扫地机器人结构及控制系统设计

扫地机器人结构及控制系统设计

自动清扫机器人就是当今服务机器人领域一个热门得研究方向。从理论与技术上讲，自

动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人得多项关键技术,具有较强得代表性,从市场前

景角度讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于宾馆、泗店、图书馆、

办公场所与大众家庭。因此开发自动清扫机器人既具有科研上得挑战性又具有广阔得市场前

景。

。家用智能清扫机,包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、吸尘器、电源开关、

操作电位计等,在清扫机得顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5

个接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统;清扫机装有两台直

流电机；在清扫机得底部安装有吸尘器机构。自动清扫机器人得功能就是自动完成房间空旷

地面尤其就是家居空旷地面得清扫除尘任务,打扫前，要壬房间里得物体紧靠四周墙壁，腾出

空旷地面。清扫机完成得主要功能：能自动走遍所以可进入得房间，可以自动清扫吸尘，nJ

在遥控与手控状态下清扫吸尘。

本文所介绍得自动清扫机器人得总体布局方案如图1所示,前后两轮为万向轮,左右两

轮为驱动轮。驱动轮设计采用两轮独立且各由两台步进电动机驱动得转向方式,通过控制左

右两轮得速度差来实现转向。考虑到机器人实际应用得实用性，木驱动系统设计成一个独立

得可方便替换得模块,当机器人驱动系统发生故障时\只需简单步骤就可以对驱动部分进行

替换。同时为了机器人能够灵活得运动，从动轮选用万向轮。

下图为自动清扫机得三维立体图：

万向轮

传感器

起尘刷

挡尘盖

驱动轮

清扫电机

驱动电机

清扫刷

集尘室

传感器底盘

电源

驱动轮

系统电路

吸尘风机

自动清扫机器人车箱体采用框架式结构。从下至上分隔成三个空间：第一层装配各运动

部件得驱动电机、传动机构;第二层为垃圾存储空间;第三层装配机器人控制系统、接线板、

电源电池、开关等。

自动清扫机器人控制系统硬件主要

就是以单片机AT89c51作为核心，辅助

其外围电路、电机驱动电路、传感器检测

电路以及红外遥控电路等:各模块在单片

机得控制下，相互协调工作，保证自动清

扫机器人各种功能得实现，该控制系统框

图如图2所示。传感器在清扫机器人上得

布置如图下所示，图中红色得圆点代表六

个红外传感器得位置。

下图为清扫机得硬件系统：

步进电机作为执行元件，广泛应用于各种自动化设备中。步进电机与普通电动机不同之

处在于它就是一种可以将电脉冲信号转化为角位移得执行机构，工作中传递转矩得同时还可

以控制角位移或速度。本研究中采用两台步进电机分别驱动两个驱动轮,通过通电方式得不

同使自动清扫机器人得行走机构达到前进、后退、左转、右转得运动姿态。自动清扫机器人

得吸尘器则采用直流电机（H桥式电路）驱动。

下图为步进电机驱动电路:

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采用以AT89c51单片机为核心得红外接收电路与步进电机驱动电路。红外遥控器发射不

同得码值来控制步进电机得正转、反转、加速减速以及启动停止。单片机通过对红外信号得解

码来实现步进电机得变速。红外发射

器原理图如下所示：

设计行走功能模块程序

设计系统选用了图3所示得行

走方案。程序设计时要考虑:吸尘

器在外圈行走时，为了避免接近

开关中断对程序运行得干扰，应

对接近开关得中断处理程序做

相应处理。由于吸尘器两动力轮得

中心与车体中心不重合，放采用

以一轮为中心得旋转方式并通过

检测转方标志位（1或U）来判断转向。在墙角转”时处，根据吸尘器外形得几何尺寸计

算吸尘器遇墙停止后，后退再转弯得时间。吸尘器内圈行走时得转弯依靠转弯设定值实现。

当超声波传感器1得值小于等于设定值时，吸尘器转弯。考虑到超声波传感器得最小量

程为0、5叫第一圈内圈行走得转弯设定值设定为50cm,以后每圈得转弯设定值递

增30cm。吸尘器单向行驶至转弯结束得过程称为一

次单向清扫过程。若某次单向行驶结束后检测到超声波

传感器1得值小于转弯设定值，则吸尘器原地再次转

弯，然后前进至墙停止，整个房间清扫完毕。

设计躲避障碍物功能模块程序设计避障总规则：

利用超声波实测值与已测得得房间长（宽）值得比较，

判断某次单向清扫途中就是否有障碍物。若有障碍物：行走时若为左转，采用左避让规则;

