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1 引 言 移動(dòng)機構是清潔機器人的主體，決定了清潔機器人的運動(dòng)空間，一般采用輪式結構。傳感器系統一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構成多傳感器系統。隨著(zhù)近年來(lái)控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能清潔機器人控制系統的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅實(shí)的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵系統在原理上與傳統立式吸塵器相同，主要是在結構設計上更多考慮結構尺寸、集成度以及一些輔助機構的合理布置和利用，以此來(lái)提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機器人測控系統的設計與實(shí)現，最終目標是通過(guò)軟硬件的合理設計，使智能清潔機器人能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物，實(shí)現一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。 2 測控系統組成及功能 智能清潔機器人測控系統主要包括控制器核心系統、傳感器系統和驅動(dòng)系統等。其原理如圖1所示�；谇鍧崣C器人自身體積盡可能小的原則，本設計將控制器核心系統、傳感器系統、行走驅動(dòng)及相關(guān)電路集成在一塊電路板上。為防止干擾，通過(guò)光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開(kāi)來(lái)。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統，檢測信號經(jīng)調理電路處理后送控制器；采用8位單片機SST89E554RC作為控制器，控制器對傳感器信號加以判斷，根據判斷結果，選定相應的控制策略，并控制語(yǔ)音系統發(fā)出相應的報警信號；在相應的控制策略下，通過(guò)專(zhuān)用驅動(dòng)器驅動(dòng)直流電機，帶動(dòng)驅動(dòng)輪，兩輪獨立驅動(dòng)，實(shí)現避障功能；同時(shí)，控制器控制小型雙風(fēng)機真空吸塵系統對經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的清掃。 圖1 系統原理 該新型智能清潔機器人實(shí)驗平臺如圖2所示，該平臺為圓形結構，兩輪獨立驅動(dòng)，具備完整的吸塵系統和電源系統等功能模塊。最終將在該平臺上對本文所介紹的測控系統的性能進(jìn)行實(shí)驗驗證。 圖2 智能清潔機器人實(shí)驗平臺 3 測控系統硬件設計 3.1 CPU控制模塊 CPU采用美國SST公司制造的8位單片機SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集，并與標準的8051器件管腳對管腳兼容。片內擁有1 kB字節RAM空間，3個(gè)16位定時(shí)計數器，4個(gè)8位I/O端口，擁有可編程計數陣列(PCA),可提供5路256級PWM調速，可通過(guò)全雙工增強型串口實(shí)現人機通訊。 依據SST89E554RC單片機的引腳特性，在實(shí)際設計中，各電機驅動(dòng)信號由單片機P1口輸出，左右驅動(dòng)電機占用P1.1～P1.6共6個(gè)端口(其中 P1.3和P1.6作為PWM調速信號輸出端口使用)，吸塵風(fēng)機和起塵電機分別占用P1.0和P1.7口；紅外反射式傳感器和接觸傳感器檢測信號分別送給 P2口的P2.0～P2.7共8個(gè)端口；超聲波接收器信號經(jīng)調理后送人外部中斷INT1(P3.3口)；2個(gè)觸摸式選擇屏的觸摸信號經(jīng)處理后分別送給 P3.4口和P3.5口。 3.2 驅動(dòng)模塊 直流電機所需的驅動(dòng)電壓、驅動(dòng)電流均比較大，因此采用雙H橋高電壓大電流驅動(dòng)芯片L298N作為電機驅動(dòng)芯片。L298N是推挽式功率放大專(zhuān)用集成電路器件，直流驅動(dòng)電流總和可達4A，其內部具有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路，擁有PWM調速功能。在控制電路中，考慮到單片機會(huì )受到驅動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電藕合器TLP521，把控制部分和驅動(dòng)部分在電氣上隔離開(kāi)來(lái)。