【正文】 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(qū)動能力并減小單片 MC33886 的發(fā)熱。此時，如果是欠壓狀態(tài)，當(dāng)欠壓狀況消除后芯片會自動恢復(fù)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(fù)位信號來恢復(fù) 33886 的輸出。 該芯片包含內(nèi)部控 制邏輯、電荷泵、門驅(qū)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。 電機驅(qū)動模塊設(shè)計 電機驅(qū)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(qū)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。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(guān)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℃。 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。 R 1R 2+ 5 V P F 1V C CMRPFOW D 1R E S E TG N DWDOP H 0P H 1M C 9 S 1 2 DG 1 2 8R E S E T I M P 8 1 3 L5 3 04 7 0 圖 43 看門狗接口電路 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 20 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， 5V 和，其中 12V 電源直接來自于電池組，負(fù)責(zé)驅(qū)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(zhuǎn)換成 5V，給 MC33886 的 FS 和 D2 引腳供電，功率 部分對應(yīng)的地是功率地。 電源模塊設(shè)計 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(chǔ) 。 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(fù)位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號為高電平場合的單片機系統(tǒng)的理想芯片。另外根據(jù)時鐘模式選擇要求將 PE7 引腳進行下拉。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。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。 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路在 單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計中往往是一個關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計不當(dāng)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(zhuǎn)換輸入信號的干擾；若晶振工作不正常，則會導(dǎo)致整個單片機系統(tǒng)無法運行。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。四個碰撞傳感器用來實時避障，當(dāng)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)。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，方便了圖 41 清潔機器人總體設(shè)計框圖 單 片 機碰 撞 傳 感 器（ 4 個 ）紅 外 測 距 傳 感 器（ 4 個 ） （ 路 徑 規(guī) 劃 ）紅 外 測 距 傳 感 器（ 2 個 ） （ 檢 測 樓 梯 ）檢 測 電 壓 芯 片（ 測 電 池 電 壓 ）紅 外 接 收 頭 （ 2 個 ）（ 尋 找 充 電 器 ）無 線 串 行 接 口（ 無 線 遙 控 用 ）攝 像 頭 接 口撥 碼 開 關(guān)（ 選 擇 清 掃 模 式 ）驅(qū) 動 電 路 左 輪 電 機驅(qū) 動 電 路 右 輪 電 機三 極 管 清 掃 模 塊L C D 顯 示 模 塊（ 實 時 顯 示 機 器 人 狀 態(tài) ） 隔 離隔 離 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 18 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? 單片機 根據(jù)所有的輸入信號，對微型吸塵器、驅(qū)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(guān)控制。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。 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。 驅(qū)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(cè)面凸出部分上面有安裝孔，可以把輪子固定在電機軸上。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。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(zhuǎn)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(shè)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。 傳感器配置與安裝 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。本設(shè)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。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(shè)計的 自動掃地機 采用圓形車體。 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計采用鏗電池，通過 3 串 2 并的方式組合成電池組，電壓范圍在 ，容量為 。 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(yīng)等優(yōu)點，單體電池容量為 ，單安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 15 體 電池電壓一般為 。優(yōu)點是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒有記憶效應(yīng) ； 缺點是自放電率較高。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。 常見的充電電池有鎳氫電池、鎳鎬電池、鏗電池電池和電瓶。 