(dāng)機器內(nèi)部壓強高于-2.8?kpa時，機器才解開電磁鐵在黑板上移動，在移動過程中，當(dāng)機器內(nèi)部壓強低于-2.8?kpa時，機器蜂鳴器報警，并驅(qū)動風(fēng)機提高轉(zhuǎn)速。

為了驗證設(shè)計的電路是否正確，使用示波器對電機驅(qū)動模塊PWM進行測量，如圖10所示，占空比為70%，測試結(jié)果完全正確。

5??結(jié)語

本文基于STM32設(shè)計的吸附式自動擦黑板機器人，基本完成了系統(tǒng)預(yù)期設(shè)定的功能，可以在黑板上完成自動清掃的工作，有效地減少了老師和學(xué)生對粉塵的吸入。^[8]但是由于機器重量和體積的限制，在路徑規(guī)劃方面還存在一定局限性，而且在邊角位置清掃的效果不是很理想，所以還需進行更多的測試和改進，提高算法，不斷積累經(jīng)驗，以完成機器所有的預(yù)期功能。

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