《基于單片機(jī)的智能清掃機(jī)器人研究》11000字（論文）

緒論1.1課題的研究背景及意義如今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們花在工作上的時(shí)間越來越多，沒有時(shí)間和精神去從事家務(wù)勞動(dòng)，因此，智能清掃機(jī)器人逐漸進(jìn)入了我們的家庭。清掃機(jī)器人的痛處是讓忙碌的城市青年們得到釋放，讓他們能夠用智慧的方法來釋放自己的雙手，去尋找更高的生活品質(zhì)[1]。智能清掃機(jī)器人，是一款智能化家電產(chǎn)品，通過內(nèi)置芯片與其本身所配備的不同的傳感器相配合，可以根據(jù)用戶的要求，對室內(nèi)地面的某個(gè)部位或者整個(gè)區(qū)域進(jìn)行清掃。結(jié)合移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與吸塵技術(shù)，室內(nèi)地板環(huán)境能被自動(dòng)清掃。在技術(shù)層面上，清掃車更具體化了多個(gè)核心技術(shù)：多個(gè)傳感器信息協(xié)調(diào)工作技術(shù)，空間導(dǎo)航技術(shù)、軌跡規(guī)劃算法和快速定位技術(shù)以及對電池性能的高要求[2]。從行業(yè)發(fā)展的趨勢來看，清掃機(jī)器人能大幅度減少工作壓力，解放人們的雙手，提升工作效率，適合居家及公共場所的地面清潔；省時(shí)省力，全流程無需人工操控，減少作業(yè)的繁重；同時(shí)，它的噪聲也較常規(guī)的吸塵器更輕、更輕巧，更容易清掃盲區(qū)。所以，在清掃機(jī)器人行業(yè)大有可為，它的發(fā)展有巨大的商業(yè)價(jià)值[3]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀清掃機(jī)器人最早可以追溯到二十世紀(jì)90年代的瑞典伊萊克斯公司，它率生產(chǎn)了世界上的第一款清潔機(jī)器人，如圖1-1所示，因外形像古代的三葉蟲所以命名為三葉蟲，具有電池自動(dòng)回充和防摔保護(hù)。但由于反應(yīng)速度、運(yùn)算速度、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度都相對緩慢，所以清潔的速度很低。最大的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴和機(jī)身厚度不夠理想，導(dǎo)致不能在家具的下面清理。圖SEQ圖\*ARABIC1-1三葉蟲清潔機(jī)器人美國科技公司iRobot在2002推出了一個(gè)叫做Roomba的清潔機(jī)器人[4]，如圖1-2所示，標(biāo)志著清掃機(jī)器人進(jìn)入隨機(jī)式清掃時(shí)代。Roomba廣泛應(yīng)用于木制或石制的地板和防水的地毯，通過旋轉(zhuǎn)并逐漸增大的螺旋形的半徑來將室內(nèi)地面的所有區(qū)域都籠罩在內(nèi)，增加邊刷輔助清潔，當(dāng)遇到室內(nèi)桌椅、衣柜等障礙物時(shí)，本身配置的特殊的障礙感應(yīng)器就會(huì)使機(jī)器人緊貼墻壁進(jìn)行作業(yè)，防止損壞機(jī)器人。在清理了一塊地方之后，Roomba將旋轉(zhuǎn)90度，用同樣的方法清理室內(nèi)的其它地方。Roomba的潔凈性能好，廉價(jià)，性價(jià)比高，并且比三葉蟲的機(jī)身厚底小，深受消費(fèi)者青睞。但因?yàn)殡S機(jī)式的清潔方式，覆蓋率較低。圖1SEQ圖\*ARABIC2Roomba清潔機(jī)器人鑒于隨機(jī)清掃模式的缺點(diǎn)，iRobot發(fā)布了一款名為“燈塔”的裝置[5]。清掃機(jī)器人與燈塔之間互相通信從而確定自己與燈塔之間的相對位置，解決Roomba清潔機(jī)器人覆蓋率不高的缺點(diǎn)。這種新的定位技術(shù)可以將覆蓋范圍提升到99%，但因?yàn)闊羲鳛閰⒖嘉铮詫羲姆胖梦恢靡蠓浅？量蹋话闱闆r下，擺放的位置決定了清掃機(jī)器人的清潔完成度。在接下來的數(shù)年中，很多高科技公司都在研發(fā)基于攝像頭定位的清掃機(jī)器人，其初衷是讓掃地機(jī)機(jī)器人能夠觀察室內(nèi)環(huán)境，從而達(dá)到全方位清潔，提高覆蓋率。