采用8個(gè)1N5822高速大電流肖特基二極管組成續流保護電路，消除電機在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢。系統工作時(shí)，單片機P1口輸出的控制信號經(jīng)過(guò)驅動(dòng)器芯片74HC245和光電擁合器之后輸入電機驅動(dòng)芯片L298N，控制電機動(dòng)作。當需要調速時(shí)，只需改變PWM波(本設計中由單片機P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現256級調速。 3.3 障礙物檢測模塊 3.3.1 超聲波檢瀏部分 超聲波是一種一定頻率范圍的聲波，頻率為40kHz的超聲波信號在空氣中的傳播效率最佳。本文選用中心頻率40kHz，測距范圍在5m以?xún)鹊钠胀ǔ暡▊鞲衅�。傳感器發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機器人正前方，系統工作時(shí)，通過(guò)匯編程序由P3.7口產(chǎn)生精確的40kHz發(fā)射脈沖，每隔25ms發(fā)射一組脈沖，每組的脈沖個(gè)數取6～10個(gè)，以保證發(fā)射波具備良好的傳播性和反射性。發(fā)射波遇到障礙物反射回來(lái)，被接收器接收，轉變成電信號脈沖，對該信號進(jìn)行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機外部中斷口INT1，觸發(fā)單片機外部中斷，進(jìn)入中斷處理程序，獲取從發(fā)射波發(fā)出到收到反射波時(shí)的時(shí)間間隔即測距時(shí)間，由此即可根據超聲波測距原理計算出障礙物的距離。主程序中設定機器人行走過(guò)程中距離障礙物的最小距離，當被測距離小于最小距離時(shí)，控制器向驅動(dòng)系統發(fā)出避障指令，避開(kāi)障礙物。本設計中利用軟件延時(shí)去除串擾帶來(lái)的誤操作，即在發(fā)射波發(fā)出一段時(shí)間后，再打開(kāi)外部中斷，避免發(fā)射波不經(jīng)反射就直接被接收器接收而引起假中斷。 3.3.2 紅外反射式傳感器檢測模塊 該模塊用于主動(dòng)探測機器人周邊障礙物和地面落差。選用JY043W型紅外反射式傳感器，該型傳感器調理電路簡(jiǎn)單，安裝調試方便，每一路的檢測距離可以達到 7cm，滿(mǎn)足本文設計的需要。該部分由6路檢測單元組成，其中在機器人左前方和右前方各安裝2路，配合超聲波傳感器實(shí)現周邊障礙物的檢測。另2路分別安裝在機器人前端左下方和右下方，探頭距離地面4cm，用于檢測地面是否有臺階等落差，防止機器人跌落。紅外反射式傳感器具體工作過(guò)程為，發(fā)現障礙物時(shí)，發(fā)射管發(fā)出紅外信號遇到障礙物反射回來(lái)，接收管接收到反射信號后導通，則信號處理電路的輸出端變?yōu)榈碗娖�，該低電平直接送入控制器P2的一個(gè)端口，當控制器檢測到這個(gè)端口的低電平變化時(shí)則表明該方位發(fā)現障礙物。 3.3.3 接觸傳感器檢剛模塊 接觸傳感器具有檢測范圍大、信號無(wú)需調理、占用控制器資源少等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文選擇小型接觸開(kāi)關(guān)作為接觸傳感器，安裝在機器人前端的緩沖器上，作用在于通過(guò)輕微的碰撞接觸，檢測那些未能被超聲波傳感器和紅外反射式傳感器檢測到桿狀或微小障礙物，如座椅腿等。 4 測控系統軟件設計 4.1 傳感器信息處理 當各路傳感器檢測到障礙物時(shí)，控制器必須獲得障礙物的準確信息后，才能發(fā)出正確的避障指令。為了獲得有效信息，程序代碼中為每一路檢測信息都設定一個(gè)標志位，主程序不斷檢測各個(gè)標志位的值的有效性，以此作為障礙物方位信息。對于不同的傳感器，其信息判斷標志位有效值也可能不同。在本文所提到的3種傳感器中，超聲波傳感器的信號處理程序最為復雜，其流程如圖3所示。 圖3 超聲波傳感器信號處理程序流程 4.2 驅動(dòng)控制 驅動(dòng)控制模塊是智能清潔機器人自主行為的執行機構。根據傳感器信息判斷當前環(huán)境狀態(tài)，對不同的障礙物信息，控制器將調用不同的避障策略，策略與驅動(dòng)控制的動(dòng)作組合指令相對應，通過(guò)左右驅動(dòng)電機動(dòng)作的有效協(xié)作，實(shí)現機器人前進(jìn)、后退、轉彎等自主動(dòng)作。單部電機的控制信號與電機動(dòng)作之間的關(guān)系如表1所示，其中 P1.1和P1.2為電機方向控制信號端口，P1.3為PWM波調速端口，需要減速時(shí)只需要降低PWM波的占空比即可，理論上可以實(shí)現256級調速。 