劉 海,郭小勤

摘 要:介紹一種基于ARM7微控制器的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高,功能完備,包括控制器、傳感器部分、電機(jī)控制部分和人機(jī)接口部分。由碰撞傳感器、超聲波傳感器和接近傳感器來探測(cè)周圍的環(huán)境,由直流電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn),結(jié)合旋轉(zhuǎn)編碼器的反饋信息進(jìn)行路徑規(guī)劃。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可靠性,實(shí)現(xiàn)了清潔機(jī)器人的自動(dòng)清潔行走功能。

關(guān)鍵詞:吸塵機(jī)器人;ARM7;傳感器;運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào):TP242.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-127-04

Control System Design of Cleaning Robot

LIU Hai,GUO Xiaoqin

(College of Mechatronics and Control Engineering,Shenzhen University,Shenzhen,518060,China)

Abstract: This paper presents the system integration and overview of autonomous cleaning robot based on ARM7 microcontroller.The real-time characteristic and function of the system are in good condition.The system consists four segments:controller,sensors,motor control system and man-machine interface.Several sensors of the approaching in order to detect the surrounding obstacles while cleaning,two driven wheels are driven by two DC motors,combining with the feedback information of rotating encoder,the cleaning robot can complete the path planning.Experiments show that the control system run well and the robot have the ability to clean the floor automatically.

Keywords:cleaning robot;ARM7;sensor;motion control

0 引 言

隨著人口的老齡化和社會(huì)福利制度的完善,導(dǎo)致勞動(dòng)力成本的急劇上升,一些簡單的重復(fù)性的體力勞動(dòng)為服務(wù)機(jī)器人提供了廣闊的市場。清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種,可以代替人進(jìn)行清掃房間、車間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案,其具有實(shí)用價(jià)值。

室內(nèi)清潔機(jī)器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作,因此需要有一定的智能。清潔機(jī)器人應(yīng)該具備以下能力:能夠自我導(dǎo)航,檢測(cè)出墻壁,房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開;能夠走遍房間的大部分空間,可以檢測(cè)出電池的電量并且能夠自主返回充電,同時(shí)要求外形比較緊湊,運(yùn)行穩(wěn)定,噪音小;要具有人性化的接口,便于操作和控制。結(jié)合清潔機(jī)器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

1 測(cè)控系統(tǒng)及功能

為了使吸塵機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加流暢,防止出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象,把吸塵機(jī)器人外觀設(shè)計(jì)成扁圓柱形的,扁圓形的設(shè)計(jì)可以使其自由進(jìn)入沙發(fā)、床和家具底下,把一些邊角都能夠清掃干凈。與地面平行的圓形底盤由三個(gè)輪子共同支撐,左右兩側(cè)的為驅(qū)動(dòng)輪,分別由兩個(gè)微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng),前面的支撐輪為萬向輪。機(jī)器人的這種外形和車輪布局可使其方便地實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎,大大提高了行走的靈巧性,這在空間范圍較小的地方更為突出。采用碰撞、超聲波和紅外傳感器組成多傳感器系統(tǒng),在機(jī)器人的上方裝有紅外接收裝置;在機(jī)器人的底部邊緣,每隔45°裝有接近傳感器,用來檢測(cè)臺(tái)階,防止跌落;在機(jī)器人的前方裝有碰撞傳感器,前方和左右裝有超聲波傳感器,用來檢測(cè)周圍環(huán)境。機(jī)器人上裝有電源管理系統(tǒng),如果電壓過低會(huì)停止清掃,并且去自動(dòng)充電。

1.1 微控制器

傳統(tǒng)的微處理器如51系列雖然開發(fā)周期短,成本低,但其實(shí)時(shí)性不好,難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法[1];另外,增加的外圍電路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度慢, 使機(jī)器人的性能得不到充分的發(fā)揮。高速DSP的出現(xiàn)雖然使得系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化,但其開發(fā)成本高[2]。與DSP具有同等性能的ARM微處理器資源豐富,具有很好的通用性,其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能,低價(jià)格,低功耗,廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,因此將ARM應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。LPC2210是飛利浦帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S 微處理器,其采用3 級(jí)流水線技術(shù),能夠并行處理指令。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗, 多個(gè)32 位定時(shí)器、PWM 輸出和32 個(gè)GPIO使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)[3],滿足了機(jī)器人對(duì)控制器運(yùn)算速度的要求。以LPC2210 為核心,設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定的清潔機(jī)器人車體系統(tǒng)。

