智能吸塵機(jī)器人及設(shè)計(jì)分析

王超

摘 要：隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能吸塵機(jī)器人成為智能化家居用品的主要類型之一。從科學(xué)技術(shù)發(fā)展角度來看，智能吸塵機(jī)器人在設(shè)計(jì)過程中融入了多種技術(shù)，是智能家居技術(shù)發(fā)展的代表物品;從未來市場(chǎng)占有率看，智能吸塵機(jī)器人的功能將會(huì)不斷增加，應(yīng)用范圍也會(huì)隨之?dāng)U大，可以用于各種家居環(huán)境和公共場(chǎng)所。本文闡述了智能吸塵機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理，并探討了智能吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，力求可以提高設(shè)計(jì)方案的合理性。

關(guān)鍵詞：智能吸塵機(jī)器人;設(shè)計(jì)原理;硬件設(shè)計(jì);軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0034-03

Intelligent Cleaning Robot and Its Design Analysis

WANG Chao

（Suzhou Vocational and Technical College of Economics and Trade，Suzhou Jiangsu 215000）

Abstract： With the continuous development of intelligent technology， intelligent cleaning robot has become one of the main types of intelligent household products. From the perspective of science and technology development， the intelligent dust cleaning robot integrates a variety of technologies in the design process， which is the representative of the development of smart home technology; from the perspective of future market share， the functions of intelligent dust cleaning robot will continue to increase， and its application scope will also be expanded， which can be used in various home environment and public places. This paper described the design principle of the intelligent dust cleaning robot， and discussed the design scheme of the intelligent dust cleaning robot control system， so as to improve the rationality of the design scheme.

Keywords： intelligent vacuuming robot;design principle;hardware design;software design

機(jī)器人技術(shù)是21世紀(jì)的新型科學(xué)技術(shù)類型之一。為了滿足人們的生活需求，服務(wù)型機(jī)器人開始成為機(jī)器人領(lǐng)域的新型研究方向。當(dāng)前生活中所應(yīng)用的智能家居類型和功能逐漸增多，吸塵機(jī)器人作為重要代表，給現(xiàn)代人們的生活提供了極大的便利。在設(shè)計(jì)智能吸塵機(jī)器人時(shí)，應(yīng)用了機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感技術(shù)等，為之后服務(wù)型機(jī)器人的發(fā)展打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，并帶動(dòng)其他新型技術(shù)的發(fā)展。此次選擇HSR2000型號(hào)的智能吸塵機(jī)器人作為研究對(duì)象，對(duì)其設(shè)計(jì)原理和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。

1 智能吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)原理

在最初的智能吸塵機(jī)器人市場(chǎng)中，將電子元件作為機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)元件，將小型的機(jī)器人作為依托，同時(shí)在其中加入自動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)電一體化系統(tǒng)，最終形成智能吸塵器。傳統(tǒng)的吸塵器設(shè)計(jì)原理較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過程中需要添加多個(gè)繁雜的結(jié)構(gòu)，對(duì)于普通的市場(chǎng)用戶而言使用起來較為麻煩，且售賣價(jià)格高，應(yīng)用范圍有限，這給智能吸塵機(jī)器人的發(fā)展造成了制約。HSR2000智能吸塵機(jī)器人利用兩輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用萬向輪支撐機(jī)器人，可以讓機(jī)器人在工作過程中靈活轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。智能吸塵機(jī)器人前端為傳感器，傳感器為整體式接觸類型，可以提供3個(gè)方位所傳來的碰撞信號(hào)。在機(jī)器人的四周放置了14個(gè)帶有超聲波技術(shù)的傳感器，可以對(duì)前方、后方、左方、右方進(jìn)行全方位感知，并且能夠檢測(cè)到障礙物。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中放置了2個(gè)增量式編碼器，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定位。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，設(shè)計(jì)了2個(gè)CPU，分為主CPU和從CPU，2個(gè)CPU分別進(jìn)行分布計(jì)算，可以提高智能吸塵機(jī)器人的實(shí)時(shí)性。