這款清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)就是通過攝像機(jī)來進(jìn)行定位，通過紅外線感應(yīng)裝置，可以在一分鐘內(nèi)拍下30幅圖像，再通過數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行建模，得出房間的地圖。通過比較前后兩幅圖像的不同，來確定自己的前進(jìn)方向。這種方案解決了位置問題，也改善了覆蓋率低的問題，但對光線的依賴性很大，在昏暗的情況下不能工作，并且成本過高，無法在普通民眾中推廣開來。邏輯的創(chuàng)始人賈科莫馬里尼2010年在美國硅谷發(fā)明了一款利用激光探測距離的清掃機(jī)器人，配備了激光器發(fā)射機(jī)和接收機(jī)[6]。工作的過程中，發(fā)射機(jī)發(fā)出一束激光，當(dāng)它碰到障礙時(shí)，就會(huì)被它的反射回來，然后由接收機(jī)來接收，然后再根據(jù)它的發(fā)送和接收的延遲來進(jìn)行計(jì)算與障礙之間的距離并繪制了三維立體圖。可高效地進(jìn)出清理和非清理的地方。Neato清潔機(jī)器人利用一臺(tái)360°的激光傳感器來對周邊物體進(jìn)行掃描[7]，然后通過SLAM來對周邊區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位，從而為清潔路徑做出正確的選擇，如圖1-3所示。Neato開創(chuàng)了斷點(diǎn)型持續(xù)清掃技術(shù)的先例，在電池能量耗盡時(shí)，可以在中斷的地點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行清理；并且具有良好的覆蓋面和優(yōu)秀的清洗性能，機(jī)身的厚度為僅僅10公分左右。圖1SEQ圖\*ARABIC3Neato清潔機(jī)器人目前，中國的清掃機(jī)器人市場，有三股勢力，一股是科沃斯、由利等專業(yè)的清掃機(jī)器人公司，他們擁有豐富的技術(shù)和供應(yīng)鏈管理，正在逐漸發(fā)展；二是小米、石頭科技等新興的網(wǎng)絡(luò)公司，他們的優(yōu)勢來自于軟件和渠道；三是海爾、美的等傳統(tǒng)的家用電器巨頭，擁有豐富的生產(chǎn)技術(shù)，但他們的市場占有率和規(guī)模都很小。科沃斯公司是我國最早的一家專業(yè)從事清掃機(jī)器人的開發(fā)和制造企業(yè)，它在這一行業(yè)中率先進(jìn)入市場。在08年十月，公司發(fā)布首款名為7系列的清掃機(jī)器人。十余年來，先后推出了許多新的系列，為廣大消費(fèi)者所熟知和喜愛。公司的產(chǎn)品以其特有的品質(zhì)和價(jià)格的優(yōu)勢，在中、低檔用戶創(chuàng)造了一個(gè)很好的銷路。經(jīng)過十余年的發(fā)展，科沃斯公司的清掃機(jī)器人從最初的胡亂清掃，到使用GPS系統(tǒng)進(jìn)行更合理的規(guī)劃清掃，使清掃作業(yè)效率大幅提升，機(jī)械損耗大幅降低，使用年限延長[8]。地寶DN55可以使用激光雷達(dá)構(gòu)建房間地圖的清掃機(jī)器人，構(gòu)建地圖后可進(jìn)行劃分區(qū)域，根據(jù)用戶需求選擇區(qū)域清掃，它的核心部件是LDS的激光測距，利用LLDS的激光測距，利用SLAM算法，可以完成位置確定和地圖繪制。但是LDS型感測器成本高昂，而且持續(xù)旋轉(zhuǎn)對其使用壽命有很大的影響。圖1SEQ圖\*ARABIC4清掃機(jī)器人進(jìn)化史綜上所述，清掃機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了發(fā)展停滯期、技術(shù)突破期和蓬勃發(fā)展期，如上圖1-4所示。從二十世紀(jì)90年代到今天，清掃機(jī)器人一直在創(chuàng)新，逐步被廣大群眾所認(rèn)可，成為必備家用電器之一。據(jù)東方股票數(shù)據(jù)，在2020年清掃車的市場占有率為34億美元，同比去年上升32%。排名前三的分別是iRobot、科沃斯和石頭公司，分別占46%、17%和9%的市場占有率。中國公司在全球三大清潔機(jī)器人公司中占有2個(gè)位置。