掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)詳細(xì)

《掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)詳細(xì)》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)詳細(xì)（6頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、掃 地 機(jī) 器 人 結(jié) 構(gòu) 詳 細(xì) 自動(dòng)清掃機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)的研究方向。從理論和技術(shù)上講，自動(dòng) 清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 具有較強(qiáng)的代表性，從市場(chǎng)前景 角度講，自動(dòng)清掃機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于賓館、酒店、圖書(shū)館、 辦公場(chǎng)所和大眾家庭。因此開(kāi)發(fā)自動(dòng)清掃機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場(chǎng)前 景。 家用智能清掃機(jī)，包括計(jì)算機(jī)、傳感器、電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開(kāi) 關(guān)、操作電位計(jì)等，在清掃機(jī)的頂部共設(shè)有三個(gè)超聲波距離傳感器；清掃機(jī)底部前方邊沿安 裝有5個(gè)接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)與超聲波距離傳感器一起，構(gòu)成清掃機(jī)

2、測(cè)距系統(tǒng)；清掃機(jī)裝有 兩臺(tái)直流電機(jī)；在清掃機(jī)的底部安裝有吸塵器機(jī)構(gòu)。自動(dòng)清掃機(jī)器人的功能是自動(dòng)完成房間 空曠地面尤其是家居空曠地面的清掃除塵任務(wù)，打掃前，要把房間里的物體緊靠四周墻壁， 騰出空曠地面。清掃機(jī)完成的主要功能：能自動(dòng)走遍所以可進(jìn)入的房間，可以自動(dòng)清掃吸塵， 可在遙控和手控狀態(tài)下清掃吸塵。 本文所介紹的自動(dòng)清掃機(jī)器人的總體布局方案如圖 1所示，前后兩輪為萬(wàn)向輪，左右兩 輪為驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)米用兩輪獨(dú)立且各由兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向方式， 通過(guò)控制左 右兩輪的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向?？紤]到機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立 的可方便替換的模塊，當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，

3、只需簡(jiǎn)單步驟就可以對(duì)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行 替換。同時(shí)為了機(jī)器人能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪選用萬(wàn)向輪。 下圖為自動(dòng)清掃機(jī)的三維立體圖： 力向輪 傳感器 起塵刷 驅(qū)動(dòng)輪 騾動(dòng)電機(jī) 擋塵蓋 清掃電機(jī) 清打刷 電源 系統(tǒng)電路 自動(dòng)清掃機(jī)器人車(chē)箱體采用框架式結(jié)構(gòu)。從下至上分隔成三個(gè)空間：第一層裝配各運(yùn)動(dòng) 部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；第二層為垃圾存儲(chǔ)空間；第三層裝配機(jī)器人控制系統(tǒng)、接線(xiàn)板、 電源電池、開(kāi)關(guān)等。 自動(dòng)清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件 以單片機(jī)AT89C51 乍為核心，輔助其 路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器檢測(cè)電路 外遙控電路等，各模塊在單片機(jī)的控 互協(xié)調(diào)工作，保證自動(dòng)清掃機(jī)器人各 的實(shí)現(xiàn)

4、。該控制系統(tǒng)框圖如圖2所示 在清掃機(jī)器人上的布置如圖下所示， 色的圓點(diǎn)代表六個(gè)紅外傳感器的位 下圖為清掃機(jī)的硬件系統(tǒng)： 步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，廣泛應(yīng) II 主要疋 外圍電 以及紅 制下，相 種功能 圖中紅 置。 傳感器 用于各 種自動(dòng)化設(shè)備中。步進(jìn)電機(jī)和普通電 動(dòng)機(jī)不 同之處在于它是一種可以將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 工作中傳遞轉(zhuǎn)矩的同時(shí)還 可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪， 通過(guò)通電方式的 不同使自動(dòng)清掃機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)達(dá)到前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。自動(dòng)清掃機(jī)器 人的吸塵器則采用直流電機(jī)（H橋式電路）驅(qū)動(dòng)。 下

5、圖為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路： 采用以AT89C5仲片機(jī)為核心的紅外接收電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。紅外遙控器發(fā)射不 同的碼值來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動(dòng)停止。單片機(jī)通過(guò)對(duì)紅外信號(hào)的解 碼來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的變速。紅外 發(fā)射器原理圖如下所示： 設(shè)計(jì)行走功能模塊程 序設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用了圖3所示 的行走方案。程序設(shè)計(jì)時(shí)要考 慮：吸塵器在外圈行走時(shí)，為 了避免接近開(kāi)關(guān)中斷對(duì)程序運(yùn) 行的干擾，應(yīng)對(duì)接近開(kāi)關(guān)的中 斷處理程序做相應(yīng)處理。由 于吸塵器兩動(dòng)力輪的中心與車(chē) 體中心不重合，故采用以一輪 為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位 （1或0）來(lái)判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時(shí)處，根據(jù)吸 塵器外形的幾何尺寸計(jì)算

