【正文】 行有效HREF、像素時(shí)鐘PCLK和水平同步CHSYNC等控制信號(hào)。圖411 攝像頭接口電路為了更好地進(jìn)行進(jìn)行環(huán)境感知，完成清潔任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能化，本系統(tǒng)擴(kuò)展了視覺(jué)模塊，采用康美迪亞科技公司的C3038數(shù)字?jǐn)z像模塊。利用S12內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，并配合從視頻信號(hào)中分離出的同步信號(hào)，單片機(jī)可以直接將圖像信號(hào)采集到單片機(jī)內(nèi)部RAM中，然后通過(guò)軟件對(duì)圖像信息進(jìn)行處理，在電路設(shè)計(jì)中，需要使用LM1881等視頻分離芯片。 在市場(chǎng)上，CMOS攝像頭模塊有模擬式和數(shù)字式兩種。時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、邏輯時(shí)序和信號(hào)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。具體的接口電路如圖410所示。本系統(tǒng)需要可以測(cè)得距離是否有變化的傳感器，所以該傳感器可以勝任。額定電壓為5V，電流100mA，探測(cè)距離380cm，傳感器長(zhǎng)45mm，直徑18mm，共三個(gè)接口，分別是電源、地、信號(hào)。圖410 紅外避障傳感器接口紅外測(cè)距傳感器常用的是GP2D12，其探測(cè)距離1080cm，輸出模擬量，但價(jià)格較高，經(jīng)過(guò)比較，本系統(tǒng)最終選擇了E18D80NK紅外避障傳感器。 綜合考慮各傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)和本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)后，本系統(tǒng)選取碰撞傳感器(微動(dòng)開(kāi)關(guān))和紅外測(cè)距傳感器來(lái)完成避障和路徑規(guī)劃。整個(gè)傳感器陣列就像是自動(dòng)掃地機(jī)的“眼睛”，收集周?chē)粗h(huán)境的某些信息。它需要通過(guò)傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)，并將障礙物信息傳送給單片機(jī)，進(jìn)行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。為了將控制部分和功率部分隔離開(kāi)，所有的PWM信號(hào)都通過(guò)6N137進(jìn)行了隔圖47 隔離PWM信號(hào)離，隔離后的信號(hào)再送給MC33886，如圖47所示，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)左輪的兩個(gè)MC33886并圖48 左輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖聯(lián)電路原理圖如圖48所示。本系統(tǒng)采用兩輪差速控制，因此需要控制兩個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)使用了四片MC33886，兩兩并聯(lián)來(lái)提高電流驅(qū)動(dòng)能力并減小單片MC33886的發(fā)熱。此時(shí)，如果是欠壓狀態(tài)，當(dāng)欠壓狀況消除后芯片會(huì)自動(dòng)恢復(fù)輸出，而如果是過(guò)流或過(guò)溫狀態(tài)，則需要通過(guò)單片機(jī)向MC33886芯片的Dl和D2引腳發(fā)送復(fù)位信號(hào)來(lái)恢復(fù)33886的輸出。圖46 MC33886應(yīng)用示意圖該芯片包含內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、門(mén)驅(qū)動(dòng)和低阻輸出，可用頻率最高可達(dá)l0KHz的PWM波調(diào)節(jié)輸出電壓，帶有欠壓、過(guò)流、過(guò)溫自動(dòng)保護(hù)功能，在輸入壓降過(guò)大、輸出電流過(guò)大或芯片溫度過(guò)高時(shí)能夠自動(dòng)切斷輸出，以保護(hù)電路不被損壞。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為自動(dòng)掃地機(jī)的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車(chē)時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)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(huì)太大。系統(tǒng)中選用的LM2576芯片是一款在很多單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的性能優(yōu)秀的開(kāi)關(guān)電源芯片，其輸入電壓最大可達(dá)45V，輸出電流可以達(dá)到3A，工作溫度范圍為40℃到125℃。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。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(lái)自于電池組，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和微型吸塵器工作，電壓檢測(cè)芯片直接檢測(cè)總電源電壓，如果低于10V則輸出一個(gè)跳變信號(hào)給單片機(jī)，12V通過(guò)LM2576轉(zhuǎn)換成5V，給MC33886的FS和D2引腳供電，功率部分對(duì)應(yīng)的地是功率地。機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強(qiáng)健的電源供給作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。IMP813L是一體積小、功耗低、性?xún)r(jià)比高的帶看門(mén)狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場(chǎng)合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。另外根據(jù)時(shí)鐘模式選擇要求將PE7引腳進(jìn)行下拉。晶振的周?chē)拖旅姹M量用地線(xiàn)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)。晶振和單片機(jī)引腳之間的連線(xiàn)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?chē)€(xiàn)路。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。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。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)。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? 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(kāi)關(guān)控制。其它信號(hào)采用普通I/O口接收，采用定時(shí)查詢(xún)方式進(jìn)行信號(hào)處理即可。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(xiàn)串行接口(紅外遙控接收模塊)、電壓檢測(cè)芯片。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。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?chē)腥齻€(gè)直徑3mm的安裝孔。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(pán)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(pán)上。紅外避障傳感器、碰撞傳感器等需要安裝在底盤(pán)上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。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。