掃地機器人結(jié)構(gòu)詳細(xì)

上傳人:沈*** 文檔編號:62529848 上傳時間:2022-03-15 格式:DOC 頁數(shù):6 大?。?64.50KB
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1、掃 地 機 器 人 結(jié) 構(gòu) 詳 細(xì) 自動清掃機器人是當(dāng)今服務(wù)機器人領(lǐng)域一個熱門的研究方向。從理論和技術(shù)上講,自動 清掃機器人比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù), 具有較強的代表性,從市場前景 角度講,自動清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率,適用于賓館、酒店、圖書館、 辦公場所和大眾家庭。因此開發(fā)自動清掃機器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場前 景。 家用智能清掃機,包括計算機、傳感器、電機與動力傳動機構(gòu)、電源、吸塵器、電源開 關(guān)、操作電位計等,在清掃機的頂部共設(shè)有三個超聲波距離傳感器;清掃機底部前方邊沿安 裝有5個接近開關(guān),接近開關(guān)與超聲波距離傳感器一起,構(gòu)成清掃機

2、測距系統(tǒng);清掃機裝有 兩臺直流電機;在清掃機的底部安裝有吸塵器機構(gòu)。自動清掃機器人的功能是自動完成房間 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。清掃機完成的主要功能:能自動走遍所以可進(jìn)入的房間,可以自動清掃吸塵, 可在遙控和手控狀態(tài)下清掃吸塵。 本文所介紹的自動清掃機器人的總體布局方案如圖 1所示,前后兩輪為萬向輪,左右兩 輪為驅(qū)動輪。驅(qū)動輪設(shè)計米用兩輪獨立且各由兩臺步進(jìn)電動機驅(qū)動的轉(zhuǎn)向方式, 通過控制左 右兩輪的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向??紤]到機器人實際應(yīng)用的實用性,本驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計成一個獨立 的可方便替換的模塊,當(dāng)機器人驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時,

3、只需簡單步驟就可以對驅(qū)動部分進(jìn)行 替換。同時為了機器人能夠靈活的運動,從動輪選用萬向輪。 下圖為自動清掃機的三維立體圖: 力向輪 傳感器 起塵刷 驅(qū)動輪 騾動電機 擋塵蓋 清掃電機 清打刷 電源 系統(tǒng)電路 自動清掃機器人車箱體采用框架式結(jié)構(gòu)。從下至上分隔成三個空間:第一層裝配各運動 部件的驅(qū)動電機、傳動機構(gòu);第二層為垃圾存儲空間;第三層裝配機器人控制系統(tǒng)、接線板、 電源電池、開關(guān)等。 自動清掃機器人控制系統(tǒng)硬件 以單片機AT89C51 乍為核心,輔助其 路、電機驅(qū)動電路、傳感器檢測電路 外遙控電路等,各模塊在單片機的控 互協(xié)調(diào)工作,保證自動清掃機器人各 的實現(xiàn)

4、。該控制系統(tǒng)框圖如圖2所示 在清掃機器人上的布置如圖下所示, 色的圓點代表六個紅外傳感器的位 下圖為清掃機的硬件系統(tǒng): 步進(jìn)電機作為執(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 種自動化設(shè)備中。步進(jìn)電機和普通電 動機不 同之處在于它是一種可以將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu), 工作中傳遞轉(zhuǎn)矩的同時還 可以控制角位移或速度。本研究中采用兩臺步進(jìn)電機分別驅(qū)動兩個驅(qū)動輪, 通過通電方式的 不同使自動清掃機器人的行走機構(gòu)達(dá)到前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的運動姿態(tài)。自動清掃機器 人的吸塵器則采用直流電機(H橋式電路)驅(qū)動。 下

5、圖為步進(jìn)電機驅(qū)動電路: 采用以AT89C5仲片機為核心的紅外接收電路和步進(jìn)電機驅(qū)動電路。紅外遙控器發(fā)射不 同的碼值來控制步進(jìn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動停止。單片機通過對紅外信號的解 碼來實現(xiàn)步進(jìn)電機的變速。紅外 發(fā)射器原理圖如下所示: 設(shè)計行走功能模塊程 序設(shè)計系統(tǒng)選用了圖3所示 的行走方案。程序設(shè)計時要考 慮:吸塵器在外圈行走時,為 了避免接近開關(guān)中斷對程序運 行的干擾,應(yīng)對接近開關(guān)的中 斷處理程序做相應(yīng)處理。由 于吸塵器兩動力輪的中心與車 體中心不重合,故采用以一輪 為中心的旋轉(zhuǎn)方式并通過檢測轉(zhuǎn)彎標(biāo)志位 (1或0)來判斷轉(zhuǎn)向。在墻角轉(zhuǎn)彎時處,根據(jù)吸 塵器外形的幾何尺寸計算

6、吸塵器遇墻停止后,后退再轉(zhuǎn)彎的時間。吸塵器內(nèi)圈行走時的轉(zhuǎn)彎 依靠轉(zhuǎn)彎設(shè)定值實現(xiàn)。當(dāng)超聲波傳感器 1的值小于等于設(shè)定值時,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)束的過程稱為一次單向清掃過程。若某 次單向行駛結(jié)束后檢測到超聲波傳感器 1的值 設(shè)定值,則吸塵器原地再次轉(zhuǎn)彎,然后前進(jìn)至 整個房間清掃完畢。 小于轉(zhuǎn)彎 墻停止, 則:利用 較,判斷 行走時若 為左轉(zhuǎn),采用左避讓規(guī)則;行走時若為右轉(zhuǎn) 采用右避讓規(guī)則。障礙物避開后按行走規(guī)則繼 續(xù)行進(jìn);若無障礙