自2020年起，智能清掃機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，三維TOF、三維結(jié)構(gòu)光、激光雷達(dá)和單目/雙目等技術(shù)不斷涌現(xiàn)。1.3本論文主要研究內(nèi)容(1)對軌跡規(guī)劃與避障方法及其優(yōu)劣勢進(jìn)行了探討。軌跡規(guī)劃現(xiàn)主要的方案包括：柵格法，單元域分割法，人工視覺法，隨機(jī)覆蓋法[9]等；避障方法有：隨機(jī)碰撞法、三維結(jié)構(gòu)光、三維TOF、激光雷達(dá)和視覺避障。(2)系統(tǒng)的硬件部件的選型。本著設(shè)計(jì)的基本理念，選擇STM32F103ZET6作為控制單元，用來控制清掃機(jī)器人，處理數(shù)據(jù)和決策運(yùn)動(dòng)路線，HC-SR04、ADXL345傳感器、霍爾編碼器用來收集機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及室內(nèi)環(huán)境信息。(3)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。超聲波傳感器、ADXL345傳感器、霍爾編碼器、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序以及主程序和軌跡規(guī)劃算法的設(shè)計(jì)。(4)系統(tǒng)整體測試。使用清掃機(jī)器人做實(shí)際清掃實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明該清掃機(jī)器人能夠高效、可靠地完成清潔作業(yè)，具有較高的覆蓋面、較低的重復(fù)性、時(shí)間短、效率高等特點(diǎn)。2路徑規(guī)劃和避障方法2.1現(xiàn)有路徑規(guī)劃方案2.1.1隨機(jī)覆蓋法當(dāng)前，中、低層次的智能清掃機(jī)器人所使用的基本原理是隨機(jī)覆蓋法。所謂的隨機(jī)覆蓋法并不是說沒有目的和方向的作業(yè)，而是讓機(jī)器人按照三角形、五邊形等形狀做簡單的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來覆蓋作業(yè)區(qū)域，當(dāng)讓這也是一種很難做到的事情。當(dāng)有障礙物時(shí)，就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的控制。這種方案雖然成本低廉，但會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，在不考慮時(shí)間的情況下可以將室內(nèi)地板完全清掃。該系統(tǒng)無需對作業(yè)區(qū)域進(jìn)行全面的觀察，無需依靠大量的檢測裝置，對控制核心的性能要求較低，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。然而由于隨機(jī)覆蓋的策略相對較單一，在遇到復(fù)雜環(huán)境時(shí)存在漏洞，會(huì)使其進(jìn)入死區(qū)，也就是在特定的位置上繞圈或一直卡在某個(gè)地方。2.1.2單元域分割法單元域分割法，是指將作業(yè)區(qū)域劃分成大小不同的區(qū)域，在不同的區(qū)域中分別進(jìn)行清掃作業(yè)，最終將劃分的區(qū)域按最佳的邏輯序列進(jìn)行連接依次清掃[10]。分區(qū)是單元域分割法的首要問題，其最佳情況是在區(qū)域內(nèi)的所有障礙都位于區(qū)域的邊緣，使得區(qū)域的中央?yún)^(qū)域能夠有效地實(shí)現(xiàn)連續(xù)的區(qū)域劃分。在實(shí)際生活中，通常將單個(gè)的房間或密閉空間作為一個(gè)單元空間，空間大小、太大或太少都無濟(jì)于事。單元域法中的次要問題是，每個(gè)區(qū)域之間的聯(lián)系。當(dāng)一個(gè)區(qū)域被完全覆蓋后，另一個(gè)區(qū)域鄰近時(shí)，它將被作為下一個(gè)被覆蓋的任務(wù)對象，當(dāng)存在多個(gè)區(qū)域時(shí)，它會(huì)根據(jù)特定的邏輯選擇下一個(gè)區(qū)域，直到所有的區(qū)域都被覆蓋為止。該算法適用于多室的情況，同時(shí)還能提高處理器計(jì)算的速度。