【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 越少覆蓋率越高越好，目前常見的幾種全區(qū)域遍歷方法有：“井”字形遍歷法、內(nèi)螺旋遍歷法、外螺旋遍歷法、隨機(jī)遍歷法。本文采用改進(jìn)的“井”字形遍歷法，采用紅外測(cè)距傳感器，分別裝在機(jī)器人的右前、右后、正前方。 (3)樓梯檢測(cè) 自動(dòng)掃地機(jī)可以檢測(cè)樓梯或者自身正處于高處，進(jìn)行相應(yīng)的后退或者轉(zhuǎn)彎，以免跌落損壞。本文采用紅外避障傳感器，分別裝在兩個(gè)輪子的前方，向下檢測(cè)距離，如果比預(yù)定的距離大則認(rèn)為己處在樓梯邊沿，進(jìn)行后退。 (4)自動(dòng)充電 自動(dòng)掃地機(jī)采用電池作為系統(tǒng)電源，如果打掃的房間過(guò)大，在打掃過(guò)程中可能電池欠壓，這時(shí)它需要自己找到充電器進(jìn)行充電。首先，它要判斷電池是否欠壓，如果是則關(guān)掉微型吸塵器，節(jié)約電量，然后根據(jù)自動(dòng)尋找充電器的流程找到充電器。本文采用HT7033作為電壓檢測(cè)傳感器，兩個(gè)一體化紅外接收頭來(lái)尋找充電器。 (5)遠(yuǎn)程遙控 自動(dòng)掃地機(jī)可以自主清潔，如果對(duì)它的清潔效果不滿意，還可以利用遠(yuǎn)程遙控，讓它著重在某一處進(jìn)行打掃。 (6)自身狀態(tài)顯示 自動(dòng)掃地機(jī)在打掃或者充電時(shí)，可以把自身狀態(tài)顯示在LCD上，良好的界面可以更方便使用。 (7)視覺處理接口 方便研究機(jī)器視覺在自動(dòng)掃地機(jī)中的應(yīng)用。 (8)移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)小巧 自動(dòng)掃地機(jī)需要鉆到家具下面打掃，這就要求機(jī)器人的高度不能太高，有時(shí)機(jī)器人需要原地轉(zhuǎn)圈，這就要求它的機(jī)械結(jié)構(gòu)要靈活。本文采用兩輪差速控制，前后各裝一個(gè)萬(wàn)向輪支撐，可以達(dá)到原地轉(zhuǎn)彎的要求。圖32本設(shè)計(jì)中清潔機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成：控制模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、清掃模塊、信息采集模塊、紅外遙控模塊和LCD顯示模塊，如圖32所示。 (1)信息采集模塊：包括碰撞傳感器、紅外接收頭、紅外避障傳感器、視覺傳感器，根據(jù)這些信息，自動(dòng)掃地機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動(dòng)充電。 (2)紅外遙控模塊：通過(guò)電腦給自動(dòng)掃地機(jī)發(fā)送指令，機(jī)器人通過(guò)無(wú)線接收模塊接收信息，根據(jù)信息采取相應(yīng)行動(dòng)。(3)運(yùn)動(dòng)模塊：采用MC33886作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，根據(jù)主芯片發(fā)出的PWM信號(hào)的占空比對(duì)控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 (4)LCD顯示模塊：采用SYB12864KZK液晶顯示，及時(shí)反饋?zhàn)詣?dòng)掃地機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。 (5)清潔模塊：通過(guò)安裝微型吸塵器，完成吸塵功能，在電池電量低的時(shí)候關(guān)閉此微型吸塵器。 (6)控制模塊：負(fù)責(zé)分析各種傳感器返回的信息并對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊做出決策。初始化數(shù)據(jù)尋找充電器遍歷清掃充電完畢開始是否有電結(jié)束圖33本設(shè)計(jì)中自動(dòng)掃地機(jī)的軟件框圖否是自動(dòng)掃地機(jī)開始工作后，通過(guò)撥碼開關(guān)選擇人工遙控或者自主清掃，如果是自主清掃則首先檢查電池是否電量低，若電池電量低則運(yùn)行自動(dòng)充電程序，完成充電后，開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，工作過(guò)程中液晶顯示當(dāng)前機(jī)器人的工作狀態(tài)。檢測(cè)到樓梯是一個(gè)緊急情況，需要及時(shí)響應(yīng)，因此采用中斷服務(wù)子程序，在子程序中使機(jī)器人后退并轉(zhuǎn)彎。整個(gè)系統(tǒng)軟件框架如圖33所示，其中遍歷清掃包括了全區(qū)域路徑覆蓋、自動(dòng)避障和運(yùn)動(dòng)控制幾個(gè)部分。側(cè)面四個(gè)紅外測(cè)距傳感器下面兩個(gè)紅外測(cè)距傳感器，檢測(cè)樓梯兩個(gè)輪子側(cè)面四個(gè)碰撞傳感器兩個(gè)紅外接收頭圖34清潔機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖為了使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎更靈活，選擇使用圓形底盤，如圖34所示，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位于機(jī)器人的中間部位，以達(dá)到零轉(zhuǎn)彎半徑，即原地轉(zhuǎn)彎。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，四個(gè)碰撞傳感器分別放在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后方，兩個(gè)向下測(cè)距的紅外傳感器放在輪子的前方用來(lái)檢測(cè)樓梯，側(cè)面的四個(gè)紅外測(cè)距傳感器用來(lái)路徑規(guī)劃，而兩個(gè)紅外接收頭放在機(jī)器人的正前方，二者中間有一個(gè)擋板，這兩個(gè)接收頭用來(lái)尋找充電器。 一般微電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種選擇，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)通常則采用連續(xù)移動(dòng)的模擬控制方式。