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,說明下 次單向清掃起始點處有障礙物,后退,避 障礙物后再轉(zhuǎn)彎,前進(jìn)至通過障礙物邊線 本次單向清掃完畢。避障功能是在行走功 基礎(chǔ)上實現(xiàn)的,分為內(nèi)圈避障程序設(shè)計和 圈程序設(shè)計。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、寬值與內(nèi) 行走軌跡寬度30 cm相除,商即為長、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 只要長或?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 車體姿態(tài)調(diào)整功能模塊程序設(shè)計,為保證車 不偏離軌道,采用陀螺儀傳感器監(jiān)視車體運動 車體偏移量達(dá)到一定值時,通過控制行進(jìn)方式 姿態(tài)。當(dāng)車體偏轉(zhuǎn)角度大于10%寸,開始調(diào)整車 首先判斷車體偏轉(zhuǎn)的方向并記錄車體偏轉(zhuǎn)角度。 能最大限度地回到原位置,采用一個動力輪不 體運行時 狀況。當(dāng) 調(diào)整車體 體姿態(tài)。 為使車體 動,另一 設(shè)計躲避障礙物功能模塊程序設(shè)計避障總規(guī) 超聲波實測值與已測得的房間長(寬)值的比 某次單向清掃途中是否有障礙物。若有障礙物: 動力輪倒轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)車體姿態(tài)調(diào)整。 使用該方案調(diào)整車體位置后 , 車體并不一定

9、能恰好回 到原位置 , 但誤差已經(jīng)很小 , 可以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。車體姿態(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 , 實現(xiàn)對各子程序的調(diào)用 , 并要充分考慮到各級中斷信號對程序運 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。用戶操作鍵盤時接近開關(guān)可能會工作 , 這有可能導(dǎo)致程序運行 出錯,故DS需在程序最開始首先屏蔽所有中斷。鍵盤的檢測由單片機實現(xiàn) ,用戶若想通過 鍵盤設(shè)定吸塵器工作方式,則必須在開機后20 s內(nèi)開始操作,該20 s的延時由DS提供,20 s 后若無鍵按下,則認(rèn)為用戶

10、未設(shè)定吸塵器工作狀態(tài),系統(tǒng)按自動方式開始工作;20 s后若有 鍵按下 , 則將等待用戶輸入完畢后 , 按照用戶設(shè)定要求工作。 系統(tǒng)初始化程序設(shè)計, 系統(tǒng)的初始化程序是系統(tǒng)各功能實現(xiàn)的前提。 給狀態(tài)寄存器賦值 , 保證子程序調(diào)用或進(jìn)入中斷時實現(xiàn) CPU各種狀態(tài)的保存;數(shù)據(jù)存儲區(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)的時鐘頻率的選定等 功能都在初始化程序中實現(xiàn)。 系統(tǒng)中斷處理,系統(tǒng)設(shè)計中共有 4路中斷信號需要處理 , 其中8路接近開關(guān)和 4路超聲波 傳感器共用優(yōu)先級為1級的外部中斷X INT1;兩個事件管理模塊EVA和EVB在產(chǎn)生PWM波形時

11、用到了優(yōu)先級為2級的定時器1和定時器3的周期中斷;此外,陀螺儀的測量值經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換時 用到了中斷優(yōu)先級為6級的ADC中斷。 外部中斷X INT1的處理,由于8路接近開關(guān)和超聲波傳感器共用XINT1中斷,故在響應(yīng)該 中斷時應(yīng)首先判斷是哪個外部設(shè)備產(chǎn)生的中斷請求 , 然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。 若為接近開關(guān)中 斷,單片機向雙口 RAM8040單元寫0,若為超聲波中斷則寫1, DSP通過讀8040h單元內(nèi)容來 判斷是哪個外設(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 新開中斷即可(這是因為進(jìn)入中斷服務(wù)程序時,系統(tǒng)自動關(guān)閉中斷);②若為接近開關(guān)中斷, 需判斷該接近開關(guān)是否工

12、作。 工作時 , 則在中斷服務(wù)程序中還要執(zhí)行停止程序 , 否則只需開 中斷即可。是第幾個接近開關(guān)工作,單片機就在雙口 RAM 8033單元中寫幾,若同時有多個 接近開關(guān)工作,則單片機從8033單元的最低位起將其序號依次寫入。DSP只需依照此規(guī)則 便可根據(jù)8033h單元內(nèi)容判斷是哪個接近開關(guān)工作。 AD(中斷處理,吸塵器在測距模塊中車體旋轉(zhuǎn)180。,左、右轉(zhuǎn)及姿態(tài)調(diào)整的過程中都會 響應(yīng)ADC中斷,故在執(zhí)行上述功能的程序時分別向012Eh單元寫0、1、2、3,功能實現(xiàn)后再 向012Eh單元寫4,這樣,響應(yīng)中斷時便可在中斷服務(wù)程序中通過查詢 012Eh單元的內(nèi)容來判 斷車體的運動情況 , 從而執(zhí)行不同的服務(wù)程序。 定時器周期中斷處理,定時器周期中斷的處理相對簡單 , 只需在中斷服務(wù)程序中將計數(shù) 器1和計數(shù)器 3重新設(shè)置計數(shù)初值并開中斷即可。 結(jié)束語:掃地機器人控制系統(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 過對各子程序的調(diào)用 , 按一定時序完成了對吸塵器的控制 , 各主要功能模塊滿足設(shè)計要求。 如避障模塊通過對采集到的超聲波信號和接近開關(guān)信號的判斷和處理 , 很好地完成了對障 礙物的自動感知和自主躲避 ; 步進(jìn)電機及吸塵電機控制精度較高等。

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