【文章內容簡介】 路各 傳 感 器 電 路清 掃 部件 電 機垃 圾 箱蓋 電 機單片機電機 12 物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不 透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。超聲波傳感器通過計算超聲波的發(fā)射接收時間間隔實現(xiàn)定量測距。超聲波傳感器波束較寬，方向性差，但是其環(huán)境適應能力強，探測距離遠，采集信息速度快，且比一般視覺傳感器和激光測距儀都要便宜，因此在許多方面得到廣泛應用。 紅外光電傳感器具有探測視角小、方向性好、信號處理簡單和反映速度快等優(yōu)點，但是其受環(huán)境影響較大，當探測頭被灰塵等污染后，其探測性能將大 大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為 檢測元件 的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。紅外光電傳感器一般由 光源 、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，它的探測距離比較近，從幾個毫米到幾十厘米不等。因此 ,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。 接觸傳感 器通過與被測物體的接觸來確定被測物體的相關信息，如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器主要有限位開關、接觸開關等，這些傳感器結構簡單、信號易處理、適應能力強且價格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點 ,因此廣泛應用于移動機器人的局部導航。 經過對比分析，本設計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關 、 三 種傳感器來構建清掃機器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在 清掃機 周邊位置上，通過相應的信號處理電路與微處理器系統(tǒng)實現(xiàn) 數據通訊，控制系統(tǒng)根據獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策，實現(xiàn)自主避障。 測速裝置模塊 測 速信號通過在電機的轉子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再利用光電開關 得到電機每轉一圈產生若干個脈沖信號，據此可以算出電機的實際轉速。這種簡易的光電開關測速法成本低，性能可靠，可以在電機轉速不高，精度沒有嚴格要求的情況下使用，這種測速裝置可以構成里程計。根據里程計的返回脈沖數可以計算出電機行走的距離，并間 13 接得到行走速度。 碰撞檢測 碰撞檢測采用霍爾元件 EW462，芯片的內部原理框圖如圖 34所示，芯片 的工作方式如圖 35所示。芯片的供電電壓范圍為 ~18V，靈敏度高，阻抗 低，工作的最大輸出電流為 15mA。當芯片的正上方有 S 極磁場時，霍爾元件 輸出高電平，當元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場極性，可以控制元件輸出信號的變化趨勢。當極性相反時，元件在偏離磁場時為高電平，正對磁場時為低電平。 驅動系統(tǒng) 驅動器就是驅動 掃地 機的動力部件， 最常用的就是電機 。掃地 機最主要的控制量就是控制 掃地 機的移動， 掃地 機驅動器中最根本 的問題就是控制電機，控制電機轉的圈數就可以控制 掃地 機移動 的距離和方向 、 清掃機械的彎曲的程度或者移動的距離等。所以，第一個要解決的問題就是如何讓電機能根據自己的意圖轉動 。一般 有專門的控制卡和控制芯片來進行控制。有了這些控制卡和芯片，然后 把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機。第二個問題是控制電機的速度，在 掃地機 上的實際表現(xiàn)就是它 的實際運動速度， 掃地機 走的快慢全靠電機的轉速，這樣就要求控制卡對電機有速度控制。 機器人的工作電機分為行走、吸塵和毛刷電機。機器人行走結構中前面有一個從動轉向輪，兩側各有一個驅動輪，由無刷直流電機進行控制。清掃結構主要使用真空吸塵器和 由電機帶動的旋轉毛刷。 永磁無刷電動機具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點在機器人領域有著廣泛的應用。無刷直流電機具有良好的調速性能，由于它采用電子換向，脈寬調制脈沖調速，在進一步提高直流電機性能的同時，又克服了直流電機傳統(tǒng)機械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機的使用壽命。 直流無刷電機控制電路主要有控制電路微處理器、數字信號處理器和專用集成電路等 3 種方式。使用單片機輔以外圍處理電路的方法，其測 頻、換相、控制調節(jié)等均由軟件實現(xiàn) 。 選用單片機軟件編程的方法控制無刷直流電機。吸塵器內的風機和帶動 毛刷的電 源穩(wěn) 壓輸 出信 號施 密 特觸 發(fā) 器信 號處 理霍 爾元 件 圖 EW462 內部原理示意圖 14 電機都使用直流電機，由于不需要調速、換向，因此控制方法比較簡單。 電機的運動系統(tǒng)結構如圖 32，它決定了機器人的運動空間，采用輪 式結構。其中左右輪為主動輪，需要用可調速的電機控制，前面的轉向輪為從動輪，便于機器人的轉向 。 直流電動機 具有 良好的線性調速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu) 良 的動態(tài)特性， 所以 一直占據著調速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機 如交流變頻電動機、步進電動機的挑戰(zhàn)，但直流電動機仍然是許多調速控制 電動機的最優(yōu)選擇，在生產、生活中 仍 有著廣泛的應用。 采用廣泛應用的脈寬調制技術 控制電動機電樞的電壓 。所謂 PWM 控制技術， 就是 通過控制 半導體開關器件的導通與關斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓的目的。 產生 PWM 信號常用的 4 種方法如下： (1)分立電子元件組成的 PWM 信號發(fā)生器。這種方式是用分立的邏輯電子 元件組成信號電路，是較早采用的方法，可靠性、可調性較差； (2)軟件模擬式。利用單片機的一個 I/O 引腳，通過軟件對該引腳輸出高低 電平來模擬 PWM 波，該方法占用 CPU 的時間較多，控制軟件較復雜； (3)專用 PWM 集成電路 。采用專用的 PWM 集成電路芯片，該方法功能強， 但增加了調速系統(tǒng)的成本開銷； (4)單片機的 PWM 口。新一代的許多單片機具有 PWM 調 速功能。通過單 片機的初始化設置，使其自動發(fā)生脈沖波，只有在改變脈沖寬度時才進行干預， 該方法控制直流電動機轉速簡單、可靠。 所以 使用單片機 的 PWM 口 作為電機的PWM 調速控制。 無刷直流電動機 簡稱 BLDC，學名是無換 向器電機或無整流子電機，是一種新型的轉 向 輪左輪右輪機 器 人 底 座 圖 主從動輪分布圖 15 無級變速電機。它具有直流電機良好的調速特性，但由于沒有換向器，因而可做成無接觸式，具有結構簡單，制造方便，不需要經常性維護等優(yōu)點， 是一種理想的變速電機。 選用的輪子驅動電機即為無刷直流電機，其工作電壓是 10~15V，最 大工作電流，正常工作電流 ， 有專門的換向控制引腳，高低電平控 制正反轉。該電機可以由 PWM 信號直接驅動，允許的脈寬調制脈沖信號輸入 參數為：允許輸入 PWM 的頻率最大為 50kHz；高電平的輸入電壓范圍為 ~；低電平的輸入電壓為 0V~；輸入開路電壓為 ~5V。 紅外遙控系統(tǒng) 紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點 ，繼彩電、錄像機之后， 紅外線遙控 在錄音機、音響設備、空調機以及玩具等其它小型電器裝置上也 實現(xiàn) 廣泛的應用 。工業(yè)設備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控 能 可靠且 有效地隔離電氣干擾。 基于 以上優(yōu)點，故 采用紅外遙控裝置來控制智能 掃地 機的清掃方式及開機與關機。 通 常 紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應用編 碼 /解碼專用集成電