【文章內(nèi)容簡介】 機是以步階方式分段移動，直流電機通常則采用連續(xù)移動的模擬控制方式。由于步進電機采用步階移動，所以特別適合絕對尋址應用，176。176。的精確移動能力。步進電機采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置；而直流電機則是以電機電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機需要反饋控制系統(tǒng)，它會以間接方式控制電機位置，步進電機系統(tǒng)多半則是以開環(huán)方式進行操作。直流電機結構較步進電機復雜，但調(diào)速性能優(yōu)良，調(diào)速方便、平滑范圍廣。本系統(tǒng)采用Faulhaber的2342系列有刷直流電機，型號為2342012CR，額定電壓是12V，減速比為1：64。電機的詳細參數(shù)見表31。表31 電機參數(shù)1輸出功率W172額定電壓V123空載轉速rpm81004堵轉轉矩mNm805轉速/轉矩斜率rpm/mNm1016空載電流mA757堵轉電流A8電樞電阻Ω9最大效率%8010轉矩常數(shù)mNm/A11速度常數(shù)rpm/V71312機械時間常數(shù)ms613轉子慣量gcm214轉子電感uH6515熱阻K/W3/15 電池的選擇是自動掃地機設計的一個很重要的內(nèi)容，本系統(tǒng)的兩個驅動電機和微型吸塵器需同時工作，另外還要給控制系統(tǒng)供電，但受到機器人的尺寸限制，電源的體積不能太大。因此在選擇電池時，對容量、效能及體積等諸方面因素應綜合考慮。 常見的充電電池有鎳氫電池、鎳鎬電池、鏗電池電池和電瓶。鎳福電池是較早出現(xiàn)的一種可充電電池，常見的有7號(AAA型)、5號(AA型)、1號、2號以及工業(yè)專用型號，優(yōu)點是自放電率較鎳氫電池低、內(nèi)阻小、價格相對便宜；缺點是容易產(chǎn)生記憶效應。電池容量方面以使用最廣泛的5號(AA型)電池為例，單節(jié)電池的容量可以做到500mAh850mAh，主流為600700mAh的產(chǎn)品。 鎳氫電池是一種新型的高容量可充電電池，性能優(yōu)于鎳福電池，常見型號與鎳福電池相同。優(yōu)點是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒有記憶效應；缺點是自放電率較高。電池容量方面同樣以使用最廣泛的5號(AA型)電池為例，單節(jié)電池的容量可達10001300mAh。 可充電的聚合物鏗離子電池是目前比較先進的電池，它具有能量密度高的特性，使鏗電池具備重量輕、體積小、容量大、無記憶效應等優(yōu)點。電瓶常見的有鉛酸電瓶和免維護電瓶，主要用在需要大容量電池的場合，不過一般電瓶體積比較大。 經(jīng)過綜合考慮，本設計采用鏗電池，通過3串2并的方式組合成電池組。4系統(tǒng)硬件電路和軟件流程 機器人本體的良好設計是實現(xiàn)其他各功能模塊的基礎。最常被采用的車體外形是圓形車體，具有運動靈活，控制簡單的優(yōu)點，因此本文設計的自動掃地機采用圓形車體。 機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。本設計中自動掃地機只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動方式。 輪式移動機器人的輪系一般有三輪、四輪和六輪等，由于四輪結構的穩(wěn)定性好，承載能力較大，在本設計中采用四輪結構，左右兩個輪子是驅動輪，前后兩個萬向輪起支撐作用，在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅動電機，通過控制左右輪的速度差來實現(xiàn)車體的轉向，控制簡單，易于實現(xiàn)，可以方便地實現(xiàn)吸塵機器人的前進、左轉、右轉、后退，以及調(diào)頭等功能，并且自動掃地機可以實現(xiàn)零轉彎半徑(即原地旋轉)。紅外避障傳感器、碰撞傳感器等需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。