一種新型智能清潔機器人測控系統的設計

　　0 引 言

　　移動(dòng)機構是清潔機器人的主體，決定了清潔機器人的運動(dòng)空間，一般采用輪式結構。傳感器系統一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構成多傳感器系統。隨著(zhù)近年來(lái)控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能清潔機器人控制系統的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅實(shí)的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵系統在原理上與傳統立式吸塵器相同，主要是在結構設計上更多考慮結構尺寸、集成度以及一些輔助機構的合理布置和利用，以此來(lái)提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機器人測控系統的設計與實(shí)現，最終目標是通過(guò)軟硬件的合理設計，使智能清潔機器人能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物，實(shí)現一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。

　　1 測控系統組成及功能

　　智能清潔機器人測控系統主要包括控制器核心系統、傳感器系統和驅動(dòng)系統等。其原理如圖1所示?；谇鍧崣C器人自身體積盡可能小的原則，本設計將控制器核心系統、傳感器系統、行走驅動(dòng)及相關(guān)電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過(guò)光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開(kāi)來(lái)。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統，檢測信號經(jīng)調理電路處理后送控制器；采用8位單片機SST89E554RC作為控制器，控制器對傳感器信號加以判斷，根據判斷結果，選定相應的控制策略，并控制語(yǔ)音系統發(fā)出相應的報警信號；在相應的控制策略下，通過(guò)專(zhuān)用驅動(dòng)器驅動(dòng)直流電機，帶動(dòng)驅動(dòng)輪，兩輪獨立驅動(dòng)，實(shí)現避障功能；同時(shí)，控制器控制小型雙風(fēng)機真空吸塵系統對經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的清掃。

圖1 系統原理

　　該新型智能清潔機器人實(shí)驗平臺如圖2所示，該平臺為圓形結構，兩輪獨立驅動(dòng)，具備完整的吸塵系統和電源系統等功能模塊。最終將在該平臺上對本文所介紹的測控系統的性能進(jìn)行實(shí)驗驗證。

圖2 智能清潔機器人實(shí)驗平臺

　　2 測控系統硬件設計

　　2.1 CPU控制模塊

　　CPU采用美國SST公司制造的8位單片機SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標準的8051器件管腳對管腳兼容。片內擁有1 kB字節RAM空間，3個(gè)16位定時(shí)計數器，4個(gè)8位I/O端口，擁有可編程計數陣列(PCA),可提供5路256級PWM調速，可通過(guò)全雙工增強型串口實(shí)現人機通訊。

　　依據SST89E554RC單片機的引腳特性，在實(shí)際設計中，各電機驅動(dòng)信號由單片機P1口輸出，左右驅動(dòng)電機占用P1.1～P1.6共6個(gè)端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調速信號輸出端口使用)，吸塵風(fēng)機和起塵電機分別占用P1.0和P1.7口；紅外反射式傳感器和接觸傳感器檢測信號分別送給 P2口的P2.0～P2.7共8個(gè)端口；超聲波接收器信號經(jīng)調理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個(gè)觸摸式選擇屏的觸摸信號經(jīng)處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

　　2.2 驅動(dòng)模塊

　　直流電機所需的驅動(dòng)電壓、驅動(dòng)電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅動(dòng)芯片L298N作為電機驅動(dòng)芯片。L298N是推挽式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，直流驅動(dòng)電流總和可達4A，其內部具有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調速功能。在控制電路中，考慮到單片機會(huì )受到驅動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅動(dòng)部分在電氣上隔離開(kāi)來(lái)。采用8個(gè)1N5822高速大電流肖特基二極管組成續流保護電路，消除電機在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢。系統工作時(shí)，單片機P1口輸出的控制信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機驅動(dòng)芯片L298N，控制電機動(dòng)作。當需要調速時(shí)，只需改變PWM波(本設計中由單片機P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現256級調速。