EMPU在智能掃地機(jī)器人中的運(yùn)用

姚妍利 東南大學(xué)藝術(shù)學(xué)院

1 EMPU的技術(shù)理論和應(yīng)用背景

嵌入式微處理（EMPU）技術(shù)，是以應(yīng)用為目的，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可裁剪，適用于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它是一種與通用處理器不同的嵌入式處理器，大多可在特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中工作，通過代碼實(shí)現(xiàn)對主板上的硬件設(shè)備的控制。嵌入式微處理器有著不同的體系，一般根據(jù)具體應(yīng)用選擇適用的嵌入式微處理器。其中，主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86 和SH等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，EMPU已經(jīng)被越來越多智能化概念的產(chǎn)品設(shè)計所應(yīng)用，走進(jìn)千家萬戶，方便越來越多的使用者。

2000年左右，我國開始推廣智能家居產(chǎn)品，雖然智能家居的技術(shù)研究起步較晚，但隨著智能家居技術(shù)的成熟和市場的不斷完善，如何將信息產(chǎn)業(yè)的最新研究成果應(yīng)用在智能掃地機(jī)器人設(shè)計中，引起人們的廣泛關(guān)注。嵌入式微處理技術(shù)的廣泛性及其巨大的市場需求，成為設(shè)計師思考的重要議題。智能掃地機(jī)器人設(shè)計理念的宗旨就是體現(xiàn)并滿足用戶的需求，而嵌入式微處理器系統(tǒng)以其處理能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、功耗低、成本低、保密性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，受到消費(fèi)者的親睞，具有廣闊的市場前景。文章基于EMPU 技術(shù)理論淺析市場上已有智能掃地機(jī)器人案例，最終得出智能化清潔機(jī)器人的評估結(jié)果。

2 基于EMPU智能掃地機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計總體框架

EMPU 技術(shù)提供一種實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的功能系統(tǒng)。在不同學(xué)科交叉融合發(fā)展的今天，經(jīng)過市場不斷變遷和發(fā)展，作為現(xiàn)代化數(shù)字信息產(chǎn)品的核心引擎，嵌入式微處理器在智能掃地機(jī)器人中占據(jù)了重要的地位。隨著物聯(lián)網(wǎng)潮流的來襲，市場需要低功耗、高性能的嵌入式微處理器平臺，以適應(yīng)大量智能產(chǎn)品的應(yīng)用。嵌入式微處理器的典型代表是單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、計數(shù)器、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。其具有單片化、體積小的特點(diǎn)，從而降低功耗和材料成本，提高可靠性，且芯片上外設(shè)資源較豐富，適合于控制，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。其主要類型有8051、AVR、PIC等常用單片機(jī)，支持眾多MCU和兼容系列，從而有利于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計人員應(yīng)用于實(shí)踐工作。

試驗提出了一種系統(tǒng)性的創(chuàng)新設(shè)計方法：對市場上現(xiàn)有的智能掃地機(jī)器人設(shè)計進(jìn)行調(diào)研，分析智能產(chǎn)品設(shè)計中已應(yīng)用EMPU技術(shù)事例的概況，定義產(chǎn)品并進(jìn)行設(shè)計和分析，提出了一組改進(jìn)方案，然后進(jìn)行方案評估，得到最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)對已有產(chǎn)品的改進(jìn)和升級換代?；贓MPU技術(shù)理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于EMPU智能掃地機(jī)器人設(shè)計框架

為探究最新成果，首先對已有產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)功能分析，從智能掃地機(jī)器人的總功能開始，逐層分解，確定系統(tǒng)子功能，構(gòu)建產(chǎn)品的功能模型。然后根據(jù)功能模型中存在的問題確定問題類型，運(yùn)用EMPU技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，并通過無線方式可靠地傳送到主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品的運(yùn)用。應(yīng)用EMPU 對智能掃地機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計和創(chuàng)新，得到符合實(shí)際情況的最優(yōu)產(chǎn)品設(shè)計。在基于EMPU技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新分析框架指導(dǎo)下，整個創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計過程變得更高效、更前沿，如何運(yùn)用嵌入式微處理技術(shù)于智能掃地機(jī)器人設(shè)計中也將一目了然。