碰撞傳感器安裝在車體四周，它本身有兩個安裝孔，不需要額外的撐架，可直接用螺絲進行固定。紅外避障傳感器直徑為18mm長45mm左右，外面旋鈕直徑26mm左右，通過上面的兩個大旋轉扣來固定該傳感器，因此需要自制一個零件使其可以夾在上面，本系統(tǒng)設計了一個L形配件把紅外避障傳感器固定在機器人底盤上，配件的一面固定該紅外避障傳感器，另一面通過兩個螺絲將該配件固定到底盤上。本系統(tǒng)選用Faulhaber的有刷直流電機作為驅動元件，將電機安裝在機器人底盤下面。該電機直徑30mm，長度85mm，出軸直徑6mm，出軸長度35mm，出軸周圍有三個直徑3mm的安裝孔。通過設計一個L型配件進行安裝，側面用于固定電機，底面固定在底盤上。驅動輪需要固定在電機軸上，電機出軸直徑6mm，軸上有兩個垂直的橫截面，可以把輪子固定在上面，輪子直徑60mm，側面凸出部分上面有安裝孔，可以把輪子固定在電機軸上。圖41 清潔機器人總體設計框圖根據(jù)自動掃地機功能要求，自動掃地機系統(tǒng)硬件總體設計框圖如圖41所示。其中，信號輸入部分主要包括信息采集模塊(碰撞傳感器、測距傳感器、攝像頭、紅外接收頭)、無線串行接口(紅外遙控接收模塊)、電壓檢測芯片。信息采集模塊要實現(xiàn)全區(qū)域路徑規(guī)劃、防止跌落和尋找充電器，其中防止跌落檢測是用來防止機器人從臺階或者高處跌落，對實時性要求比較高，需要占用外部中斷端口。其它信號采用普通I/O口接收，采用定時查詢方式進行信號處理即可。另外為了方便使用，還擴展了紅外遙控模塊，可以手動控制機器人的行走。 單片機根據(jù)所有的輸入信號，對微型吸塵器、驅動電機、液晶顯示進行控制，對微型吸塵器的控制信號來自單片機的普通I/O口，用三極管放大后再對微型吸塵器進行開關控制。電機需要特定的驅動芯片，單片機產(chǎn)生PWM波通過驅動芯片來對電機進行驅動與控制。為了創(chuàng)建友好的人機界面，還需要擴展顯示模塊和一些狀態(tài)指示燈，方便了解機器人的運行狀況，其中LCD采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健? 機器人工作時，首先根據(jù)電壓檢測芯片的返回值判斷電池是否欠壓，如果欠壓則利用兩個紅外接收頭尋找充電器并進行充電，充好電后開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進行清掃，其中行走機構采用閉環(huán)控制。四個碰撞傳感器用來實時避障，當機器人任何一個方向碰到物體時反饋信息給單片機，以做出避障決策，紅外測距傳感器用來路徑規(guī)劃，液晶在機器人工作時顯示機器人的狀態(tài)。MC9S12DG128單片機為整個控制系統(tǒng)核心。為了便于調(diào)試和功能擴展，單片機的最小系統(tǒng)做成獨立的子板，其他模塊制成一塊電路板作為母板，子板通過插針、插座與母板連接。子板由以下幾個模塊構成：電源部分，負責提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時鐘；看門狗電路，實時監(jiān)測掃地機運行狀態(tài)，并設置手動復位按鈕；LED狀態(tài)顯示，調(diào)試子板時下載跑馬燈程序用。圖42有源晶振連接電路 時鐘電路在單片機系統(tǒng)硬件設計中往往是一個關鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設計不當就很有可能使其工作時的產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾，尤其是對模擬部分如AD轉換輸入信號的干擾；若晶振工作不正常，則會導致整個單片機系統(tǒng)無法運行。MC9S12系列單片機的時鐘輸入接口在其46(EXTAL)和47(XTAL)引腳上(112引腳封裝)，通常是接一個16M的晶振體。晶振和單片機引腳之間的連線盡量要短，這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避免晶振的高頻信號過多的干擾周圍線路。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對信號質量要求高的器件的線路。