2.1.3柵格法柵格法把工作環(huán)境分為二值網(wǎng)格，具體情況如圖2-1所示，它包括了環(huán)境周圍的各種因素，一般是由障礙的是是否存在和規(guī)模組成，這種方法可以簡化室內(nèi)空-間的建模，減少了計(jì)算時(shí)間，提高了對周圍的環(huán)境的了解[11]。這種方式主要是網(wǎng)格尺寸的問題，網(wǎng)格分割太多會(huì)削弱對環(huán)境的分辨能力，網(wǎng)格分割太少會(huì)導(dǎo)致對硬件層次上的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存要求更為嚴(yán)格。圖2-1柵格法2.1.4人工勢場法人工勢場法是一種基于虛擬力法的機(jī)器人的移動(dòng)策略[12]。它的主要目的是把物體和障礙對清掃機(jī)器人的作用轉(zhuǎn)化為人工勢場。目標(biāo)位置的位能較小，障礙位置的位能較高，在此勢差下，障礙與清掃機(jī)器人之間的相互作用力使掃地機(jī)沿著位勢的降低的方向向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)。人工勢場法易于進(jìn)行，所得的路線安全、平穩(wěn)，而在復(fù)雜的位面中，會(huì)出現(xiàn)在目標(biāo)點(diǎn)處以外的區(qū)域，使清掃機(jī)器人不能達(dá)到目的。針對人造位場中存在的局部極小值問題，已有許多研究人員對其進(jìn)行了一些修正。當(dāng)機(jī)器人碰到一個(gè)局部極小的時(shí)候，將其它的算法與其它的算法相組合，使得它遠(yuǎn)離了局部最小的位置，多采用搜索法、多勢場法、沿著墻壁走動(dòng)法等算法，將機(jī)器人移出局部最小位置。在Matlab中展示人工勢場法，每個(gè)小的箭頭都表示了一個(gè)梯度的幅度和方位，在接近障礙的地方具有顯著的排斥性，在距離障礙較遠(yuǎn)的地方梯度的方向指向終點(diǎn)。最終的路線是沿著梯度方向的。圖22人工勢場法2.2確定路徑規(guī)劃方案針對清掃機(jī)器人已經(jīng)提出了各種路線選擇方案，但還沒有一種方案被認(rèn)為是最優(yōu)方案，目前市面上的智能清掃車依然存在著許多的問題。無論采用什么方法，機(jī)器人的整體清理可以歸納為四部分：第一，從開始到結(jié)束都是給電池充電的地方，所以從這個(gè)角度來說，智能機(jī)器人的核心就是在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間尋找最優(yōu)路徑。第二，在開始到結(jié)束的時(shí)候，要將整個(gè)地區(qū)都進(jìn)行一次大范圍的清潔，而不是隨便從開始到結(jié)束。第三，在整個(gè)清理期間，應(yīng)盡量避免碰撞障礙，減少電量的損耗。從實(shí)施難度的角度來看，該系統(tǒng)需要綜合考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性、路徑優(yōu)化等因素。第四，還需要考慮到價(jià)格、維護(hù)、使用方便等因素。本文針對這一問題，提出一種以單元分解法為基礎(chǔ)的全覆蓋路線規(guī)劃算法，即將先對各分區(qū)進(jìn)行分區(qū)劃分，再采用全覆蓋方式進(jìn)行分區(qū)劃分，最終將各分區(qū)之間的分區(qū)進(jìn)行合理的排序，最終形成一條完整的路線[13]。由于采用了單元分解法，分區(qū)的子區(qū)內(nèi)沒有障礙，使得整個(gè)子區(qū)的完整遍歷計(jì)算變得更為簡便，采用了“弓“字型號往復(fù)式路徑算法，其路線圖如圖2-3所示。往復(fù)式路徑起始于一個(gè)分區(qū)的角落，在該地區(qū)中，機(jī)器人在該地區(qū)進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，結(jié)束于區(qū)域的對角線或與起始點(diǎn)在同一側(cè)。圖23往復(fù)式路徑“弓“字型號往復(fù)式路徑較傳統(tǒng)的路線設(shè)計(jì)，明確了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)算法，使得清掃機(jī)器人工作更加高效，同時(shí)也大大的減少了計(jì)算的工作量；解決了整個(gè)工作環(huán)境的不變和局部的異變的問題；與其它多種方法相比，采用單元分解法方法，其原則上簡單，實(shí)施起來比較方便，通過對它的一些修改，可以更好的解決傳統(tǒng)方法的不足，而且劃分子區(qū)也很好的構(gòu)建。