3 智能掃地機(jī)器人中EMPU前期調(diào)研和分析

3.1 前期產(chǎn)品調(diào)研

對市場上現(xiàn)有的掃地機(jī)器人產(chǎn)品進(jìn)行前期調(diào)研和分析。首先，分析掃地機(jī)器人底盤操控的基本結(jié)構(gòu)功能（如圖2所示），選取楊子VZ-X2手推式地面擦地機(jī)、科沃斯T5pro掃地機(jī)器人和美的掃地機(jī)器人VR05F5-TY 等進(jìn)行簡單的可用性測試，并在其式樣、性能、智能化、是否運(yùn)用嵌入式微處理技術(shù)方面進(jìn)行比較（如表1所示）。其次，傾聽工程技術(shù)人員的想法，達(dá)到協(xié)同設(shè)計的要求，并進(jìn)行問卷調(diào)查。最后，從符合人們?nèi)粘Ｊ褂眯袨榱?xí)慣、模塊化設(shè)計、產(chǎn)品功能可轉(zhuǎn)換、多功能設(shè)計和感性工學(xué)等方面展開調(diào)查，并從人機(jī)工程學(xué)的角度，結(jié)合EMPU技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的基礎(chǔ)評估現(xiàn)有的智能掃地機(jī)器人設(shè)計。

圖2 掃地機(jī)器人底盤操控分析

表1 市場現(xiàn)有掃地機(jī)器人調(diào)研

通過查閱文獻(xiàn)以及和工程技術(shù)人員溝通得出：市場上現(xiàn)有家居智能產(chǎn)品對EMPU技術(shù)的應(yīng)用主要是以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。這種傳輸系統(tǒng)一般包括主機(jī)和從機(jī)兩個主要部分的串行數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)。通過設(shè)計師與通信類工程技術(shù)人員的協(xié)同試驗，掃地智能機(jī)器人的實(shí)驗軟件設(shè)計核心選取PTR8000的編程配置和嵌入式微處理器S3C2410X串行口控制器的編程配置，其中從機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集，并通過無線的方式將從機(jī)終端輸入的數(shù)據(jù)可靠地傳送到主機(jī)超級終端上。S3C2410X串行口控制器的編程配置流程圖如圖3所示。

圖3 S3C2410X串行口控制器的編程配置流程圖

3.2 產(chǎn)品分析和EMPU的設(shè)計運(yùn)用

產(chǎn)品分析主要通過研究EMPU技術(shù)的介入對家居掃地機(jī)器人設(shè)計的影響，調(diào)研出相應(yīng)的技術(shù)理論對產(chǎn)品的再設(shè)計和創(chuàng)新。結(jié)合可持續(xù)設(shè)計的產(chǎn)品使用性設(shè)計策略，利用EMPU技術(shù)以使家居智能產(chǎn)品設(shè)計更加符合用戶的日常使用習(xí)慣，改進(jìn)使用產(chǎn)品時的不便：（1）在掃地機(jī)器人試驗中引用模塊化設(shè)計對EMPU技術(shù)進(jìn)行合理的運(yùn)用，根據(jù)用戶使用情況考慮產(chǎn)品功能的轉(zhuǎn)換，提高產(chǎn)品使用價值；（2）追求可變的使用形態(tài)，適應(yīng)產(chǎn)品使用場景；（3）聯(lián)系感性工學(xué)，關(guān)懷用戶使用情感；（4）符合認(rèn)知習(xí)慣，提高產(chǎn)品的易用性；（5）從人機(jī)工程學(xué)的角度確保產(chǎn)品的可用性，從而對家居智能產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行功能分析和引導(dǎo)，使運(yùn)用EMPU 技術(shù)的機(jī)器人產(chǎn)品更符合人機(jī)工程學(xué)的原理，解決消費(fèi)者遇到的問題并提高智能掃地機(jī)器人的易用性，多方面滿足消費(fèi)者的需求，在為人的設(shè)計中做到設(shè)身處境的思考。

