吳鵬浩 徐夢如 竇浩鵬 戈忠義 吳寶春

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，服務(wù)類機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中。不僅提高了人們的生活質(zhì)量，還為人們節(jié)省了大量時間。因此，進(jìn)行掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究工作就具有十分重要的意義。本文以STM32單片機(jī)作為核心控制器，通過電源電路、光耦隔離電路、H橋電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)以及紅外傳感器模塊的應(yīng)用，設(shè)計(jì)出一款可以將地上的紙屑等雜物吸入垃圾收納盒的掃地機(jī)器人，并且該機(jī)器人還具有前方遇障礙物自行躲避，前方懸空可防墜落等功能。

關(guān)鍵詞：STM32;光耦隔離：H橋電機(jī)驅(qū)動：紅外傳感器模塊

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們生活水平日益提高，人們越來越注重時間成本的節(jié)約。因此，家庭服務(wù)類智能機(jī)器人在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅藦V泛的應(yīng)用。本文以STM32單片機(jī)作為核心控制器，通過電源電路，光耦隔離電路，H橋電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)以及紅外傳感器模塊的應(yīng)用，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款具有清掃功能的機(jī)器人。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

掃地機(jī)器人整體設(shè)計(jì)主要分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要使用SolidWorks制圖軟件設(shè)計(jì)掃地機(jī)器人所需零件。運(yùn)用3D打印技術(shù)和激光雕刻機(jī)完成結(jié)構(gòu)的打印以及外形的雕刻。系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序調(diào)試，硬件電路設(shè)計(jì)主要包含電源電路、光耦隔離電路、H橋電機(jī)驅(qū)動電路。軟件程序調(diào)試主要分為紅外數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)和PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體方案框架如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要使用Solidworks制圖軟件，3D打印機(jī)以及激光雕刻機(jī)。SolidworLs軟件是一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，3D打印機(jī)是一種累積制造技術(shù)，即快速成形技術(shù)的一種機(jī)器，其以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體。激光雕刻機(jī)是利用激光技術(shù)對物體進(jìn)行雕刻的一種設(shè)備，用此設(shè)備雕刻物體可使雕刻處表面光滑，且可以快速降低被雕刻處的溫度，減少被雕刻物體的形變。本文使用SolidWorks軟件完成掃地機(jī)器人邊板、垃圾盒、抽氣通道、連接件、底板等相關(guān)零件的模型設(shè)計(jì)，運(yùn)用3D打印機(jī)和激光雕刻機(jī)。完成掃地機(jī)器人各結(jié)構(gòu)件的打印以及外形的雕刻。最終，根據(jù)設(shè)計(jì)組裝圖，進(jìn)行零件的裝配以及外形結(jié)構(gòu)的安裝，完成掃地機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序調(diào)試，硬件電路設(shè)計(jì)主要分為STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、電源電路、光耦隔離電路和H橋電機(jī)驅(qū)動電路。軟件程序調(diào)試主要包括紅外數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)以及PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)。

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心控制器，最小系統(tǒng)電路主要包含STM32F103核心控制器、晶振電路、復(fù)位電路等。最小系統(tǒng)電路主要完成對采集信號的分析與處理，實(shí)現(xiàn)對掃地機(jī)器人電機(jī)的控制。

3.1.2 電源電路

本文所設(shè)計(jì)的電源電路由12V鋰電池供電，主要為掃地機(jī)器人的光耦隔離電路、STM32最小系統(tǒng)電路，H橋電機(jī)驅(qū)動電路供電。電源電路可提供+5V、+12V和+3.3V電源。+5V電源主要用于光耦隔離電路，+12V電源主要用于H橋電機(jī)驅(qū)動電路用于驅(qū)動直流電機(jī)，+3.3V主要用于STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。

電源電路采用12V鋰電池，直接為H橋電機(jī)驅(qū)動電路供電。H橋電機(jī)驅(qū)動電源電路原理如圖2所示。

78L05是一種固定電壓5V的三端集成穩(wěn)壓器。12V的電源電壓經(jīng)過78L05穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為5V電壓，為光耦隔離電路供電。光耦隔離電源電路原理如圖3所示。

3.1.3 光耦隔離電路

光耦隔離電路主要分為輸入端和輸出端兩部分，輸入端一般采用發(fā)光二極管。輸出端采用光敏晶體管、集成電路等多種形式，主要對信號實(shí)施電一光一電的轉(zhuǎn)換與傳輸。輸入信號的有無和強(qiáng)弱控制了發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度，而輸出端接收光信號，根據(jù)感光強(qiáng)度輸出信號。光耦隔離電路使被隔離的兩部分電路之間只有光的傳輸，而沒有電的直接傳輸，因此可以防止電流信號的直接傳輸而引起的干擾。特別是當(dāng)?shù)蛪嚎刂齐娐放c高壓控制電路共地時，高壓控制電路就可能會對低壓控制電路產(chǎn)生干擾，影響驅(qū)動電路的穩(wěn)定性。因此采用光耦隔離電路來隔離高壓控制電路和低壓控制電路，有效的解決了電路之間的干擾問題。光耦隔離電路原理如圖5所示。