該智能吸塵機(jī)器人主要有以下5項(xiàng)功能。第一，可以在智能吸塵機(jī)器人的人機(jī)界面自主設(shè)定用戶的使用參數(shù)，包括機(jī)器人的清掃方式及時(shí)間。第二，以智能吸塵機(jī)器人的充電座為起點(diǎn)，按照墻壁的邊界進(jìn)行清掃和行走，記錄智能吸塵機(jī)器人的行走軌跡，自動(dòng)形成電子化地圖。第三，智能機(jī)器人能根據(jù)最初設(shè)定的程序選擇清掃方式，執(zhí)行所設(shè)定的任務(wù)，在清掃過程中還能主動(dòng)避開所遇到的障礙，并對(duì)自身的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。第四，智能吸塵機(jī)器人完成清掃任務(wù)后或者在執(zhí)行任務(wù)時(shí)電量不充足，能夠自行回到原有的位置進(jìn)行充電。第五，智能吸塵機(jī)器人中設(shè)計(jì)有時(shí)鐘功能，使其可以按照所設(shè)定的時(shí)間按時(shí)完成任務(wù)。

智能吸塵機(jī)器人工作流程如圖1所示。

2 智能吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 CPU控制模塊體系。主CPU和從CPU使用的單片機(jī)分別為80C196KC及AT89C52。其中，前者負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池使用情況，并與從CPU進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化;后者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)定位功能，并將智能吸塵機(jī)器人的位置、姿態(tài)信息傳遞給上位機(jī)。主CPU的外圍接口選擇PLD器件，具體型號(hào)為GAL6V8B，能處理其中各個(gè)模塊的位置信息。主CPU還包括具有高速傳輸功能的輸入口及輸出口，可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)智能機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，使用直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，同時(shí)選擇HSO口對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。結(jié)合直流電機(jī)在進(jìn)行地面清掃時(shí)的運(yùn)行速度及給定占空比之間的關(guān)系來進(jìn)行智能化的速度調(diào)整。

2.1.3 電源模塊設(shè)計(jì)。對(duì)電源模塊進(jìn)行合理和科學(xué)設(shè)計(jì)能為智能吸塵機(jī)器人提供多級(jí)電壓。智能吸塵機(jī)器人原本所帶有的充電電池輸出24 V電源，該電源可以直接對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行供電，能夠被當(dāng)作驅(qū)動(dòng)電壓。通過兩級(jí)電壓變化之后，8 V電壓能對(duì)超聲波電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，5 V電壓可以對(duì)主板進(jìn)行供電。

2.1.4 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘模塊的過程中，應(yīng)當(dāng)選擇DALLAS公司型號(hào)為12887的芯片，該芯片的內(nèi)部自帶電池，經(jīng)過初始化之后能進(jìn)行持續(xù)的工作。當(dāng)電路通電時(shí)，充電電路可以自主充電，同時(shí)還能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行定時(shí)中斷，滿足了智能吸塵機(jī)器人對(duì)時(shí)鐘功能控制需求[2]。

2.1.5 超聲波信號(hào)發(fā)射、接收模塊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)超聲波信號(hào)的數(shù)據(jù)處理模塊時(shí)，電路為單獨(dú)狀態(tài)下的振蕩電路，該電路所產(chǎn)生的信號(hào)頻率和幅值均為固定值，分別為40 kHz、5 V。在設(shè)計(jì)智能吸塵機(jī)器人的探頭時(shí)，會(huì)將其進(jìn)行緊密布置，因此在工作過程中探頭之間會(huì)出現(xiàn)互相干擾的情況。為了避免探頭干擾影響智能機(jī)器人的運(yùn)行，需要在其中加入路選電路。通過這一電路的增加，能夠要求各路超聲探頭根據(jù)最初系統(tǒng)設(shè)計(jì)的順序開展循環(huán)清掃。在振蕩信號(hào)的影響下，發(fā)射探頭也會(huì)在遇到障礙時(shí)發(fā)出信號(hào)，接收探頭在接收信號(hào)之后會(huì)按照幅值大小以及測(cè)距原理評(píng)估出和障礙物之間的距離。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 核心控制層設(shè)計(jì)。這一層的任務(wù)包括對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行選擇，根據(jù)定位信息和視覺信息設(shè)計(jì)控制策略，針對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)中斷等，大體上可以被分為3個(gè)模塊，即任務(wù)管理模塊、智能決策管理模塊、智能中斷管理模塊，不同模塊對(duì)應(yīng)不同的功能函數(shù)。