嵌入式處理器針對用戶的具體需求，對芯片配置進(jìn)行裁剪和添加，達(dá)到理想的性能。由于將嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，它的升級換代和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，EMPU處理器的功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力和電磁兼容性等方面均受到應(yīng)用要求的制約。因此，產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，具有較長的生命周期。同時，它具有市場前景廣闊、低成本、高利潤的特點(diǎn)，可靠性強(qiáng)，其系統(tǒng)的運(yùn)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機(jī)，可應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器儀表、汽車船舶、航空航天、軍事裝備、消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。現(xiàn)在市面上有許多經(jīng)典產(chǎn)品，如CISCO的路由器、華為、中興的以太網(wǎng)交換機(jī)、So?ny的機(jī)器狗AIBO等。所有的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在推廣應(yīng)用時具有更強(qiáng)的市場競爭力。

4 EMPU在智能掃地機(jī)器人中的應(yīng)用案例分析

4.1 案例描述

筆者和工程技術(shù)人員在對市場上現(xiàn)有運(yùn)用EMPU 技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行簡單的可行性和分析的同時，對智能掃地機(jī)器人涉及到的嵌入式系統(tǒng)處理器也進(jìn)行了的方案創(chuàng)新評估和案例分析。通過前期調(diào)查和產(chǎn)品技術(shù)分析，探究了EMPU對智能掃地機(jī)器人設(shè)計的技術(shù)指導(dǎo)，從而得出EMPU技術(shù)對產(chǎn)品具有智能性、易用性，符合消費(fèi)者的行為認(rèn)知習(xí)慣等特征。以家居智能掃地機(jī)器人為例，實(shí)施智能掃地機(jī)器人的產(chǎn)品設(shè)計方案，其概念思維如圖4所示。

圖4 概念思維

4.2 方案展示

根據(jù)前期調(diào)研和功能分析得出的問題和EMPU技術(shù)指導(dǎo)，以家居掃地智能機(jī)器人作為案例分析。研究其收發(fā)信號和軌跡行駛功能，運(yùn)用EMPU 技術(shù)控制掃地機(jī)器人，同時應(yīng)用藍(lán)牙無線技術(shù)使上位機(jī)和下位機(jī)相連，掃地機(jī)器人機(jī)身為自動化技術(shù)的可移動裝置，配置有集塵盒的真空吸塵裝置，配合機(jī)身設(shè)定控制路徑，在室內(nèi)反復(fù)行走，執(zhí)行如下指令沿邊清掃、集中清掃、隨機(jī)清掃、直線清掃等。輔以邊刷、中央主刷旋轉(zhuǎn)、抹布等方式，加強(qiáng)打掃效果，完成擬人化居家清潔效果。

圖5 掃地機(jī)器人試驗場景

4.3 方案測試材料

主要方案測試試驗材料如圖6所示，該試驗在調(diào)查市場上各大智能家居掃地機(jī)品牌（如科沃斯、聯(lián)想、西門子、美的、A·O史密斯等）的現(xiàn)有功能和材料可用性之后，將主要控制核心賦予stc-at89c51 單片機(jī)上。在試測試試驗中，以行走裝置作為下位機(jī)，智能手機(jī)或遙控機(jī)作為上位機(jī)，上、下位機(jī)系統(tǒng)交互之間運(yùn)用藍(lán)牙無線技術(shù)進(jìn)行連接，主要使用HC-06 的宏晶藍(lán)牙模塊和遙控器通信（具體原理如圖7所示）。由上位機(jī)發(fā)送指令控制下位機(jī)移動，由此實(shí)現(xiàn)其智能移動的功能。

