一種新型智能清潔機器人測控系統的設計與實現

　　0 引 言

　　移動機構是清潔機器人的主體，決定了清潔機器人的運動空間，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。隨著近年來控制技術、傳感技術以及移動機器人技術等技術的迅速發展，智能清潔機器人控制系統的研究和開發已具備了堅實的基礎和良好的發展前景。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現，最終目標是通過軟硬件的合理設計，使智能清潔機器人能夠自動避開障礙物，實現一般家居環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、傳感器系統和驅動系統等。其原理如圖1所示。基于清潔機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、行走驅動及相關電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開來。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，并控制語音系統發出相應的報警信號；在相應的控制策略下，通過專用驅動器驅動直流電機，帶動驅動輪，兩輪獨立驅動，實現避障功能；同時，控制器控制小型雙風機真空吸塵系統對經過的地面進行必要的清掃。

圖1 系統原理

　　該新型智能清潔機器人實驗平臺如圖2所示，該平臺為圓形結構，兩輪獨立驅動，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行實驗驗證。

圖2 智能清潔機器人實驗平臺

　　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16位定時計數器，4個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，可通過全雙工增強型串口實現人機通訊。

　　依據SST89E554RC單片機的引腳特性，在實際設計中，各電機驅動信號由單片機P1口輸出，左右驅動電機占用P1.1～P1.6共6個端口(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個端口；超聲波接收器信號經調理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個觸摸式選擇屏的觸摸信號經處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。

　　2.2 驅動模塊

　　直流電機所需的驅動電壓、驅動電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅動芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是推挽式功率放大專用集成電路器件，直流驅動電流總和可達4A，其內部具有2個完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調速功能。在控制電路中，考慮到單片機會受到驅動部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅動部分在電氣上隔離開來。采用8個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、制動及換向時產生的反電勢。系統工作時，單片機P1口輸出的控制信號經過驅動器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機驅動芯片L298N，控制電機動作。當需要調速時，只需改變PWM波(本設計中由單片機P1.3和P1.6端口產生)的占空比即可，理論上可以實現256級調速。