3.1.4 H橋電機(jī)驅(qū)動電路

H橋電機(jī)驅(qū)動電路的形狀類似字母H。因此被稱為“H橋驅(qū)動電路”。H橋電機(jī)驅(qū)動電路由四個場效應(yīng)管和一個直流電機(jī)組成。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對場效應(yīng)管導(dǎo)通。當(dāng)T5場效應(yīng)管和T8場效應(yīng)管同時導(dǎo)通時。電流將驅(qū)動直流電機(jī)沿著一個方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)另一對場效應(yīng)管T7場效應(yīng)管和T6場效應(yīng)管同時導(dǎo)通時，電流將驅(qū)動直流電機(jī)沿著另一個方向轉(zhuǎn)動。因此控制一對場效應(yīng)管的導(dǎo)通與截至，就可以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動和停止的目的。H橋電機(jī)驅(qū)動電路原理如圖6所示。

3.2 軟件程序調(diào)試

軟件程序調(diào)試分為紅外數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)、PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)兩部分。單片機(jī)通過采集和處理紅外數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人對障礙物自動檢測的功能。然后通過單片機(jī)輸出PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)器人對障礙物自動躲避的功能。程序流程如圖7所示。

3.2.1 紅外數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)

紅外傳感器模塊通過檢測紅外光束是否被被測物體遮擋或者反射，由其內(nèi)部電路判斷與被測物體之間距離的一種光電接近開關(guān)?？赏ㄟ^計(jì)算接收到光的強(qiáng)度大小，計(jì)算出掃地機(jī)器人與障礙物之間的距離。紅外傳感器模塊具有一個紅外信號發(fā)射二極管與一個紅外信號接收二極管，發(fā)射二極管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收二極管接收與其發(fā)射紅外信號頻率一致的紅外信號。當(dāng)發(fā)射二極管發(fā)射的紅外信號遇到障礙物后便會被反射，反射后的紅外信號被接收二極管接收，經(jīng)電路處理后，可得到其相應(yīng)距離。單片機(jī)通過對采集到的紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)數(shù)值做出相應(yīng)的判斷，改變掃地機(jī)器人的運(yùn)動速度和運(yùn)動軌跡。

3.2.2 PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速程序設(shè)計(jì)

PWM稱為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過改變脈沖占空比來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。從而控制掃地機(jī)器人的運(yùn)動速度和運(yùn)動方向。而在PWM的具體實(shí)時方法中，一般有三種辦法來改變脈沖的占空比，分別為：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法、定頻調(diào)寬法。本文所采用的是定頻調(diào)寬法改變PWM波的占空比。通過使用STM32單片機(jī)自帶PWM波輸出功能，控制掃地機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)控制掃地機(jī)器人運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的目的。

PWM調(diào)制技術(shù)的定頻調(diào)寬法的原理是：保持脈沖的頻率不變，利用一個脈沖周期內(nèi)高低電平所占比例來改變波形的占空比，從而改變一個周期內(nèi)的平均電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。假設(shè)電機(jī)一直保持通電狀態(tài)及一個周期內(nèi)脈沖保持高電平，此時電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為Vmax，當(dāng)改變電機(jī)的通電狀態(tài)使其在一個周期T時間內(nèi)，脈沖為高電平的時間為t，則此時的占空比為D=t/T，電機(jī)平均轉(zhuǎn)速為Vd=D*Vmax。具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

（1）開啟定時器的時鐘，設(shè)置IO口的相關(guān)模式，進(jìn)行初始化。

（2）設(shè)置自動重裝載寄存器參數(shù)和預(yù)分頻參數(shù)，將其計(jì)數(shù)模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)。

（3）計(jì)數(shù)器值與通道捕獲比較寄存器的值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的高低電平。

（4）設(shè)置輸入/捕獲通道的輸出極性。

（5）捕獲/比較使能寄存器的CCE1位控制輸出使能電路，信號由此輸出到相應(yīng)的引腳。PWM的實(shí)際頻率是通過預(yù)分頻參數(shù)和自動重裝載寄存器的參數(shù)決定。預(yù)分頻的參數(shù)決定了計(jì)數(shù)器的時鐘，自動重裝載寄存器的參數(shù)決定了在此時鐘頻率下的周期。

4 結(jié)束語

本文以STM32單片機(jī)作為核心控制器，利用傳感器技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)以及3D打印技術(shù)，給出系統(tǒng)詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。針對設(shè)計(jì)方案完成掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合掃地機(jī)器人控制方法完成系統(tǒng)程序編寫，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及整體功能調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的垃圾清掃、避障及防墜落功能。該設(shè)計(jì)為后續(xù)進(jìn)行清掃機(jī)器人的運(yùn)動控制以及相關(guān)控制算法的研究奠定了基礎(chǔ)。