最常被采用的車(chē)體外形是圓形車(chē)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(chē)體。 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。 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)。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。 常見(jiàn)的充電電池有鎳氫電池、鎳鎬電池、鏗電池電池和電瓶。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。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。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(kāi)環(huán)方式進(jìn)行操作。的精確移動(dòng)能力。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。 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。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(pán)，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。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。 (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。 (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)。 (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(xiàn)接收模塊接收信息，根據(jù)信息采取相應(yīng)行動(dòng)。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。 (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。 (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。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。 (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。 (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。 (2)全區(qū)域遍歷清潔 這是自動(dòng)掃地機(jī)最核心最重要的功能，全區(qū)域遍歷時(shí)間越少覆蓋率越高越好，目前常見(jiàn)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。詳細(xì)的功能如下： (1)自動(dòng)避障 自動(dòng)掃地機(jī)的任務(wù)是在室內(nèi)清潔地面，房間的環(huán)境信息對(duì)于機(jī)器人是未知的，在自動(dòng)掃地機(jī)移動(dòng)的過(guò)程中可能會(huì)碰撞到諸如家具、寵物之類(lèi)的物體，這時(shí)自動(dòng)掃地機(jī)需要感知前面碰撞到了物體；當(dāng)自動(dòng)掃地機(jī)被卡在了一個(gè)小空間內(nèi)時(shí)它要來(lái)回移動(dòng)找到出口，這時(shí)它需要感知前后左右各方面的碰撞信息。 自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本文要研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧靈活，便于操作，能夠自動(dòng)避障且路徑規(guī)劃智能度較高的自動(dòng)掃地機(jī)。它的功能就是根據(jù)控制模塊的指令，使機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，這個(gè)模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制電機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制方法的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的控制模塊是16位的MC9S12DG128單片機(jī)，隨著功能和要求的提高，并逐漸向32位處理器發(fā)展。 這個(gè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，相當(dāng)于人的“大腦”。 自動(dòng)掃地機(jī)在工作時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)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(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)判斷電池電量是否不足并自動(dòng)充電等。典型的自動(dòng)掃地機(jī)主要由以下幾個(gè)模塊組成： (1)信息采集模塊 (2)控制模塊 (3)運(yùn)動(dòng)模塊 (4)清掃模塊這四個(gè)部分構(gòu)成了完整的自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)，如圖31所示。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)信息采集模塊控制模塊運(yùn)動(dòng)模塊清掃模塊圖31 自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)典型組成示意圖自動(dòng)掃地機(jī)需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動(dòng)清潔地面。表21 操作模式選擇BKGD=MODCPE6=MODBPE5=MODAPK7=ROMCTLROMONBIT模式簡(jiǎn)介0001特殊單片模式，BDM有效00101仿真擴(kuò)展窄模式，BDM有效100100特殊測(cè)試模式，BDM有效01101仿真擴(kuò)展寬模式，BDM有效101001普通單片模式，BDM有效10100普通擴(kuò)展窄模式，BDM有效111101特殊設(shè)備模式，BDM有效；但是如果進(jìn)行總線(xiàn)操作，講引起總線(xiàn)沖突，所以一定不能使用總線(xiàn)11100普通擴(kuò)展寬模式11 本系統(tǒng)中的MC9S12DG128單片機(jī) MC9S12DG128有8路PWM輸出，本系統(tǒng)利用PWM輸出來(lái)控制兩輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)差速控制；豐富的數(shù)字I/O口可以接碰撞傳感器、紅外避障傳感器等，可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)可用來(lái)檢測(cè)樓梯，另外它的定時(shí)器功能可以精確進(jìn)行定時(shí)中斷，為自動(dòng)掃地機(jī)提供精確周期來(lái)完成采集信號(hào)、決策、行走等。在復(fù)位信號(hào)的上升沿，ROMCTL引腳數(shù)據(jù)鎖存，送入MISC寄存器中的ROMON位，ROMON位決定內(nèi)部Flash在內(nèi)存映像中是否可見(jiàn)。在復(fù)位信號(hào)的上升沿，MODC，MODB，和MODA引腳上的數(shù)據(jù)鎖進(jìn)MODE寄存器的相應(yīng)位，用來(lái)決定操作模式，如表21所列。PS0/RXD0：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口0的接收引腳。PS2/RXD1：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口1的接收引腳。PS4/MISO0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為SPI0的主模式的輸入（SI）引腳，或者從模式的輸出（MO）引腳，即配置為MOSI。PS6/SCK0：通用輸入或輸出引腳；以配置為SPI0的時(shí)鐘引腳SCK。PP0/KWP0/PWM0/MISO1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的0通道的輸出；還可以配置為SPI1的主模式的輸入（SI）引腳，或者從模式的輸出（MO）引腳，即配置為MISO。同時(shí)也可以配置為SPI