由于步進(jìn)電機(jī)采用步階移動(dòng)，所以特別適合絕對(duì)尋址應(yīng)用，176。176。的精確移動(dòng)能力。步進(jìn)電機(jī)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(jī)則是以電機(jī)電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半則是以開環(huán)方式進(jìn)行操作。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)較步進(jìn)電機(jī)復(fù)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(jī)，型號(hào)為2342012CR，額定電壓是12V，減速比為1：64。電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)見表31。表31 電機(jī)參數(shù)1輸出功率W172額定電壓V123空載轉(zhuǎn)速rpm81004堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩mNm805轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩斜率rpm/mNm1016空載電流mA757堵轉(zhuǎn)電流A8電樞電阻Ω9最大效率%8010轉(zhuǎn)矩常數(shù)mNm/A11速度常數(shù)rpm/V71312機(jī)械時(shí)間常數(shù)ms613轉(zhuǎn)子慣量gcm214轉(zhuǎn)子電感uH6515熱阻K/W3/15 電池的選擇是自動(dòng)掃地機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的內(nèi)容，本系統(tǒng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微型吸塵器需同時(shí)工作，另外還要給控制系統(tǒng)供電，但受到機(jī)器人的尺寸限制，電源的體積不能太大。因此在選擇電池時(shí)，對(duì)容量、效能及體積等諸方面因素應(yīng)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(hào)(AAA型)、5號(hào)(AA型)、1號(hào)、2號(hào)以及工業(yè)專用型號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是自放電率較鎳氫電池低、內(nèi)阻小、價(jià)格相對(duì)便宜；缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生記憶效應(yīng)。電池容量方面以使用最廣泛的5號(hào)(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(hào)與鎳福電池相同。優(yōu)點(diǎn)是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒(méi)有記憶效應(yīng)；缺點(diǎn)是自放電率較高。電池容量方面同樣以使用最廣泛的5號(hào)(AA型)電池為例，單節(jié)電池的容量可達(dá)10001300mAh。 可充電的聚合物鏗離子電池是目前比較先進(jìn)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(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。電瓶常見的有鉛酸電瓶和免維護(hù)電瓶，主要用在需要大容量電池的場(chǎng)合，不過(guò)一般電瓶體積比較大。 經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用鏗電池，通過(guò)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(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。最常被采用的車體外形是圓形車體，具有運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃地機(jī)采用圓形車體。 機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。本設(shè)計(jì)中自動(dòng)掃地機(jī)只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。 輪式移動(dòng)機(jī)器人的輪系一般有三輪、四輪和六輪等，由于四輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，承載能力較大，在本設(shè)計(jì)中采用四輪結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)輪子是驅(qū)動(dòng)輪，前后兩個(gè)萬(wàn)向輪起支撐作用，在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)控制左右輪的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，并且自動(dòng)掃地機(jī)可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即原地旋轉(zhuǎn))。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(gè)安裝孔，不需要額外的撐架，可直接用螺絲進(jìn)行固定。紅外避障傳感器直徑為18mm長(zhǎng)45mm左右，外面旋鈕直徑26mm左右，通過(guò)上面的兩個(gè)大旋轉(zhuǎn)扣來(lái)固定該傳感器，因此需要自制一個(gè)零件使其可以?shī)A在上面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)L形配件把紅外避障傳感器固定在機(jī)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(guò)兩個(gè)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(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，將電機(jī)安裝在機(jī)器人底盤下面。