行走时若为右转，采用右避让规则。障碍物避开后按行走规则继续行进；若无障碍物：按

行走规则继续行讲，在转弯前应判断就是否有足够得空间供机器人吸生器转弯。若吸半器

可以转弯，则转弯，本次单向清扫完毕；若吸尘器不能转弯，说明下次单向清扫起始点处

有障碍物，后退，避开障碍物后再转弯，前进

至通过障碍物边线后，本次单向清扫完毕。避

障功能就是在行走功能基础上实现得，分为内

圈避障程序设计与外圈程序设计。清扫完毕得判

断方案：用外圈行走结束后清扫区域得精确长、

宽值与内圈行走轨迹宽度30cm相除，商即

为长、宽方向上各自所需得单向清扫次数，有

余数则说明还有一块宽度小于30

cm得矩形区域需要清扫。在执行内圈避隙时,

年体姿态调整了•程序流程图

只要长或宽任意方向上得单向清扫次数达到所

需得次数，即认为清扫完毕，剩氽矩形区域得清扫在终止模块中完成。

车体姿态调整功能模块程序设计，为保证车体运

行时不偏离轨道，采用陀螺仪传感器监视车体运动状

况。当车体偏移量达到一定值时，通过控制行进方式

调整车体姿态。当车体偏转角度大于10%时，开始调

整车体姿态。首先判断车体偏转得方向并记录车体偏

转角度。为使车体能最大眼度地回到原位置，采用一个动力轮不动，另一动力轮倒转得方

式实现车体姿态调整。使用该方案调整车体位置后，车体并不一定能恰好回到原位置，但误

差已经很小，可以满足系统设计要求。车体姿态调整程序流程如图所示。

主控程序就是吸尘器工作得主体逻辑。在主控程序中需要完成DSP得初始化设置，考虑

各功能模块间得逻辑关系：实现对各子程序得调用，并要充分考虑到各级中断信号对程序

运行得影响，做出正确得处理、协调。

主控程序流程如图所示。用户操作键盘时接近开关可能会工作，这有可能导致程序运

行出错，故DSP需在程序最开始首先屏蔽所有中断。键盘得检测由单片机实现，用户若

想通过键盘设定吸尘器工作方式，则必须在开机后20s内开始操作，该20s得延时由DSP

提供，20s后若无键按下，则认为用户未设定吸尘器工作状态，系统按自动方式开始工作；

20s后若有键按下，则将等待用户输入完毕后，按照用户设定要求工作。

系统初始化程序设计，系统得初始化程序就星系统各功能实现得前提。给状态寄存器赋

值，保证子程序调用或进入中断时实现CPU各种状态得保存；数据存储区配置；输出口

得选择及功能设定；中断得相关寄存器处理；累加器得溢出方式选择及系统得时钟频率

得选定等功能都在初始化程序中实现。

系统中断处理，系统设计中共有4路中断信号需要处理，其中8路接近开关与4路超声波

传感器共用优先级为1级得外部中断XINT1；两个事件管理模块EVA与EVB在产生PWM波

形时用到了优先级为2级得定时器定时器3得周期中断；此外，陀螺仪得测量值经ADC

转换时用到了中断优先级为6级得ADC中断。

外部中断XINT1得史理，由于8路接近开关与超声波传感器共用XINT1中断，故在响

应该中断时应首先判断就是哪个外部设备产生得中断请求，然后进行相应得处理。若为接近

开关中断，单片机向双口RAM8040h单元写0,若为超声波中断则写1,DSP通过读8040h

单元内容来判断就是哪个外设产生得中断:①若为超声波传感器发出得中断，在其中断服务

程序中只需重新开中断即可(这就是因为进入中断服务程序时，系统自动关闭中断)；②若

为接近开关中断，需判断该接近开关就是否工作。工作时，则在中断服务程序中还要执行停

止程序，否则只需开中断即可。就是第几个接近开关工作，单片机就在双口RAM8033h

单元中写几，若同时有多个接近开关工作，则单片机从8()33单元得最低位起将其序号

依次写入。DSP只需依照此规则便可根据8033h单元自容判断就是哪个接近开关工作。

ADC中断处理，吸尘器在测距模块中车体旋转180,左、右转及姿态调整得过程中都会

响应ADC中断，故在执行上述功能得程序时分别向0I2Eh单元写0、1、2、3,功能实现

后再向012Eh单元写4,这样，响应中断时便可在中断服务程序中通过查询012Eh单元得

内容来判断车体得运动情况，