表1 控制信號與電機動(dòng)作關(guān)系 4.3 避障算法描述 根據模糊控制思想并結合實(shí)際行走試驗設計避障算法。以傳感器系統9路傳感器的檢測距離和障礙物所在的方位為模糊控制輸入量，以驅動(dòng)輪的前進(jìn)、旋轉和后退動(dòng)作為模糊控制輸出量。超聲波傳感器檢測最小距離設定為15cm，距離遠；紅外傳感器檢測距離為7cm，距離適中；接觸傳感器是在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙物，因此檢測距離最近。據此設距離信號(記作：D)的模糊語(yǔ)言集合為： D＝{近，中，遠} 設定其相應的語(yǔ)言變量，記作： ND＝近，MD＝中，LD＝遠 以各路傳感器在機器人上的安裝位置作為障礙物所在方位(記作：A)。超聲波傳感器安裝在正前方，在其左右兩邊依次是接觸傳感器、下方紅外傳感器和周邊紅外傳感器。則設方位信號的模糊語(yǔ)言集合為： A＝{最左，較左，左，左下，中，右下，右，較右，最右} 設定其相應的語(yǔ)言變量，記作： BL＝最左，ML＝較左，L＝左，LD＝左下，M＝中，R＝右，RD＝右下，MR＝較右，BR＝最右 設機器人驅動(dòng)輪的動(dòng)作集合為： {右轉，稍微右轉，后退，減速，前進(jìn)，稍微左轉，左轉} 設定其相應的語(yǔ)言變量，記作： TR＝右轉，TRL＝稍微右轉，GB＝后退，SD＝減速，GA＝前進(jìn)，TLL＝稍微左轉，TL＝左轉。 對于清潔機器人來(lái)說(shuō)，在避障的同時(shí)，還要能夠對清潔區域進(jìn)行遍歷。在保證避障和遍歷的前提下，為了減少控制器的計算量并避免程序復雜化，本文采用逐一查詢(xún)方式獲得模糊控制量之一障礙物方位，根據障礙物方位即可獲得另一輸入量即機器人與障礙物間的距離。容易理解，采用逐一查詢(xún)方法意味著(zhù)控制器獲得的障礙物信息來(lái)自于最先被傳感器系統檢測到的障礙物，而且控制器將根據最先獲得的障礙物信息來(lái)調用相應的避障策略。因此，當有2個(gè)或2個(gè)以上方位有障礙物時(shí)，執行避障策略時(shí)機器人有可能與障礙物發(fā)生碰撞。試驗發(fā)現，只有當左邊的最左、較左方位和右邊的最右、較右方位都有一個(gè)或2個(gè)發(fā)現障礙物時(shí)，才有可能導致機器人與障礙物發(fā)生碰撞。 為了避免這種情況發(fā)生，將機器人左右兩邊都發(fā)現障礙物的情況也作為一個(gè)障礙物方位變量，不論機器人左右2邊是同時(shí)發(fā)現一個(gè)還是2個(gè)障礙物，都僅設其模糊語(yǔ)言為左右，設定相應的語(yǔ)言變量為L(cháng)R。根據有利于避碰的原則，將障礙物方位信息的查詢(xún)順序確定為： LD，RD，LR，M，BL，BR，ML，MR，L，R(左下，右下，左右，中，最左，最右，較左，較右，左，右) 從機器人有效避障并保證盡量少的重復先前行走軌跡的角度出發(fā)，當確定了障礙物的方位和機器人離障礙物的距離后，我們希望模糊控制的輸出量不僅僅是機器人動(dòng)作集合中某一種動(dòng)作，而是集合里某幾種動(dòng)作的合理組合。因此，針對不同方位的障礙物信息，對機器人左右驅動(dòng)輪動(dòng)作集合的7種動(dòng)作 (TR，TRL，GB，SD，GA，TLL，TL)進(jìn)行合理組合，即得到相應的合成輸出量，記作Fi(i＝1，2，3…)。根據前述方法，最終可歸納出 10種控制規則，即避障策略，如表2所示。 表2 控制規則表 按照障礙物方位信息的查詢(xún)順序，其形式是： if(Ai and D)then Fi i＝1，2，3…10 按照此種方法，在不影響機器人有效避障和相關(guān)功能的情況下，有效避障的控制規則大大減少，使避障算法簡(jiǎn)單化。 5 實(shí)驗結果 在智能清潔機器人實(shí)驗平臺上對整個(gè)測控系統進(jìn)行測試。實(shí)驗在一間約10m2的房間中進(jìn)行，在房間中隨機擺放幾件日常物品作為障礙物，將通過(guò)智能清潔機器人的行走實(shí)驗，對本文所述的智能清潔機器人測控系統的軟硬件性能進(jìn)行驗證。實(shí)驗中，智能清潔機器人始終保持直線(xiàn)行走，遇到障礙物時(shí)，根據障礙物信息選擇合適的避障策略避開(kāi)障礙物，然后繼續保持直線(xiàn)行走，直到遇到下一個(gè)障礙物。實(shí)驗結果表明，該測控系統工作可靠，避障算法有效可行，智能清潔機器人能夠自動(dòng)回避障礙物，可以在無(wú)人情況下自主工作，能夠實(shí)現家居環(huán)境下的智能化清掃。 6 結束語(yǔ) 在智能清潔機器人測控系統的進(jìn)一步研究中，設計信息量更加豐富的檢測系統，探討非結構化環(huán)境下機器人的導航和自主定位技術(shù)，尋找更加有效的路徑規劃和避障算法，將是研究的方向和重點(diǎn)。 |
