摘要：21世紀以來，隨著科技水平以及人們生活水平的提高，一些智能化的家用電器如智能清掃機器人受到人們越來越多的關(guān)注。目前，智能清掃機器人完成清潔任務(wù)的效率和能力也不斷地提高，得到十分廣泛的應(yīng)用。智能清掃機器人作為服務(wù)機器人的一種，是綜合機械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能等許多學(xué)科為一體的。智能清掃機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：清掃機器人;智能控制;定位;避障

引言

隨著傳感器的飛速發(fā)展和機械自動化的趨勢，以及人們生活觀念的不斷更新，智能清掃裝置已經(jīng)變得越來越貼合人們的需求，就像當(dāng)年洗衣機帶來的革命一樣，智能清掃裝置也正在給全世界帶來一場“干凈”的體驗。雖然國內(nèi)外都對智能清掃裝置進行了研究，尤其是在對智能清掃裝置的路徑規(guī)劃和控制方面取得了一定的成就;但是其工作效率以及自主能力并沒有達到理想的狀態(tài)，需要解決更加多的傳感技術(shù)，定位和環(huán)境建模技術(shù)的問題。本文針對上述問題對智能清掃裝置進行了創(chuàng)新，從傳感器部分、運動部分、清掃部分、處理器部分、電源部分以及人機接口部分來剖析本智能清掃機器人的設(shè)計功能。

1.智能清掃機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計說介紹的智能清掃機器人是一種新型的清掃裝置，其中包括它的結(jié)構(gòu)設(shè)計。智能清掃機器人的外觀設(shè)計，這樣的外觀設(shè)計不僅時尚美觀操作簡易而且拿取方便容易清洗集塵盒。

車體由萬向輪組、集塵盒、控制裝置以及分別與該控制裝置相連并受到其控制的清掃吸塵裝置和兩驅(qū)動輪組。所述的萬向輪組設(shè)置在車體的底面前部位置，而兩驅(qū)動輪組則對稱設(shè)置在該車體的底面中間兩側(cè)位置;清掃吸塵裝置設(shè)置在車體底面尾部的位置，集塵盒則在對應(yīng)清掃吸塵裝置的一側(cè)位置設(shè)置在車體的底面上，并與該清掃吸塵器裝置的側(cè)開口相連接。

萬向輪組包括萬向輪架和防滑輪，萬向輪架的上端固定在底盤的前部位置，而前滑輪設(shè)置在萬向輪架的下端;驅(qū)動輪組包括驅(qū)動電機、驅(qū)動后輪以及編碼器，該編碼器設(shè)置在驅(qū)動電機上，而驅(qū)動后輪通過聯(lián)軸器設(shè)施在驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)軸上。前滑輪和驅(qū)動后輪優(yōu)先采用橡膠輪胎，可以更大地增加了裝置在濕滑地面的可行動性以及行動位置的準確性。萬向輪組的兩側(cè)位置于底盤各設(shè)有一防跌臺階支架，防跌臺階的支架的底部設(shè)有與上述控制裝置相連接傳感器，能夠有效避免本產(chǎn)品從臺階上跌落。所述的控制裝置包括了控制電路以及分別與該控制電路相連接的電池組和多個紅外測距傳感器，多個紅外測距傳感器均勻分布在底盤前部邊緣的位置。

2.智能清掃機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

智能清掃機器人主要由六個部分組成，分別是運動部分、清掃部分、傳感器部分、處理器部分、電源部分以及人機接合部分，每一個部分負責(zé)不同的功能。如圖1，圖2所示，每一種功能都清晰明了。

圖1 智能清掃機器人功能分析????????????? 圖2 智能清掃機器人功能分析

本文所設(shè)計的智能清掃裝置可以實現(xiàn)在無人干預(yù)的情況下，自動地對室內(nèi)地板進行清掃，實時監(jiān)測前方障礙物，智能避障，而且能實時計算自己的坐標(biāo)，記錄自己清掃過的位置，以降低清掃路徑的重復(fù)率，提高清掃效率。當(dāng)裝置的電量不足的時候，還能夠自動返回固定的充電座進行充電。本裝置分為電源模塊、處理器模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊以及人機接口模塊。