晶振的周圍和下面盡量用地線包圍和覆蓋，將晶振的噪聲阻擋起來，也防止其他干擾信號進來。與無源晶振相比，有源晶振不需要單片機內(nèi)部起振電路，信號質量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單(通常使用一個電容和電感構成的PI型濾波網(wǎng)絡，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可)，不需要復雜的配置電路，本系統(tǒng)選用了16MHZ的有源晶振，封裝選用標貼的，體積與無源晶振相當，具體實現(xiàn)電路如圖42所示。另外根據(jù)時鐘模式選擇要求將PE7引腳進行下拉。圖43 看門狗接口電路單片機系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導致單片機系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機本身的看門狗定時器外，還需外加看門狗電路。IMP813L是一體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復位信號為高電平，因而是應用于復位信號為高電平場合的單片機系統(tǒng)的理想芯片。IMP813L的典型應用電路如圖43所示。機器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強健的電源供給作為保障，強大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎。本系統(tǒng)中采用了電源隔離變換模塊，將系統(tǒng)電源分為功率和信號兩部分隔離輸出，即單片機最小系統(tǒng)、各傳感器接口、LCD模塊、無線串行模塊的電源由信號電源供應；電機驅動、電壓檢測芯片、微型吸塵器的電源由功率電源供應。圖44 5V電源模塊電源模塊需要向系統(tǒng)的其它各模塊提供三種電壓的電源供給，分別是12V，其中12V電源直接來自于電池組，負責驅動直流電機和微型吸塵器工作，電壓檢測芯片直接檢測總電源電壓，如果低于10V則輸出一個跳變信號給單片機，12V通過LM2576轉換成5V，給MC33886的FS和D2引腳供電，功率部分對應的地是功率地。隔離5V負責給各種傳感器、LCD等供電，這些控制部分的地是數(shù)字地。圖45 系統(tǒng)選用的電源芯片LM1117330以及LM2576是兩款表現(xiàn)出色的電源芯片，具有較寬的輸入電壓范圍、穩(wěn)定的輸出電流以及較小的發(fā)熱量，能夠很好的勝任本系統(tǒng)電源方案。5V電源模塊主要負責為單片機、傳感器模塊、LCD、攝像頭提供穩(wěn)定的電源，是電源系統(tǒng)中最重要的部分。系統(tǒng)中選用的LM2576芯片是一款在很多單片機系統(tǒng)中廣泛使用的性能優(yōu)秀的開關電源芯片，其輸入電壓最大可達45V，輸出電流可以達到3A，工作溫度范圍為40℃到125℃。5V電源模塊的原理圖如圖44所示，其連接方法使用了LM2576使用手冊中的典型接法。 電機驅動模塊為自動掃地機的行駛提供動力，機器人啟動、行駛和剎車時電機都會需要較大的驅動電流，該模塊必須能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會太大。本系統(tǒng)選用了飛思卡爾公司的H橋驅動芯片MC33886，該芯片采用20引腳貼片封裝，驅動電壓范圍可以從5V到40V，最大輸出電流可達到6A。圖46 MC33886應用示意圖該芯片包含內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、門驅動和低阻輸出，可用頻率最高可達l0KHz的PWM波調(diào)節(jié)輸出電壓，帶有欠壓、過流、過溫自動保護功能，在輸入壓降過大、輸出電流過大或芯片溫度過高時能夠自動切斷輸出，以保護電路不被損壞。芯片的FS引腳是錯誤狀態(tài)標志信號，當芯片由于上述三種錯誤狀態(tài)中的某種發(fā)生時該信號將變低，表示芯片進入了保護狀態(tài)。