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要完成的任務(wù):接收傳感器和編碼器傳來的數(shù)據(jù),綜合處理進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃;驅(qū)動(dòng)左右輪前進(jìn)行走,控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu),完成各種底層控制動(dòng)作;設(shè)計(jì)合適的人機(jī)接口,在LCD上顯示機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間。因此,機(jī)器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,紅外遙控接收模塊、LED指示燈和液晶顯示模塊。整個(gè)控制系統(tǒng)組成及各部分間相互關(guān)系如圖1所示。其中外擴(kuò)了1塊512 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM(IS61LV25616AL)和2 MB的程序存儲(chǔ)器FLASH(SST39VF1601),滿足了路徑規(guī)劃時(shí)對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。

圖1 控制系統(tǒng)相互關(guān)系圖

1.2 傳感器部分

傳感器類似于人的五官,是機(jī)器人感知外部環(huán)境的直接手段。機(jī)器人通常采用測(cè)距傳感器對(duì)周圍環(huán)境和障礙物進(jìn)行檢測(cè)。常用的測(cè)距傳感器有超聲波、紅外、視覺和激光測(cè)距儀。3D激光測(cè)距儀價(jià)格昂貴且笨重,2D的需要安裝路標(biāo)配合,不適合清潔機(jī)器人使用。立體視覺對(duì)處理器的要求太高,難以滿足實(shí)時(shí)性和魯棒性的要求。紅外傳感器采用發(fā)射固定波長紅外線并接受同一回波的主動(dòng)方式,探測(cè)視角小,方向性強(qiáng),但是受環(huán)境影響大,距離比較近。超聲波能測(cè)得目標(biāo)的距離信息,但是有盲區(qū),兩個(gè)超聲波比較近的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象。紅外線傳感器和超聲傳感器單個(gè)使用只能獲得目標(biāo)的距離信息,不能獲得目標(biāo)的邊界信息[4]。

1.2.1 超聲波傳感器

清潔機(jī)器人和一般的移動(dòng)機(jī)器人不同,它要求把墻邊,家具以及房間內(nèi)的其他物體旁邊都清掃到,因此其它要求能夠非常接近障礙物但是不碰上。基于這個(gè)要求,用超聲波傳感器是比較合適的,它可以測(cè)量機(jī)器人與障礙物之間的距離,通過軟件控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)來保持機(jī)器人的沿邊清掃。這里采用的超聲波傳感器是超聲波模塊Ping28015,模塊集成了超聲波的一對(duì)發(fā)射和接收以及檢測(cè)部分,體積比較小,適合清潔機(jī)器人使用[5],如圖2所示。

圖2 Ping28015超聲波模塊

這一款超聲波傳感器有以下優(yōu)點(diǎn):適應(yīng)各種環(huán)境,不受灰塵和光線的影響;盲區(qū)為2.5 cm,可以把傳感器安裝在合適的位置就可以避開盲區(qū);探測(cè)發(fā)散角度為15°,反應(yīng)距離2.5 m以內(nèi),該課題的檢測(cè)距離為0.5 m。超聲波傳感器的基本原理是測(cè)量從聲波發(fā)射和回到接收器所用的時(shí)間。這一款傳感器的的發(fā)射端口和接收端口是一個(gè)管腳,首先由控制器發(fā)射一個(gè)5 μs寬度的高電平脈沖來激發(fā)傳感器發(fā)射40 kHz的超聲波,脈沖發(fā)出750 μs后,管腳電平置高;當(dāng)傳感器接收到回波時(shí),管腳的電平被拉低。由信號(hào)端高電平的寬度就可以知道由發(fā)射到返回需要的時(shí)間,寬度為115 μs~18.5 ms之間。公式s=vt/2,其中s表示傳感器與目標(biāo)的距離;t表示發(fā)射到回收的時(shí)間;v是聲波速度,v=340 m/s。由此可以知道傳感器與障礙物之間的距離。一次探測(cè)時(shí)間最多是20 ms,5個(gè)傳感器查詢完畢,用時(shí)100 ms,因此兩個(gè)相鄰傳感器采用分時(shí)段進(jìn)行使能,就會(huì)避免相互干擾,而不會(huì)影響機(jī)器人速度。

1.2.2 紅外接近傳感器

反射式光電開關(guān)是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成,當(dāng)有障礙物阻攔時(shí)光線能夠反射回來,輸出為低電平信號(hào);當(dāng)沒有障礙物阻攔時(shí),光線不能反射回來,輸出為高電平信號(hào)。