2.3避障方法清掃機(jī)器人的避障方案現(xiàn)有隨機(jī)碰撞、三維結(jié)構(gòu)光、三維TOF方案、激光雷達(dá)、視覺避障五大解決方案。早期的清掃機(jī)器人經(jīng)常采用最簡單的隨機(jī)碰撞方式，機(jī)身一圈配備有減震的橡膠材質(zhì)，清潔機(jī)器人沿任意的路徑在房間里發(fā)生碰撞，一旦遇到障礙就會(huì)隨意改變方向，直至發(fā)生下一次碰撞為止，然后再掉頭，如此反復(fù)。這個(gè)方案很簡單粗暴，適用于內(nèi)部空間狹窄的房間，但在空間較大的房間里，效率低下的缺點(diǎn)就會(huì)暴露出來。自從iPhone將3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)應(yīng)用于FaceID之后，3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)就得到了越來越多的運(yùn)用。這種算法精度較高，但是成本很高，并且從接收方到發(fā)送方的距離也會(huì)影響到測試的距離。在光線較強(qiáng)的情況下，其表現(xiàn)非常差，會(huì)被外界光線所擾亂。ToF技術(shù)是一種測量物體與目標(biāo)之間的間距的一種方式。ToF模塊內(nèi)置光源[14]，發(fā)射光線照射到物體上，光線到達(dá)物體后會(huì)被反射回ToF模塊中的感應(yīng)器，通過計(jì)算光在空氣中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間從而確定間距。3DToF是把單個(gè)ToF向多個(gè)方向延伸，其測量的范圍比結(jié)構(gòu)性光要長。但3DToF的缺點(diǎn)是清晰度很差，而且無法提供足夠的影像來躲避障礙物。激光雷達(dá)避障原理同3DToF技術(shù)類似。在精度、反應(yīng)速度、抗干擾能力和作用距離等方面，激光避障技術(shù)要比紅外線、超聲等技術(shù)好得多。缺點(diǎn)是只能對某一平面進(jìn)行掃描，而不能實(shí)現(xiàn)對三維空間的觀察。采用視覺避障技術(shù)僅能獲取平面圖像，不能對3D空間按進(jìn)行觀察。另外，單目視覺識(shí)別的圖像信息不能準(zhǔn)確地反映出各個(gè)目標(biāo)與鏡頭之間的距離，缺少三維空間的信息會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算物體與目標(biāo)之間的距離。本設(shè)計(jì)才用超聲波測距避障技術(shù)，具有原理簡單，技術(shù)成熟，對硬件要求不高，成本更低，使用簡便的優(yōu)勢，具體原理見第三章第八節(jié)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1硬件系統(tǒng)總體框架圖3.1總體框架結(jié)構(gòu)圖控制單元選擇STM32F103ZET6芯片，用來控制清掃機(jī)器人和決策運(yùn)動(dòng)路線；機(jī)器人的移動(dòng)依靠一對帶霍爾編碼器的直流減速電機(jī)；編碼器用來測量電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過AB兩相的相位差來判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向；探測障礙選擇超聲波傳感器HC-SR04；反饋機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)選擇三軸加速度傳感器ADXL345。該系統(tǒng)的供電系統(tǒng)為一個(gè)電壓為12V、容量為3300mAh的鋰電池，為電機(jī)驅(qū)提供電源，并經(jīng)過LM2596線性穩(wěn)壓后為控制單元和各傳感器提供電源。3.2底盤結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)底盤采用圓形結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)在于在轉(zhuǎn)動(dòng)清潔過程中遇到障礙時(shí)，環(huán)形結(jié)構(gòu)能最大限度地減少撞擊力，從而起到對清掃機(jī)器人和室內(nèi)家具的防護(hù)作用。