2.2.1.1 任務(wù)管理模塊。此處的任務(wù)并不單單是指清掃的任務(wù)，同時(shí)還包括系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的各種功能[3]。首先需要進(jìn)行任務(wù)劃分，智能吸塵機(jī)器人需要完成的任務(wù)可分為沿邊運(yùn)行行為學(xué)習(xí)、構(gòu)建電子化地圖、自動(dòng)充電、對(duì)接充電及對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行清掃。其次是任務(wù)調(diào)度，任務(wù)調(diào)度是將所構(gòu)建的任務(wù)代碼按照原有的執(zhí)行順序放置在任務(wù)列表中，當(dāng)完成其中一個(gè)任務(wù)之后就執(zhí)行另一個(gè)任務(wù)代碼。

2.2.1.2 智能決策管理模塊。智能決策是智能吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注的最為主要和核心的部分，需要機(jī)器人結(jié)合定位視覺信息對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行布局分析，自動(dòng)選擇應(yīng)對(duì)策略，從而完成自動(dòng)前進(jìn)、自動(dòng)后退及自動(dòng)旋轉(zhuǎn)等各種動(dòng)作。

2.2.1.3 智能中斷管理模塊。該模塊主要包括AD中斷、定時(shí)中斷以及串口中斷等中斷任務(wù)，可以利用中斷任務(wù)對(duì)視覺信息和定位信息進(jìn)行分析。為了保證智能吸塵機(jī)器人信息處理的實(shí)時(shí)性，中斷管理程序需要和信息處理程序通過信號(hào)量進(jìn)行持續(xù)通信，保持兩者處于同步狀態(tài)[4]。

2.2.2 姿態(tài)控制層設(shè)計(jì)。姿態(tài)控制層是指對(duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)行控制，智能吸塵機(jī)器人按照決策層所發(fā)送的指令自動(dòng)完成前進(jìn)或者后退等工作，完成姿態(tài)轉(zhuǎn)換。除此之外，還需要接收傳感器所傳遞的數(shù)據(jù)和信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，達(dá)到數(shù)據(jù)融合的效果。在多個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合之前，需要先對(duì)超聲信號(hào)賦予權(quán)值，利用所對(duì)應(yīng)的算法來達(dá)到數(shù)據(jù)融合。數(shù)據(jù)融合后所得出的結(jié)果會(huì)再次發(fā)送給核心控制模塊，最終完成決策判斷。在這一層中需要使用2個(gè)變量對(duì)智能吸塵機(jī)器人內(nèi)部不同直流電機(jī)進(jìn)行姿態(tài)控制，2個(gè)變量分別控制運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行速度。

2.2.3 定位層設(shè)計(jì)、視覺信息處理設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)。定位層、視覺層、驅(qū)動(dòng)層指的是利用智能吸塵機(jī)器人中主CPU里各個(gè)中斷模塊來完成對(duì)直流電機(jī)的速度、超聲波信號(hào)發(fā)射、信號(hào)接收以及主CPU、從CPU通信進(jìn)行管理。同時(shí)，也需要對(duì)接觸信息及紅外傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和檢測(cè)，為數(shù)據(jù)融合任務(wù)的進(jìn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這一層分為定位模塊設(shè)計(jì)，利用串口通信中斷完成定位數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳遞;視覺信息收集設(shè)計(jì)，利用多個(gè)傳感器來對(duì)多個(gè)方位的情況進(jìn)行處理;驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)整，保證智能吸塵機(jī)器人的有序運(yùn)行[5]。

3 結(jié)語

智能吸塵機(jī)器人的市場(chǎng)發(fā)展前景極其廣闊，符合現(xiàn)代人的生活理念。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案也需要與時(shí)俱進(jìn)，這樣才能為向人們提供更多的智能化服務(wù)。HSR2000智能吸塵機(jī)器人具備智能化的清掃功能，并且運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案具有可靠性，控制策略較為完善，能適應(yīng)各種環(huán)境，避開所遇到的障礙，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔令棚.基于STC89C52的拖掃一體機(jī)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019（15）：90-94.

[2]李靜，邱昌勝.淺談涂裝自動(dòng)擦凈機(jī)器人系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2018（4）：45-47.

[3]常成惠.智能掃地機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)[J].大眾用電，2019（1）：49.

[4]肖獻(xiàn)法.針對(duì)“背街小巷”，北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)推出一系列新款小型化、智能化清潔設(shè)備[J].商用汽車，2017（12）：86-90.

[5]袁力蓉，譚文君，朱皓陽，等.智能吸痰機(jī)器人安全性和有效性的實(shí)驗(yàn)研究[J].臨床醫(yī)學(xué)研究與實(shí)踐，2020（17）：5-8.