吸塵機(jī)器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發(fā)射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個(gè)38 kHz的調(diào)制脈沖信號(hào);利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管(TSAL6200)的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收,通過接收頭(HS0038B)內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào),輸入到微控制器的I/O口,如圖3所示。接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平,否則就會(huì)輸出高電平。通過對(duì)I/O口的檢測(cè),便可以判斷物體的有無。

1.2.3 碰撞開關(guān)傳感器

兩個(gè)槽型對(duì)射光電開關(guān)均布在機(jī)器人左前和右前方。如此的布局可以使機(jī)器人感知來自前方、左前、右前三個(gè)方向的障礙物,從而根據(jù)障礙物方向的不同做出不同的反應(yīng)。當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí),彈簧在障礙物的作用下,向內(nèi)壓迫碰撞開關(guān)擺臂,促使簧片擋住光電開關(guān)的光線,輸出低電平。當(dāng)沒有障礙物作用時(shí),簧片在彈簧的作用下恢復(fù),光電開關(guān)的光線沒有被遮擋,輸出高電平,如圖4所示。

圖3 紅外接近傳感器模塊

圖4 碰撞開關(guān)傳感器示意圖

這三個(gè)傳感器中,超聲波傳感器用來探測(cè)前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個(gè)超聲波傳感器垂直于行走方向放置,用于機(jī)器人的沿邊行走規(guī)劃;設(shè)定機(jī)器人行走時(shí)與墻邊的距離值,調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走方向,使兩個(gè)超聲波與墻邊的距離近似等于設(shè)定值,保持機(jī)器人沿墻行走時(shí)保持適當(dāng)?shù)木嚯x,不會(huì)撞到或者遠(yuǎn)離墻壁[6]。前方兩個(gè)碰撞傳感器和一個(gè)超聲波配合用來用來探測(cè)前半部分的環(huán)境;接觸傳感器具有檢測(cè)范圍大、信號(hào)無需調(diào)理、占用資源少的優(yōu)點(diǎn),通過接觸碰撞,檢測(cè)那些未能被超聲波傳感器檢測(cè)到的桿狀障礙比如家具腿等,傳感器之間的位置如圖5所示。

圖5 傳感器布置示意圖

接近傳感器用來探測(cè)地面是否有懸崖,在機(jī)器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個(gè)。除了上述三種傳感器以外,在三個(gè)輪子上都裝有一個(gè)常開的開關(guān)傳感器,當(dāng)輪子懸空的時(shí)候,開關(guān)就會(huì)閉合,輸出低電平。當(dāng)輪子懸空時(shí)可以讓機(jī)器人停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)

在小功率系統(tǒng)中,直流電機(jī)線性特性良好,控制性能優(yōu)越,適合于點(diǎn)位和速度控制。為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行,只需要改變電機(jī)電源電壓的極性。電壓極性的變化和運(yùn)行時(shí)間的長短可以由處理器實(shí)現(xiàn),而提供直流電機(jī)正常運(yùn)行的電流則需要驅(qū)動(dòng)電路。

H橋式驅(qū)動(dòng)電路是比較常用的驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)兩個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分立器件功率場效應(yīng)管和續(xù)流二極管搭建,成本低,便于散熱,如圖6所示。

圖6 行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

用ARM7的P0.8和P0.9來控制電機(jī),這兩個(gè)管腳都是PWM輸出管腳,可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng),同時(shí)輪上帶有編碼器,可以對(duì)行走的路程進(jìn)行檢測(cè)。通過航位推算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎,假設(shè)機(jī)器人光電碼盤的分度數(shù)為N;控制器收到的脈沖數(shù)為m;輪子的直徑為D;兩個(gè)輪子之間的間距為W,則輪子前進(jìn)的距離為:

S=πmD/N(1)

設(shè)機(jī)器人在環(huán)境坐標(biāo)系中的位姿為(X(t),Y(t),φ(t)),則第n+1次采樣的方位角φn+1值和第n次采樣的φn值有以下關(guān)系:

φn+1 -φn = 1W∫n+Tn[vR(t)-vL(t)]dt=

1W(ΔSRn -ΔSLn)(2)

式中:vR(t)和vL(t)分別是在t時(shí)刻兩輪的速度;ΔSLn和ΔSRn為兩個(gè)主動(dòng)輪從第n次采樣時(shí)刻到第n+1次采樣時(shí)刻之間所行走的距離。

ΔSRn=π(mR(n+1)-mRn)d/N(3)

ΔSLn=π(mL(n+1)-mLn)d/N(4)

