梁辰滔， 閆娟， 張浩， 陳榮華， 何濤

（上海工程技術(shù)大學機械工程學院，上海 201620）

0 引言

由于工業(yè)發(fā)展所導致的日趨嚴峻的環(huán)境形勢以及大眾環(huán)保意識的不斷提高，傳統(tǒng)能源的缺點與環(huán)保主義之間的矛盾日趨尖銳，新型能源憑借其清潔、高效、可再利用性強等特點，已經(jīng)逐漸走入了日常生活生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。其中，太陽能作為典型的優(yōu)秀新型能源，擁有頗具潛力的發(fā)展空間和廣闊的經(jīng)濟前景。隨著科技的不斷進步與發(fā)展，結(jié)合“綠色經(jīng)濟”的主流發(fā)展背景，將新型環(huán)保能源與智能家居機器裝置相結(jié)合的設計理念已經(jīng)在行業(yè)中占據(jù)了主流意識，為順應發(fā)展趨勢，設計出一種能夠有效利用綠色環(huán)保資源的清潔機器人。

1 清潔機器人整體控制設計方案

清潔機器人整體設計由控制模塊、驅(qū)動模塊、傳感器模塊以及電源模塊等模塊以及提供輔助功能的顯示器、按鈕開關(guān)等外圍器件組成，各部分由C52單片機控制指揮，協(xié)調(diào)配合工作。

1）控制芯片。采用STC89C52RC作為控制核心，將各模塊與器件聯(lián)系起來，通過程序的運行控制各個模塊的運行與配合。

2）數(shù)據(jù)顯示器。由一組四位共陽數(shù)碼管組成，用于直觀反映機器人的工作參數(shù)。

3）電機驅(qū)動。由行進驅(qū)動和滾刷驅(qū)動兩部分組成，行進驅(qū)動負責控制機器人兩后輪的運動，滾刷驅(qū)動負責清潔裝置部分的滾刷工作。

4）傳感器組。由于采用復合式避障方式，故機器人使用超聲波傳感器與輕觸開關(guān)組成傳感器組，超聲波傳感器部分負責機器人前方范圍內(nèi)的避障探測，而輕觸開關(guān)負責機器人四周及后方的避障檢測，提高機器人避障的穩(wěn)定性。

5）供電電源。由一塊太陽能電池板以及兩塊蓄電池組組成，兩塊蓄電池組分別負責驅(qū)動與滾刷電機的供電。

2 清潔機器人硬件系統(tǒng)設計

2.1 控制模塊

主控部分以STC89C52單片機為核心，通過I/O信號口與傳感器、驅(qū)動電路、按鍵開關(guān)等相連接，工作時負責接收來自超聲波傳感器以及輕觸開關(guān)傳送的數(shù)據(jù)信息，進行分析處理，然后將具體的工作數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管直觀反饋到用戶端，同時通過PWM端使驅(qū)動電路對行進電機與滾刷電機以及舵機進行控制，達到避障、清掃的目的。

圖1 智能清潔機器人驅(qū)動模塊原理示意圖

2.2 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊的電路設計上采用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片，穩(wěn)定性高，采用鋁電解電容，使電路穩(wěn)定工作?？梢灾苯域?qū)動兩路直流電機，并提供了5 V輸出接口（輸入最低只要6 V），可以給5 V單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系數(shù)），支持3.3V MCU控制，可以由單片機模擬PWM信號控制兩后輪的速度與方向。圖1為驅(qū)動模塊原理示意圖。

機械結(jié)構(gòu)設計上采用兩個直流電機后驅(qū)，結(jié)合前萬向輪的方式完成裝置的運動，這樣設計的優(yōu)點在當兩直流電機反向轉(zhuǎn)動的時候，帶動前萬向輪即可實現(xiàn)較小位移范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向，提高機器人在狹小空間內(nèi)的運動能力。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊由一個超聲波傳感器與多個輕觸開關(guān)組成，其中，超聲波傳感器安裝在舵機上，并用固定支架將其固定于機器人前端，通過舵機的轉(zhuǎn)動以及超聲波傳感器測距相結(jié)合，實時探測機器人前端180°范圍內(nèi)的工作環(huán)境，后方及兩側(cè)的輕觸開關(guān)在超聲波傳感器無法精確處理機器人后方位置狀態(tài)的時候，起到一個保證其正常安全工作的作用。同時由一組四位共陽數(shù)碼管組成數(shù)據(jù)顯示器，通過單片機處理，實時反饋顯示超聲波傳感器的測距數(shù)據(jù)，便于裝置的調(diào)試與檢測。