該電機(jī)直徑30mm，長(zhǎng)度85mm，出軸直徑6mm，出軸長(zhǎng)度35mm，出軸周圍有三個(gè)直徑3mm的安裝孔。通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)L型配件進(jìn)行安裝，側(cè)面用于固定電機(jī)，底面固定在底盤上。驅(qū)動(dòng)輪需要固定在電機(jī)軸上，電機(jī)出軸直徑6mm，軸上有兩個(gè)垂直的橫截面，可以把輪子固定在上面，輪子直徑60mm，側(cè)面凸出部分上面有安裝孔，可以把輪子固定在電機(jī)軸上。圖41 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖根據(jù)自動(dòng)掃地機(jī)功能要求，自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖41所示。其中，信號(hào)輸入部分主要包括信息采集模塊(碰撞傳感器、測(cè)距傳感器、攝像頭、紅外接收頭)、無(wú)線串行接口(紅外遙控接收模塊)、電壓檢測(cè)芯片。信息采集模塊要實(shí)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(cè)是用來(lái)防止機(jī)器人從臺(tái)階或者高處跌落，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，需要占用外部中斷端口。其它信號(hào)采用普通I/O口接收，采用定時(shí)查詢方式進(jìn)行信號(hào)處理即可。另外為了方便使用，還擴(kuò)展了紅外遙控模塊，可以手動(dòng)控制機(jī)器人的行走。 單片機(jī)根據(jù)所有的輸入信號(hào)，對(duì)微型吸塵器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液晶顯示進(jìn)行控制，對(duì)微型吸塵器的控制信號(hào)來(lái)自單片機(jī)的普通I/O口，用三極管放大后再對(duì)微型吸塵器進(jìn)行開關(guān)控制。電機(jī)需要特定的驅(qū)動(dòng)芯片，單片機(jī)產(chǎn)生PWM波通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制。為了創(chuàng)建友好的人機(jī)界面，還需要擴(kuò)展顯示模塊和一些狀態(tài)指示燈，方便了解機(jī)器人的運(yùn)行狀況，其中LCD采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健? 機(jī)器人工作時(shí)，首先根據(jù)電壓檢測(cè)芯片的返回值判斷電池是否欠壓，如果欠壓則利用兩個(gè)紅外接收頭尋找充電器并進(jìn)行充電，充好電后開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，其中行走機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制。四個(gè)碰撞傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)避障，當(dāng)機(jī)器人任何一個(gè)方向碰到物體時(shí)反饋信息給單片機(jī)，以做出避障決策，紅外測(cè)距傳感器用來(lái)路徑規(guī)劃，液晶在機(jī)器人工作時(shí)顯示機(jī)器人的狀態(tài)。MC9S12DG128單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)核心。為了便于調(diào)試和功能擴(kuò)展，單片機(jī)的最小系統(tǒng)做成獨(dú)立的子板，其他模塊制成一塊電路板作為母板，子板通過(guò)插針、插座與母板連接。子板由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；看門狗電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掃地機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置手動(dòng)復(fù)位按鈕；LED狀態(tài)顯示，調(diào)試子板時(shí)下載跑馬燈程序用。圖42有源晶振連接電路 時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾，尤其是對(duì)模擬部分如AD轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的干擾；若晶振工作不正常，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。MC9S12系列單片機(jī)的時(shí)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(gè)16M的晶振體。晶振和單片機(jī)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(hào)過(guò)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(duì)信號(hào)質(zhì)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(lái)，也防止其他干擾信號(hào)進(jìn)來(lái)。與無(wú)源晶振相比，有源晶振不需要單片機(jī)內(nèi)部起振電路，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單(通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過(guò)濾信號(hào)即可)，不需要復(fù)雜的配置電路，本系統(tǒng)選用了16MHZ的有源晶振，封裝選用標(biāo)貼的，體積與無(wú)源晶振相當(dāng)，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖42所示。另外根據(jù)時(shí)鐘模式選擇要求將PE7引腳進(jìn)行下拉。圖43 看門狗接口電路單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器外，還需外加看門狗電路。IMP813L是