如果規(guī)定要進(jìn)行原地轉(zhuǎn)彎,就是一個(gè)輪子正轉(zhuǎn),另外一個(gè)輪子反轉(zhuǎn)的方式那么:

φn+1-φn=1W∫n+Tn[vR(t) + vL(t)]dt=

1W(ΔSRn +ΔSLn)(5)

從式(1)~(5)可知,由兩輪編碼器的脈沖數(shù)就可以知道兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)彎角度和行進(jìn)距離,從而進(jìn)行路徑規(guī)劃。

清掃電機(jī)就是帶動(dòng)清掃滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng),把灰塵帶到風(fēng)口處。吸塵機(jī)器人清潔地面的功能是通過其自身攜帶的小型吸塵器完成的。該小型吸塵器與一般家庭用的拖線式吸塵器相同,吸塵口貼近地面,是一條鴨嘴式的窄縫,在里邊加入一個(gè)真空吸塵器,吸塵腔位于機(jī)器人體內(nèi)。吸塵電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)排氣風(fēng)扇,用來吸引灰塵到垃圾收集箱。刷子電機(jī)用來把邊緣處的的灰塵掃向中間的清掃滾輪處。

清掃、吸塵電機(jī)都是由場效應(yīng)管的開關(guān)特性來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)?？刂破鞯腎/O口只需要給一個(gè)高、低電平信號(hào),由三極管做開關(guān)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)MOFSET管來控制電源的通斷,就可以控制電機(jī)。

3 人機(jī)接口模塊

遙控可以使機(jī)器人的使用更加方便,其中有紅外遙控方式和名片式無線遠(yuǎn)程通訊。無線電通訊方式容易受電磁干擾,紅外遙控比較簡單,發(fā)射距離也在10 m以上,能夠滿足需要。通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成,為了節(jié)省硬件資源,選用了一體化紅外接收頭,利用軟件進(jìn)行解碼。發(fā)射器芯片選用DT9122,所發(fā)射的1幀碼含有1個(gè)引導(dǎo)碼,16位的用戶編碼和8位的鍵數(shù)據(jù)碼和鍵數(shù)據(jù)反碼。引導(dǎo)碼由一個(gè)9 ms的載波波形和4.5 ms的關(guān)斷時(shí)間構(gòu)成,它作為隨后發(fā)射的碼的引導(dǎo),當(dāng)接收系統(tǒng)更能有效地處理碼的接收與檢測(cè)以及其他各項(xiàng)控制之間的時(shí)序關(guān)系,編碼采用脈沖位置調(diào)制方式(PPM)。利用脈沖之間的時(shí)間間隔來區(qū)分0和1,每次8位的碼被傳送之后,反碼也被傳送,減少了系統(tǒng)的誤碼率,接收器采用HS0038B。

考慮系統(tǒng)需求,選用按鍵和LCD作為輸入和輸出接口。設(shè)置了4個(gè)按鍵,分別為電源開關(guān)、點(diǎn)位清潔、范圍清潔和沿邊學(xué)習(xí)功能。點(diǎn)位清潔是以機(jī)器人現(xiàn)有位置為中心進(jìn)行2 m2的清掃,范圍清潔是隨機(jī)+局部遍歷的路徑規(guī)劃,沿邊學(xué)習(xí)是對(duì)房屋的邊角進(jìn)行清掃,并且能記下拐角點(diǎn)的坐標(biāo),估計(jì)房屋的大小。輸出選用MG240128A型點(diǎn)陣圖形液晶模塊,LCD在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)顯示機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間。同時(shí),還有LED燈用來顯示機(jī)器人狀態(tài),比如是否清掃完畢,電量情況。系統(tǒng)采用12 V鎳氫電池給電機(jī)供電,再分出5 V給控制系統(tǒng)供電。由于LPC2210 是雙電源供電,CPU 內(nèi)核為1.8 V,I/O口需要3.3 V,所以電源電壓經(jīng)LM2575 轉(zhuǎn)換成5 V電壓后,由LDO分別提供1.8 V 和3.3 V 電壓。圖7中的R83是采樣電阻,通過A/D轉(zhuǎn)換就可以知道通過R83的電流,從而監(jiān)控電源電壓的變化。

圖7 行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

4 結(jié) 語

清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種,有著巨大的市場潛力和廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和微處理器的不斷進(jìn)步,價(jià)格也在不斷下降。在此研究和設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM7微處理器的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng),不僅滿足了實(shí)用性的要求,而且在不增加成本的基礎(chǔ)上為軟件提供了良好的硬件支持,為更好的算法和軟件升級(jí)提供良好的技術(shù)支持。

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