6、吸塵器遇墻停止后，后退再轉(zhuǎn)彎的時(shí)間。吸塵器內(nèi)圈行走時(shí)的轉(zhuǎn)彎 依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實(shí)現(xiàn)。當(dāng)超聲波傳感器 1的值小于等于設(shè)定值時(shí)，吸塵器轉(zhuǎn)彎?？紤]到超 聲波傳感器的最小量程為0. 5 m, 第一圈內(nèi)圈行走的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值設(shè)定為 50 cm,以后每圈 的轉(zhuǎn)彎設(shè)定值遞增30 cm吸塵器單向行駛至轉(zhuǎn)彎結(jié)束的過(guò)程稱(chēng)為一次單向清掃過(guò)程。若某 次單向行駛結(jié)束后檢測(cè)到超聲波傳感器 1的值 設(shè)定值，則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎，然后前進(jìn)至 整個(gè)房間清掃完畢。 小于轉(zhuǎn)彎 墻停止， 則：利用 較，判斷 行走時(shí)若 為左轉(zhuǎn)，采用左避讓規(guī)則；行走時(shí)若為右轉(zhuǎn) 采用右避讓規(guī)則。障礙物避開(kāi)后按行走規(guī)則繼 續(xù)行進(jìn)；若無(wú)障礙

7、物：按行走規(guī)則繼續(xù)行進(jìn) 在轉(zhuǎn)彎前應(yīng)判斷是否有足夠的空間供機(jī)器人 吸塵器轉(zhuǎn)彎。若吸塵器可以轉(zhuǎn)彎 則轉(zhuǎn)彎，本次單向清掃完畢；若吸塵器不能轉(zhuǎn)彎，說(shuō)明下 次單向清掃起始點(diǎn)處有障礙物，后退,避 障礙物后再轉(zhuǎn)彎，前進(jìn)至通過(guò)障礙物邊線(xiàn) 本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，分為內(nèi)圈避障程序設(shè)計(jì)和 圈程序設(shè)計(jì)。清掃完畢的判斷方案：用外 行走結(jié)束后清掃區(qū)域的精確長(zhǎng)、寬值與內(nèi) 行走軌跡寬度30 cm相除，商即為長(zhǎng)、寬 向上各自所需的單向清掃次數(shù)，有余數(shù)則 明還有一塊寬度小于30 cm的矩形區(qū)域需要清掃。在執(zhí)行內(nèi)圈避障 后, 能 外 圈 圈 方 說(shuō) 只要長(zhǎng)或?qū)捜我夥较蛏系膯蜗蚯鍜叽螖?shù)達(dá)

8、到所需的次數(shù) ，即認(rèn)為清掃完畢，剩余矩形區(qū)域 的清掃在終止模塊中完成 車(chē)體姿態(tài)調(diào)整功能模塊程序設(shè)計(jì)，為保證車(chē) 不偏離軌道，采用陀螺儀傳感器監(jiān)視車(chē)體運(yùn)動(dòng) 車(chē)體偏移量達(dá)到一定值時(shí)，通過(guò)控制行進(jìn)方式 姿態(tài)。當(dāng)車(chē)體偏轉(zhuǎn)角度大于10%寸,開(kāi)始調(diào)整車(chē) 首先判斷車(chē)體偏轉(zhuǎn)的方向并記錄車(chē)體偏轉(zhuǎn)角度。 能最大限度地回到原位置，采用一個(gè)動(dòng)力輪不 體運(yùn)行時(shí) 狀況。當(dāng) 調(diào)整車(chē)體 體姿態(tài)。 為使車(chē)體 動(dòng)，另一 設(shè)計(jì)躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計(jì)避障總規(guī) 超聲波實(shí)測(cè)值與已測(cè)得的房間長(zhǎng)（寬）值的比 某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物： 動(dòng)力輪倒轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)車(chē)體姿態(tài)調(diào)整。 使用該方案調(diào)整車(chē)體位置后 , 車(chē)體并不一定

9、能恰好回 到原位置 , 但誤差已經(jīng)很小 , 可以滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。車(chē)體姿態(tài)調(diào)整程序流程如圖所示。 主控程序是吸塵器工作的主體邏輯。在主控程序中需要完成 DSP勺初始化設(shè)置，考慮各 功能模塊間的邏輯關(guān)系 , 實(shí)現(xiàn)對(duì)各子程序的調(diào)用 , 并要充分考慮到各級(jí)中斷信號(hào)對(duì)程序運(yùn) 行的影響 , 做出正確的處理、協(xié)調(diào)。 主控程序流程如圖所示。用戶(hù)操作鍵盤(pán)時(shí)接近開(kāi)關(guān)可能會(huì)工作 , 這有可能導(dǎo)致程序運(yùn)行 出錯(cuò)，故DS需在程序最開(kāi)始首先屏蔽所有中斷。鍵盤(pán)的檢測(cè)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn) ，用戶(hù)若想通過(guò) 鍵盤(pán)設(shè)定吸塵器工作方式,則必須在開(kāi)機(jī)后20 s內(nèi)開(kāi)始操作，該20 s的延時(shí)由DS提供，20 s 后若無(wú)鍵按下，則認(rèn)為用戶(hù)

