基于ARM處理器的吸塵機器人硬件設(shè)計

　　引言

　　隨著人們生活水平的日益提高，我國人口的老齡化也越來越明顯，吸塵機器人作為服務(wù)機器人的一種，能夠代替人進行清掃房間、車間、墻壁等一些簡單勞動。

　　使服務(wù)機器人有廣闊的市場，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點。目前市場上的吸塵機器人雖然也具有智能性，但大多由于結(jié)構(gòu)不盡合理、通用性差、集成度高而導致成本高，不利于普及。在研究總結(jié)市場上相對成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于ARM Cortex-M3處理器設(shè)計一款具備自我導航功能的室內(nèi)吸塵機器人。外形緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴展接口，用戶能夠根據(jù)實際需要對其功能做進一步開發(fā)。

　　1 吸塵機器人總體構(gòu)成

　　利用ARM Cortex-M3 處理器設(shè)計一款應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機器人，主要任務(wù)是能夠自主清掃房間，因此應(yīng)該具備以下功能：

　?。?）能正確判斷機器人所處的房間和在房間中所處的方位;

　　（2）能正確檢測出房間內(nèi)的墻壁、家具等障礙物;

　　（3）在游歷完所有房間完成清掃任務(wù)后能自主回到出發(fā)點，關(guān)機。

　　為了防止機器人在工作時出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且能自由進入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤由四個輪子共同支撐，其中左右兩側(cè)為驅(qū)動輪，分別由兩個微型直流電機直接驅(qū)動，前后兩個萬向輪起到支撐和導向的作用。采用碰撞、紅外傳感器、超聲波等組成多傳感器系統(tǒng)。在機器人的上方裝有紅外接收傳感器，底盤邊緣均勻分布裝有接近傳感器，用來檢測障礙物;在機器人的前方裝有碰撞傳感器;前方和左右裝有超聲波測距傳感器，用來檢測周圍環(huán)境。

　　2 硬件主體設(shè)計

　　硬件系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3處理器、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊、無線遙控發(fā)射模塊組成。

　　2.1 ARM Cortex-M3處理

　　機器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)傳感器和編碼器等反饋回來的數(shù)據(jù)，進行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機構(gòu)，完成各種控制動作。設(shè)計合適的人機接口，在LCD上顯示機器人狀態(tài)和運行時間。因此，機器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊，紅外遙控接收模塊、LED 指示燈和液晶顯示模塊。采用ARM Cortex-M3處理器作為機器人控制系統(tǒng)的核心，主要是低成本、小管腳數(shù)和低功耗，并且具有極高的運算能力和極強的中斷響應(yīng)能力，工作電流僅為50 mA.

　　2.2 電機模塊

　　分成小電機驅(qū)動電路和兩路大功率驅(qū)動板，包括用于行走的兩個小直流電機和用于吸塵的大功率無刷直流電機、掃地的直流滾刷電機、掃邊角的直流邊刷電機。因為電機分別決定機器人的行走路徑和吸塵功率，所以設(shè)計了專門的驅(qū)動板，如圖2所示。行走模塊的設(shè)計對吸塵機器人避障規(guī)劃有著至關(guān)重要的作用，我們將吸塵機器人設(shè)計成一個閉環(huán)控制，主要包括驅(qū)動電路和光電編碼反饋電路。光電編碼反饋電路通過計算反饋回來的脈沖數(shù)量和相位而得到當前的電機速度。芯片最高可以驅(qū)動25 V 的電機，吸塵機器人里行走電機的工作電壓為24 V，芯片的電壓為5 V，芯片輸出的PWM 波轉(zhuǎn)化成大電壓PWM波控制電機。其極限參數(shù)如表1所示。

　　2.3 傳感器模塊

　　主要包括3部分：用于測量和感知障礙物的超聲模塊、紅外和碰撞傳感器，用于狀態(tài)檢測的傳感器（檢測電池電量、塵桶、電機堵轉(zhuǎn)懸空）。傳感器模塊使機器人對周圍環(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務(wù)提供智能決策。

　?。?）超聲波測距傳感器模塊

　　室內(nèi)吸塵機器人由于工作環(huán)境的原因，必須具備檢測各種大小、高低、顏色的障礙物，超聲波是一種非接觸式的檢測技術(shù)，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應(yīng)距離更遠，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測距系統(tǒng)可以有效地完成障礙物的檢測。

　　本文選用的是US-100 超聲波測距模塊可實現(xiàn)0~4.5 m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，工作穩(wěn)定可靠。在機器人的前后各安裝兩個超聲波傳感器，處理器產(chǎn)生40 kHz的脈沖經(jīng)I/O口輸出，再經(jīng)過與非門以及三極管放大形成極性相反的兩路脈沖輸入超聲波發(fā)射頭的兩個引腳，探頭便可發(fā)出一連串40 kHz的超聲波，遇障礙物后返回給接收電路，處理器同時控制門電路，以實現(xiàn)發(fā)射波的間斷如圖3所示。超聲波接收端通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，把經(jīng)障礙物反射回的信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過低噪聲放大和帶通濾波，再比較產(chǎn)生中斷給處理器進行時間測量，從而做出障礙物的距離判斷，如圖4所示。

　　（2）紅外和碰撞傳感器模塊

　　本吸塵機器人在工作時對于遠距離障礙物主要利用超聲波測距，但是超聲波對近距離障礙物不敏感，所以增設(shè)紅外模塊進行近距離檢測，根據(jù)能量反射法設(shè)計紅外測量模塊。機器人前后安裝兩組紅外傳感器，每組由多達14組紅外發(fā)射接收管組成，在機器人的上面和底盤各安裝14個，每上位和下位的2個紅外發(fā)射和接收管并聯(lián)并且指向同一個方向構(gòu)成一組，每一組電路可分為高頻脈沖信號產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動、紅外接收等幾個部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個38 kHz的調(diào)制脈沖信號;利用三極管驅(qū)動紅外發(fā)射管（TSAL6200）的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收，通過接收頭 （HS0038B）內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個數(shù)字信號，輸入到微控制器的I/O口，如圖5所示。

　　接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會返回輸出低電平，否則就會輸出高電平。通過對I/O口的檢測，便可以判斷物體的有無。這樣一共可以檢測14個方向，覆蓋360°范圍。機器人對前后的近距離障礙物都能檢測，前進后退都能工作，這種由2個紅外接收管組成測障傳感器有效距離接近2 m，并且還能夠在球非常近的范圍內(nèi)（10 cm內(nèi)）讀取障礙物距離結(jié)果（沒有溢出）。

　　在機器人的左前、左后、右前、右后4個方位安裝四個碰撞開關(guān)（常開），通過采集模擬口上電壓值的變化，判斷出其中的一個或幾個碰撞開關(guān)閉合，從而檢測出哪個方向有碰撞發(fā)生。

　　2.4 人機交互模塊

　　（1）液晶顯示和鍵盤輸入：兩者配合使用可以設(shè)置機器人各種參數(shù)，如自主啟動、設(shè)置工作時間等。

　　（2）無線遙控模塊：紅外遙控使機器人的使用更加方便簡單，發(fā)射距離超過10m，能滿足需要。

　　3 結(jié)語

　　通過這樣的硬件設(shè)計，清潔機器人控制系統(tǒng)，既能滿足良好的實用性，還降低了成本，工作穩(wěn)定可靠。機器人傳感器模塊能精確定位障礙物，通過軟件策略能實現(xiàn)良好的避障。對將來家用服務(wù)機器人的研究與開發(fā)有著重要現(xiàn)實意義。