此時，如果是欠壓狀態(tài)，當欠壓狀況消除后芯片會自動恢復輸出，而如果是過流或過溫狀態(tài)，則需要通過單片機向MC33886芯片的Dl和D2引腳發(fā)送復位信號來恢復33886的輸出。MC33886的應用示意圖如圖46所示。本系統(tǒng)采用兩輪差速控制，因此需要控制兩個電機，系統(tǒng)使用了四片MC33886，兩兩并聯(lián)來提高電流驅動能力并減小單片MC33886的發(fā)熱。在具體的使用中，單片機的PWMO和PWM2口輸出PWM波到控制左輪的MC33886，PWM4和PWM6口輸出PWM波到控制右輪的MC33886，并使用PWM1，PWM3，PWM5作為備份，以增加可靠性。為了將控制部分和功率部分隔離開，所有的PWM信號都通過6N137進行了隔圖47 隔離PWM信號離，隔離后的信號再送給MC33886，如圖47所示，負責驅動左輪的兩個MC33886并圖48 左輪電機驅動原理圖聯(lián)電路原理圖如圖48所示。 自動掃地機必須知道自身位置，在特定位置或區(qū)域進行特定的動作，完成對房間的吸塵任務。它需要通過傳感器進行障礙檢測，并將障礙物信息傳送給單片機，進行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對周圍未知環(huán)境進行探測。整個傳感器陣列就像是自動掃地機的“眼睛”，收集周圍未知環(huán)境的某些信息。自動掃地機中的傳感器數(shù)量比較多，相關的有用于環(huán)境感知的傳感器、自身定位傳感器，種類繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個重要問題。 綜合考慮各傳感器的優(yōu)缺點和本系統(tǒng)的功能設計后，本系統(tǒng)選取碰撞傳感器(微動開關)和紅外測距傳感器來完成避障和路徑規(guī)劃。圖49 碰撞傳感器接口碰撞傳感器是數(shù)字傳感器，發(fā)生碰撞時返回高電平，否則返回低電平，碰撞傳感器有三個接口，分別是電源、地、信號線，使用方便，只需把信號線接口上拉即可，具體電路如圖49所示。圖410 紅外避障傳感器接口紅外測距傳感器常用的是GP2D12，其探測距離1080cm，輸出模擬量，但價格較高，經(jīng)過比較，本系統(tǒng)最終選擇了E18D80NK紅外避障傳感器。這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，主要用于障礙物的檢測，對障礙物的感應距離可以根據(jù)要求通過后部的旋鈕進行調(diào)節(jié)，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。額定電壓為5V，電流100mA，探測距離380cm，傳感器長45mm，直徑18mm，共三個接口，分別是電源、地、信號。E18D80NK是一個數(shù)字傳感器，可以通過旋轉傳感器后面的旋鈕，改變該傳感器可以測量的距離，比如可以通過調(diào)節(jié)旋鈕，使它測5cm距離以內(nèi)是否有障礙物，如果5cm以內(nèi)有物體則返回一個高電平，同時傳感器里面的綠色小燈被點亮。本系統(tǒng)需要可以測得距離是否有變化的傳感器，所以該傳感器可以勝任。本系統(tǒng)共用了6個E18D80NK紅外避障傳感器，其中4個用來路徑規(guī)劃，2個用來檢測樓梯，將檢測樓梯的2個朝下安裝，通過調(diào)節(jié)旋鈕，使它們可以測得4cm以內(nèi)的障礙物，這樣當機器人處在高于4cm的地方時，傳感器返回低電平，觸發(fā)中斷，進行后退。具體的接口電路如圖410所示。 目前CMOS在分辨率、動態(tài)范圍和圖像質量等方面暫時不如CCD，但有些指標己達到或超過CCD。時鐘驅動、邏輯時序和信號處理等其他輔助功能難以與CCD集成到一塊芯片上，而借助于大規(guī)模集成制造工藝，CMOS圖像傳感器能容易地把上述功能集成到單一芯片上。與傳統(tǒng)的CCD相比，CMOS把整個圖像集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有空間占用更少以及總體價格更低的優(yōu)點。