2.1電源模塊

電源模塊對于整個裝置來說至關(guān)重要，要給整個系統(tǒng)供電。本裝置的電源消耗主要分為兩部分，吸塵和掃邊電機需要提供的能量和控制電路和驅(qū)動電路的能耗。選用了可充電的鋰電池作為裝置的電源。除此之外，還設(shè)立了一個固定的充電座，在處理器的路徑規(guī)劃算法中將該固定的充電座作為坐標(biāo)原點，裝置在檢測到電池電量不足10%時，就會自動執(zhí)行回原點操作，以最近的路徑返回充電座充電。

2.2處理器模塊

處理器是該裝置的核心，主要負責(zé)及時地處理傳感器傳回來的信息，將控制信息發(fā)給執(zhí)行機構(gòu)，控制智能清掃裝置避開障礙物并能實時計算自己的坐標(biāo)，推算出較優(yōu)的清掃路徑。當(dāng)中包括了128K字節(jié)的閃存程序存儲器，20K字節(jié)SRAM，80個I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷，3個16位定時器，2個看門狗定時器2個IIC接口，3個USART接口，2個SPI接口，1個CAN接口，1個USB2.0全速接口以及2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

核心處理器選用的是三星公司的32位RISC微處理器S3C2440。S3C2440A 采用了ARM920t 的內(nèi)核，0.13um 的CMOS 標(biāo)準宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優(yōu)雅，且全靜態(tài)設(shè)計特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu)Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA），有60個中斷源、24個外部中斷端口和130個多功能輸入/輸出端口，能更有效率的實現(xiàn)本裝置避障、路徑規(guī)劃等核心功能。

2.3電機驅(qū)動模塊

本裝置使用的是直流電機，直流電機的優(yōu)點是調(diào)速性能好，啟動、制動轉(zhuǎn)矩大，易于控制，家庭使用噪音小。

本電動驅(qū)動模塊包括運動驅(qū)動以及清掃驅(qū)動兩部分，如圖10所示。運動驅(qū)動主要負責(zé)智能清掃裝置在房間內(nèi)的運動，有左輪、右輪和前輪三個輪子組成，在左右輪上分別裝上兩個獨立的直流電機，通過左右輪的差速來控制裝置的轉(zhuǎn)向，前輪為萬向輪。左右輪的直流電機上裝有光電編碼器，用于記錄兩輪的速度，前輪上同樣裝有記錄轉(zhuǎn)過圈數(shù)的計數(shù)裝置，處理器根據(jù)左右輪的光電編碼器和前輪的技術(shù)裝置傳回的數(shù)據(jù)來計算出裝置轉(zhuǎn)過的角度和走過的距離，實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。而清掃驅(qū)是本裝置的執(zhí)行機構(gòu)，主要用來清掃地板上的垃圾和灰塵，由毛刷和小型渦輪風(fēng)機組成。清掃部分工作時，電動機帶動兩毛刷向不同的方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生吸力，將地板上的垃圾吸入垃圾盒中。電動機帶動小型渦輪風(fēng)機告訴旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓，吸取地面上的微塵，保證地面的清潔。

2.4傳感器模塊

傳感器部分是智能清掃裝置的“眼睛”和“耳朵”，用來獲取外部環(huán)境以及自身運動狀態(tài)的各種信息，本裝置主要由紅外傳感器、壓力傳感器、光電編碼器、溫度傳感器和濕度傳感器組成。它不僅對環(huán)境光線適應(yīng)能力強，而且電路簡單、安裝調(diào)試方便。

紅外傳感器工作原理與超聲波傳感器類似，同樣采用發(fā)射固定波長紅外線并接受同一回波的主動方式，它探測視角小，方向性強，測量精度高、反應(yīng)速度快，探測距離比較近，可以作為智能清掃裝置的碰撞傳感器。紅外傳感器當(dāng)有障礙物阻攔時光線能夠反射回來，輸出為低電平信號，當(dāng)沒有障礙物阻攔時，光線不能反射回來，輸出為高電平信號。處理器根據(jù)傳感器傳回的電平信號判斷前方有無障礙物。而左右輪的直流電機上裝有光電編碼器，用于記錄兩輪的速度，處理器以此來計算出裝置轉(zhuǎn)過的角度和走過的距離，來實現(xiàn)定位和路徑規(guī)劃。還有溫度傳感器和濕度傳感器用來實時監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度和濕度。