圖6 本文掃地機(jī)器人試驗材料

圖7 試驗測試原理

為使本次試驗中掃地機(jī)器人正常工作，根據(jù)相關(guān)材料為試驗硬件電路編寫可運(yùn)行的程序。首先要保證機(jī)器人底盤能按作者的意圖正常工作。在設(shè)計程序過程中需要考慮系統(tǒng)的容錯能力和恢復(fù)能力，減少系統(tǒng)異常、死機(jī)等特殊情況的發(fā)生；考慮程序運(yùn)行速度、響應(yīng)速度等指標(biāo)，保證加入EMPU 嵌入式技術(shù)時打開藍(lán)牙設(shè)備遙控器與機(jī)器人設(shè)備能夠進(jìn)行迅速響應(yīng)。掃地機(jī)器人底盤避障設(shè)置上使用E18－D80NK 紅外避障傳感器，模塊內(nèi)部分別有紅外發(fā)射頭和紅外接收頭。當(dāng)機(jī)器工作時，發(fā)射端發(fā)出一定頻率的光線，若前方有障礙物，光線則會相應(yīng)呈現(xiàn)出反射面，這時紅外接收端收到來自發(fā)射端的信號，經(jīng)整流、放大后，解調(diào)輸出。這種形式使得傳感器集發(fā)射和接收為一體，抗干擾能力強(qiáng)，時間快、距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定可靠（工作原理如圖9、10所示）。

圖8 嵌入式系統(tǒng)接收信息避障原理圖

圖10 嵌入式系統(tǒng)接收信息和發(fā)射信息示意圖

在創(chuàng)新評估環(huán)節(jié)，試驗人員再次對智能家居掃地機(jī)器人進(jìn)行使用操作，并通過訪談、觀察和問卷調(diào)查來進(jìn)行評估（如圖11、圖12 所示）。評估角度包括操作方便性等是否符合人機(jī)工程學(xué)使用行為特性、可遠(yuǎn)程控制和消費(fèi)者喜愛程度的設(shè)計調(diào)查、產(chǎn)品功能的可轉(zhuǎn)換性、多功能的設(shè)計特征、關(guān)懷不同年齡段用戶使用情感的感性工學(xué)理論特征、符合用戶認(rèn)知習(xí)慣的特征、人機(jī)工學(xué)形態(tài)規(guī)范等。通過與傳統(tǒng)家居清掃工具的對比，發(fā)現(xiàn)智能家居掃地機(jī)更具有易用性和可持續(xù)設(shè)計理念的使用性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從使用者角度，家居智能產(chǎn)品給居家人員帶來了更多的便利，解決了居家過程中方方面面的不便，減輕了消費(fèi)者的勞動力負(fù)擔(dān)，讓人們能夠更好地享受輕松和愉悅。從行業(yè)角度來看，運(yùn)用EMPU 技術(shù)的智能家居掃地機(jī)器人產(chǎn)品更符合市場的需求，提高了產(chǎn)品設(shè)計師的創(chuàng)新能力和工作效率，體現(xiàn)了企業(yè)的品牌專業(yè)性對消費(fèi)者的人性化關(guān)懷，促進(jìn)了整個工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計行業(yè)的蓬勃發(fā)展。從市場角度來看，國內(nèi)的智能掃地機(jī)器人的消費(fèi)市場需求龐大且在不斷增長，家居智能產(chǎn)品的設(shè)計不但順應(yīng)市場，而且能解決具體的家庭生活問題，將來必受到市場的熱捧。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，基于EMPU技術(shù)的家居智能產(chǎn)品的設(shè)計順應(yīng)了時代發(fā)展的角度，提高了工作效率，其技術(shù)理論具有節(jié)能環(huán)保的功能，這讓基于EMPU技術(shù)的家居智能產(chǎn)品具有可持續(xù)性。

圖12 使用情景

5 結(jié)語

文章分析了EMPU的技術(shù)理論和應(yīng)用背景，對市場上已有智能掃地機(jī)器人的總體框架進(jìn)行了總結(jié)歸納。經(jīng)過實(shí)際調(diào)研和試驗，親自體為今后的研究和推廣提出了有益的示范模式?；贓MPU技術(shù)的家居智能掃地機(jī)的更符合人們的使用習(xí)慣，體現(xiàn)了產(chǎn)品易用性和靈活性的特點(diǎn)。由于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用范圍的廣泛性和巨大的市場需求，EMPU技術(shù)在家居產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用將是人們研究的重要議題。