10、未設(shè)定吸塵器工作狀態(tài)，系統(tǒng)按自動(dòng)方式開(kāi)始工作；20 s后若有 鍵按下 , 則將等待用戶(hù)輸入完畢后 , 按照用戶(hù)設(shè)定要求工作。 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)的初始化程序是系統(tǒng)各功能實(shí)現(xiàn)的前提。 給狀態(tài)寄存器賦值 , 保證子程序調(diào)用或進(jìn)入中斷時(shí)實(shí)現(xiàn) CPU各種狀態(tài)的保存；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)配置；輸出口的選擇 及功能設(shè)定 ； 中斷的相關(guān)寄存器處理 ； 累加器的溢出方式選擇及系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的選定等 功能都在初始化程序中實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)中斷處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共有 4路中斷信號(hào)需要處理 , 其中8路接近開(kāi)關(guān)和 4路超聲波 傳感器共用優(yōu)先級(jí)為1級(jí)的外部中斷X INT1;兩個(gè)事件管理模塊EVA和EVB在產(chǎn)生PWM波形時(shí)

11、用到了優(yōu)先級(jí)為2級(jí)的定時(shí)器1和定時(shí)器3的周期中斷；此外,陀螺儀的測(cè)量值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換時(shí) 用到了中斷優(yōu)先級(jí)為6級(jí)的ADC中斷。 外部中斷X INT1的處理，由于8路接近開(kāi)關(guān)和超聲波傳感器共用XINT1中斷,故在響應(yīng)該 中斷時(shí)應(yīng)首先判斷是哪個(gè)外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求 , 然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。 若為接近開(kāi)關(guān)中 斷,單片機(jī)向雙口 RAM8040單元寫(xiě)0,若為超聲波中斷則寫(xiě)1, DSP通過(guò)讀8040h單元內(nèi)容來(lái) 判斷是哪個(gè)外設(shè)產(chǎn)生的中斷 : ①若為超聲波傳感器發(fā)出的中斷 , 在其中斷服務(wù)程序中只需重 新開(kāi)中斷即可（這是因?yàn)檫M(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉中斷）；②若為接近開(kāi)關(guān)中斷， 需判斷該接近開(kāi)關(guān)是否工

12、作。 工作時(shí) , 則在中斷服務(wù)程序中還要執(zhí)行停止程序 , 否則只需開(kāi) 中斷即可。是第幾個(gè)接近開(kāi)關(guān)工作,單片機(jī)就在雙口 RAM 8033單元中寫(xiě)幾，若同時(shí)有多個(gè) 接近開(kāi)關(guān)工作，則單片機(jī)從8033單元的最低位起將其序號(hào)依次寫(xiě)入。DSP只需依照此規(guī)則 便可根據(jù)8033h單元內(nèi)容判斷是哪個(gè)接近開(kāi)關(guān)工作。 AD（中斷處理，吸塵器在測(cè)距模塊中車(chē)體旋轉(zhuǎn)180。,左、右轉(zhuǎn)及姿態(tài)調(diào)整的過(guò)程中都會(huì) 響應(yīng)ADC中斷,故在執(zhí)行上述功能的程序時(shí)分別向012Eh單元寫(xiě)0、1、2、3,功能實(shí)現(xiàn)后再 向012Eh單元寫(xiě)4,這樣,響應(yīng)中斷時(shí)便可在中斷服務(wù)程序中通過(guò)查詢(xún) 012Eh單元的內(nèi)容來(lái)判 斷車(chē)體的運(yùn)動(dòng)情況 , 從而執(zhí)行不同的服務(wù)程序。 定時(shí)器周期中斷處理，定時(shí)器周期中斷的處理相對(duì)簡(jiǎn)單 , 只需在中斷服務(wù)程序中將計(jì)數(shù) 器1和計(jì)數(shù)器 3重新設(shè)置計(jì)數(shù)初值并開(kāi)中斷即可。 結(jié)束語(yǔ)：掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)主控及主要功能模塊程序的調(diào)試和仿真表明 , 主控模塊通 過(guò)對(duì)各子程序的調(diào)用 , 按一定時(shí)序完成了對(duì)吸塵器的控制 , 各主要功能模塊滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 如避障模塊通過(guò)對(duì)采集到的超聲波信號(hào)和接近開(kāi)關(guān)信號(hào)的判斷和處理 , 很好地完成了對(duì)障 礙物的自動(dòng)感知和自主躲避 ; 步進(jìn)電機(jī)及吸塵電機(jī)控制精度較高等。