技術(shù) | 智能紅外避障自動(dòng)掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)

研究一種智能掃地機(jī)器人，從硬件系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)到主要技術(shù)調(diào)試進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。以 STM32 單片機(jī)為控制核心與電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外線路徑識(shí)別模塊等相互協(xié)調(diào)應(yīng)用。進(jìn)行電路搭建和程序編寫(xiě)。實(shí)現(xiàn)了智能掃地機(jī)器人紅外線避障和自動(dòng)掃地功能，其清掃面積能達(dá)到約 70%，清掃率約 60%，很大程度受到自身機(jī)械機(jī)構(gòu)的限制，后期將對(duì)小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。

1 引言

近年來(lái)，隨著 AI 技術(shù)的突破，核心零部件成本的下降，使越來(lái)越多的智能化設(shè)備進(jìn)入人類的家居生活。智能掃地機(jī)器人無(wú)可厚非是最具代表的服務(wù)類機(jī)器人，并取得了爆發(fā)式的發(fā)展。都市繁忙的生活節(jié)奏讓最簡(jiǎn)單的掃地成為生活累贅，掃地機(jī)器人的需求點(diǎn)在于解放繁忙的都市人群，用智能化的方式解放雙手，追求更高品質(zhì)的生活質(zhì)量[1-3]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要是以單片機(jī) STM32F103 為核心，輔助其外圍各模塊在單片機(jī)的控制下，相互協(xié)調(diào)工作，保證智能掃地機(jī)器人各種功能的實(shí)現(xiàn)。該智能掃地機(jī)器人系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

3 智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件模塊

3.1 STM32F103 單片機(jī)

作為智能小車核心控制模塊，輸出 PWM 波以及紅外模塊所需的高、低電平。具備 72 MHz ＠1.25 MIPS/min 內(nèi)核,集成 32～51 KB 的 Flash 存儲(chǔ)器；6～64 KB 的 SRAM 存儲(chǔ)器等。其高性能、低功耗、外設(shè)豐富，能夠完成本課題所需所有功能。

3.2 紅外避障模塊

傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管處于閉合狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)，被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮。紅外發(fā)射反射接收原理如圖 2 所示。

本課題采用 4 個(gè)紅外漫反射式傳感器的有效距離范圍為 2～30 cm，從小車形態(tài)前方從左至右分別編號(hào)為探頭 1、探頭 2、探頭 3、探頭 4。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊采用 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊，輸出高低電平給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止。利用 STM32 單片機(jī)輸出 PWM 波原理來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 路徑規(guī)劃軟件的設(shè)計(jì)

開(kāi)始，標(biāo)志位置1，前進(jìn)，兩側(cè)傳感器判斷是否有障礙，否，返回前進(jìn)，是，判斷標(biāo)志位是否為 0，是，右 S 彎且標(biāo)志位置 1，返回前進(jìn)，否，左 S彎 且標(biāo)志位置 0，返回前進(jìn)。

掃地機(jī)器人按照預(yù)定指令完成自動(dòng)清掃功能。路徑規(guī)劃軟件流程圖如圖 3 所示。

5 技術(shù)調(diào)試及結(jié)果分析

5.1 路徑規(guī)劃

起點(diǎn)從平面左邊平行位置起，智能掃地機(jī)器人直行到達(dá)墻壁，當(dāng)探頭 1 和探頭 4 同時(shí)感應(yīng)到障礙物時(shí)小車停止，后退 10 cm，然后右轉(zhuǎn) 90o，而后直行 17 cm，若探頭 1 感應(yīng)到障礙物，則右轉(zhuǎn) 90o 完成調(diào)頭，若未檢測(cè)到障礙物小車執(zhí)行避障程序。

同理，直行到達(dá)對(duì)側(cè)墻壁時(shí)，左轉(zhuǎn)完成調(diào)頭，路徑成 S 形。自動(dòng)清掃路徑如圖 4 所示。

因?yàn)閽叩貦C(jī)器人正面與障礙物接觸面積不同，所以在執(zhí)行避障時(shí)設(shè)置了不同的轉(zhuǎn)向角度。探頭 1 避障程序：探頭 1 檢測(cè)到障礙物時(shí)，表明當(dāng)前機(jī)器人左側(cè)靠近障礙物，右轉(zhuǎn) 45o 避讓。同理，探頭 4 檢測(cè)到障礙物時(shí)，左轉(zhuǎn) 45o 避讓。

探頭 2 避障程序：當(dāng)探頭 2 最先檢測(cè)到障礙物時(shí)，表明機(jī)器人左側(cè)遇到障礙物或家居的突出拐角，此時(shí)右轉(zhuǎn) 60o 避讓。同理，當(dāng)探頭 3 最先檢測(cè)到障礙物時(shí)，此時(shí)左轉(zhuǎn) 60o 避讓。

探頭 2、探頭 3 避障程序：探頭 2 個(gè)探頭 3 同時(shí)遇到障礙物時(shí)，表明機(jī)器人正面遇到障礙物，此時(shí)右轉(zhuǎn) 90o 避讓。

5.2 模式調(diào)試

智能掃地機(jī)器人后輪由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制，前方為一個(gè)萬(wàn)向輪，能夠很好地實(shí)現(xiàn)左右的移動(dòng)。小車移動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的差異使驅(qū)動(dòng)力大小不同，通過(guò)控制小車兩個(gè)后輪的速度來(lái)控制小車的移動(dòng)方向。自動(dòng)清掃模式時(shí)，以 S 路徑往返清掃。實(shí)驗(yàn)時(shí)劃出一片矩形清掃區(qū)域，設(shè)置不同初始位置，適當(dāng)在任意位置放置一些障礙物，觀察其清掃面積的大小。清掃效果如表 1 所示。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，根據(jù)紅外反射傳感器檢測(cè)障礙物的位置，能夠自動(dòng)避障。智能清潔機(jī)器人的清掃面積與初始位置有關(guān)，清掃面積較大，但邊角處仍無(wú)法清掃到。智能掃地機(jī)器人清掃工作狀態(tài)如圖 5 所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本課題完成的智能掃地機(jī)器人根據(jù)路徑規(guī)劃算法控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，執(zhí)行時(shí)不斷地檢測(cè)周圍環(huán)境中的障礙物信息，掃地模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)。

實(shí)測(cè)表明機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)清掃、實(shí)時(shí)避障、耗時(shí)少又節(jié)能的目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)依然有需要改進(jìn)的地方，如使小車行動(dòng)更加靈敏、清掃更大體積的垃圾、減小電機(jī)的噪聲等，使用戶有更好的使用體驗(yàn)。