側(cè)面四個紅外測距傳感器 下面兩個紅外測距傳感器，檢測樓梯 兩個輪子 側(cè)面四個碰撞傳感器 兩個紅外接收頭 圖 34 清潔機器人機械結(jié)構(gòu)圖 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 14 表 31 電機參數(shù) 1 輸出功率 W 17 2 額定電 壓 V 12 3 空載轉(zhuǎn)速 rpm 8100 4 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 mNm 80 5 轉(zhuǎn)速 /轉(zhuǎn)矩斜率 rpm/mNm 101 6 空載電流 mA 75 7 堵轉(zhuǎn)電流 A 8 電樞電阻 Ω 9 最大效率 % 80 10 轉(zhuǎn)矩常數(shù) mNm/A 11 速度常數(shù) rpm/V 713 12 機械時間常數(shù) ms 6 13 轉(zhuǎn)子慣量 gcm2 14 轉(zhuǎn)子電感 uH 65 15 熱阻 K/W 3/15 電池選型 電池的選擇是 自動掃地機 設(shè)計的一個很重要的 內(nèi)容，本系統(tǒng)的兩個驅(qū)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。 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。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。 的 精確移動能力。由于步進電機采用步階移動，所以特別適合絕對尋址應(yīng)用，目前市場上常見的步進電機己能提供每一步 176。 電機和電池選型 電機選型 一般微電機有直流電機和步進電機兩種選擇，步進電機和直流電機的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動方式。 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)計中 自動掃地機 的軟件框圖 否 是 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 13 自動掃地機 機械結(jié)構(gòu) 為了使機器人轉(zhuǎn)彎更靈活，選擇使用圓形底盤，如圖 34 所示，兩個驅(qū)動輪位于機器人的中間部位，以達到零轉(zhuǎn)彎半徑，即原地轉(zhuǎn)彎。檢測到樓梯是一個緊急情況，需要及時響應(yīng)，因此采用中斷服務(wù)子程序，在子程序中使機器人后退并轉(zhuǎn)彎。 (6)控制模塊 ： 負(fù)責(zé)分析各種傳感器返回的信息并對 運動模塊 做出決策。 (4)LCD 顯示模塊 ： 采用 SYB12864KZK 液晶顯示，及時反饋 自動掃地機 的當(dāng)前狀態(tài)。 (2)紅外遙控模塊 ： 通過電腦給 自動掃地機 發(fā)送指令，機器人通過無線接收模塊接收信息，根據(jù)信息采取相應(yīng)行動。 自動掃地機 硬件框架 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計中的系統(tǒng)硬件主要由以下幾個部分組成 ： 控制模塊 、運動模塊、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。 (8)移動靈活，結(jié)構(gòu)小巧 自動掃地機 需要鉆到家具下面打掃，這就要求機器人的高度不能太高，有時機器人需要原地轉(zhuǎn)圈，這就要求它的機械結(jié)構(gòu)要靈活。 (6)自身狀態(tài)顯示 自動掃地機 在打掃或者充電時，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。本文采用安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 11 HT7033 作為電壓檢測傳感器，兩個一體化紅外接 收頭來尋找充電器。 (4)自動充電 自動掃地機 采用電池作為系統(tǒng)電源，如果打掃的房間過大，在打掃過程中可能電池欠壓，這時它需要自己找到充電器進行充電。 (3)樓 梯檢測 自動掃地機 可以檢測樓梯或者自身正處于高處，進行相應(yīng)的后退或者轉(zhuǎn)彎，以免跌落損壞。 (2)全區(qū)域遍歷清潔 這是 自動掃地機 最核心最重要的功能，全區(qū)域遍歷時間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、隨機遍歷 法。詳細的功能如下 ： (1)自動避障 自動掃地機 的任務(wù)是在室內(nèi)清潔地面，房間的環(huán)境信息對于機器人是未知的，在 自動掃地機 移動的過程中可能會碰撞到諸如家具、寵物之類的物體，這時 自動掃地機 需要感知前面 碰撞到了物體 ； 當(dāng) 自動掃地機 被卡在了一個小空間內(nèi)時它要來回移動找到出口，這時它需要感知前后左右各方面的碰撞信息。 自動掃地機 系統(tǒng)總體設(shè)計 自動掃地機 功能設(shè)計 本文要研制一臺結(jié)構(gòu)小巧靈活，便于操作，能夠自動避障且路徑規(guī)劃智能度較高的自動掃地機 。它的功能就是根據(jù) 控制模塊 的指令，使機器人的執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)相 應(yīng)的動作，這個模塊設(shè)計的關(guān)鍵在于控制電機的硬件電路設(shè)計和控制方法 的設(shè)計。本設(shè)計的 控制模塊 是 16 位的MC9S12DG128 單片機，隨著功能和要求的提高，并逐漸向 32 位處理器發(fā)展。 控制模塊 這個模塊是整個系統(tǒng)的核心所在，相當(dāng)于人的 “ 大腦 ” 。 信息采集模塊 自動掃地機 在工作時需要實時檢測自身狀態(tài)信息和收集外界環(huán)境信息，以控制自身狀態(tài)，進行路徑規(guī)劃，同時判斷電池電量是否不足并自動充電等。典型的 自動掃地機 主要由以下幾個模塊組成 ： (1)信息采集模塊 (2)控制模塊 (3)運動模塊 (4)清掃模塊 這四個部分構(gòu)成了完整的 自動掃地機 系統(tǒng)，如圖 31 所示。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 9 信息采集模塊 控制 模塊 運動模塊 清掃模塊 圖 31 自動掃地機 系統(tǒng)典型組成示意圖 3 系統(tǒng)總體設(shè)計 自動掃地機 系統(tǒng)組成 自動掃地機 需要完成的任務(wù)是能夠在房 間中自動清潔地面。 表 21 操作模式選擇 BKGD=MODC PE6= MODB PE5= MODA PK7= ROMCTL ROMONBIT 模式簡介 0 0 0 1 特殊單片模式， BDM 有效 0 0 1 0 1 仿真擴展窄模式， BDM 有效 1 0 0 1 0 0 特殊測試模式， BDM 有效 0 1 1 0 1 仿真擴展寬模式， BDM 有效 1 0 1 0 0 1 普通單片模 式， BDM 有效 1 0 1 0 0 普通擴展窄模式， BDM 有效 1 1 1 1 0 1 特殊設(shè)備模式， BDM 有效；但是如果進行總線操作，講引起總線沖突，所以一定不能使用總線 1 1 1 0 0 普通擴展寬模式 1 1 本系統(tǒng)中的 MC9S12DG128 單片機 MC9S12DG128 有 8 路 PWM 輸出，本系統(tǒng)利用 PWM 輸出來控制兩輪轉(zhuǎn)速