2.4 電源模塊

電源模塊采用兩塊7.2 V鎳氫可充電池以及一塊太陽能電池板組成，其中太陽能電池板安裝在機器人頂部通過充電電路與其中一塊鎳氫可充電池連接，這樣，當清潔機器人在太陽能電池板的工作條件下工作時，太陽能轉(zhuǎn)化為鎳氫電池的電能儲存起來，由另一塊電池為清潔機器人供電，當環(huán)境不適合太陽能電池板工作時，用波動開關(guān)將電路切換到由備用鎳氫電池供電的電路，保證機器人的正常工作供電。

2.5 清潔模塊

采用滾筒式毛刷和海綿吸液裝置復合工作方式，海綿吸液裝置部分置于機器人底部，采用PVA高密度吸水海綿，液體處理能力更加出色，滾筒由一個直流電機通過齒輪組連接帶動工作，和收集器一起由固定件安裝在裝置底部中間的主要工作位置，滾筒毛刷采用防靜電尼龍材質(zhì)毛刷，耐磨損，不附塵，這樣的復合裝置既能掃除干燥雜物，又能吸收處理液體污物，提高清潔效率與質(zhì)量，在面對復雜工作條件時能發(fā)揮更好的作用。圖2為系統(tǒng)機構(gòu)圖。

3 清潔機器人軟件系統(tǒng)設計

在實際工作環(huán)境下，先按下機器人開關(guān)，舵機先執(zhí)行歸中程序?qū)⒊暡▊鞲衅髡龑C器人前方工作區(qū)，清潔模塊根據(jù)環(huán)境條件調(diào)控選擇至太陽能電池或蓄電池供電方式，同時滾刷開始由電機帶動工作，由超聲波傳感器對前方進行測距，將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入單片機處理，并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)反饋之數(shù)碼管顯示，當清潔機器人與前方障礙物距離大于安全距離時，機器人前進并開始工作，海綿裝置吸收處理地面液體污物，碎紙細屑則由滾筒毛刷卷入其后的收集器中，超聲波傳感器保持對前方的測距處理，當超聲波傳感器檢測到前方障礙物小于安全距離時，機器人開始執(zhí)行避障程序：用延時函數(shù)控制其短暫后退一小距離然后停止，超聲波傳感器隨舵機由單片機進行PWM控制轉(zhuǎn)動，對機器人前方180°角范圍進行障礙測距，經(jīng)程序檢測分析，若機器人與兩邊障礙均大于安全距離，則向距離更遠的一方保持原地轉(zhuǎn)向（兩直流電機相反向轉(zhuǎn)動）后前進。若只有一方小于安全距離，則轉(zhuǎn)向另一方后前進。若與兩邊障礙均小于安全距離，則沿原路后退一小段距離后再次進行如上方式測距，直至安全距離。當檢測到前方距離小于安全距離的時候，進入到中斷服務函數(shù)，停止前進并對前方180°范圍進行測距處理，或當內(nèi)部定時器時間到的時候，保持前進并對前方180°范圍進行測距處理。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

4 結(jié)語

提出了一種基于STC89c52為控制核心，以小車為運動載體，有效利用環(huán)保太陽能，采取多傳感器組合避障的智能清潔機器人設計，其電源模塊設計，既滿足清潔機器人的工作條件，又符合現(xiàn)代環(huán)保科技的觀念，是未來可能形成的一種發(fā)展趨勢，可進一步通過添加電池電壓檢測模塊、太陽能檢測模塊等等，進一步優(yōu)化配置程序，使之做到自動根據(jù)環(huán)境因素調(diào)節(jié)選擇供電方式。本機器人避障程序邏輯清楚實用，能夠及時避開障礙物，提高了清潔機器人的工作效率與穩(wěn)定性，但路徑較為無規(guī)律，適用于簡單理想環(huán)境，若工作于復雜環(huán)境之下，可考慮加入更高精度路徑規(guī)劃，如沿內(nèi)螺旋式“回”字型路徑、區(qū)域遍歷算法等。

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