值得一提的是本裝置對于同類清掃裝置路徑規(guī)劃和坐標(biāo)運算的改進，加入了基于零點的坐標(biāo)運算，以固定的充電座為零點，以所在的地面為XY平面，建立平面坐標(biāo)系。通過計算自己轉(zhuǎn)過的角度和前輪前進的距離，就可以及時地計算出自己在該坐標(biāo)的位置。并且根據(jù)坐標(biāo)可以記憶自己走過的路徑，記憶自己清掃過的區(qū)域，降低路徑重復(fù)度，提高清掃效率。本設(shè)計還有一大亮點，就是設(shè)立一個固定的充電座，在處理器的路徑規(guī)劃算法之中將該固定的充電座作為坐標(biāo)原點，裝置在檢測到電池電量不足10%的時候就會自動執(zhí)行回原點操作，以最近的路徑返回充電座充電。

2.5 人機接合模塊

人機接口部分包括LED顯示屏、裝置表面按鍵。LED顯示屏主要用來顯示裝置當(dāng)前的信息（比如電量、速度等），還可以顯示裝置所處環(huán)境的信息（比如溫度、濕度等）。表面按鍵可以由人來控制裝置的啟停和運動速度的快慢以及清掃模式。

本智能清掃機器人在保留自動吸塵器基本的避障、清掃功能之外，大大提升了清潔效果，保證了環(huán)境衛(wèi)生。與此同時還額外增加了路徑覆蓋與路徑規(guī)劃算法，并且加入了手機遙控功能，使得手機可以對本機器裝置進行遙控，非常切合時代的發(fā)展。使得在遙控模式下也能能夠進行更加多的覆蓋清掃區(qū)域，并且在重點污垢區(qū)域，通過手機的藍牙進行遙控，定點加強清掃，增加其智能性。

3.智能清掃機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能清掃機器人低層功能的實現(xiàn)可以把程序分為電動驅(qū)動部分和實現(xiàn)功能部分，電機的控制部分是指智能清掃機器人正常工作的基本保障，電機控制能為智能清掃機器人提供動力輸出，控制車輪電機實現(xiàn)尋線移動、避障等等功能。而其他的程序則要保證機器人能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能如超聲波測速、測距以及定時等等功能。本文主要對避障等功能的軟件設(shè)計作出詳細的描述。

而障礙物探測以及避障的程序，是機器人在運動的過程中利用激光的測距傳感器探測障礙物信息并且實現(xiàn)避障，通過判斷語句實時的對距離值進行判斷，當(dāng)該值小于或者等于避碰的知的時候就會執(zhí)行程序，避開障礙物。

具體的代碼實現(xiàn)是在STM固件函數(shù)庫實現(xiàn)的。該函數(shù)庫是一個固件函數(shù)包，它由程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和宏組成，包括了微控制器所有外設(shè)的性能特征。該函數(shù)庫還包括每一個外設(shè)的驅(qū)動描述和應(yīng)用實例。通過使用本固件函數(shù)庫，無需深入掌握細節(jié)，用戶也可以輕松應(yīng)用每一個外設(shè)。

4.結(jié)語

本文章設(shè)計創(chuàng)新開發(fā)的智能清掃機器人經(jīng)過了一系列的調(diào)試，硬件電路設(shè)計，軟件設(shè)計;還經(jīng)過了電機模塊，傳感器模塊的測試調(diào)節(jié)之后達到了提高清掃效率、位置狀態(tài)判斷準確等設(shè)計功能的實現(xiàn);而且還對設(shè)計進行創(chuàng)新，例如加入了手機遙控功能，使用者通過手機的藍牙進行遙控，定點加強清掃。本智能清掃機器人的創(chuàng)新性更加能夠切合人們的要求。

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作者簡介：許森?。?993-）男，浙江杭州人，漢族，大學(xué)本科學(xué)歷，新疆大學(xué)機械自動化專業(yè)學(xué)生。