該系統(tǒng)由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)在任何角度上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的萬向輪，C為機(jī)器人的重心位置，D為底盤的直徑，L為左右兩輪的間距，rw為驅(qū)動(dòng)輪的半徑。圖32底盤結(jié)構(gòu)3.3控制單元控制單元的主要作用是與超聲波、紅外、接觸、MPU6050等傳感器進(jìn)行通信讀取數(shù)據(jù)，并通過讀取的數(shù)據(jù)對外界的環(huán)境進(jìn)行建模并控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)策略，其次通過定時(shí)器來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出控制行走電機(jī)、清掃電機(jī)和吸塵電機(jī)的起停和轉(zhuǎn)速。選擇STM32F1系列中的STM32F103ZET6作為控制單元，如圖3-3所示，原理圖如圖3-4所示，其內(nèi)存容量是：64KBSRAM，512KBFLASH，板載資源的高級、通用、基本三種TIMER[15]；SPI、IIC、485和CAN四種通信協(xié)議；5路豐富的串口資源；3個(gè)12位的ADC，轉(zhuǎn)換速率最大可達(dá)到12Mhz；1個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器；112個(gè)通用GPIO端口；內(nèi)置了FSMC，可以將SRAM擴(kuò)展到LCD上，用FSMC來控制LCD，可以大大加快LCD的刷新率。圖3-3STM32F103ZET6芯片圖3-4STM32F103ZET6原理圖3.4電機(jī)智能清掃機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)行走、清掃和吸塵功能離不開電機(jī)。直流減速電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，控制方便的特性，所以本設(shè)計(jì)選用了兩種直流減速電機(jī)：一種為TT馬達(dá)，另一種為帶雙向霍爾編碼器的直流減速電動(dòng)機(jī)。TT馬達(dá)，如圖3-5所示，供電電壓為DC3V，減速比為1：48，大約125轉(zhuǎn)/分，具有抗干擾、成本低的優(yōu)點(diǎn)，主要作為清掃功能和吸塵功能的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。圖3-5TT馬達(dá)實(shí)物圖帶雙向霍爾編碼器的直流減速電動(dòng)機(jī)的具體型號為JGA-25，如圖3-6所示，供電電壓為DC12V，減速比為1：34，主要作為行走電機(jī)來使用。紅線代表馬達(dá)的正電極，黑線條代表馬達(dá)的負(fù)電極，綠線條代表編碼器的負(fù)電極，藍(lán)線代表編碼器的正電極，黃線代表編碼器輸出信號A相位，白線代表編碼器輸出信號B相位[16]。圖3-6JGA-25實(shí)物圖3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的普通GPIO口功率達(dá)不到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，甚至?xí)?dǎo)致單片機(jī)燒掉。使用驅(qū)動(dòng)電路可以使電機(jī)可以正常工作，通過控制通電電壓大小從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)選擇兩塊XY-160D驅(qū)動(dòng)模塊，采用了雙H橋集成電路，如圖3-7所示，主要特點(diǎn)包括：適合額定電壓12V，額定運(yùn)行輸出功率40W，額定運(yùn)行電壓7A的電動(dòng)機(jī)長期滿額運(yùn)轉(zhuǎn)；可同時(shí)分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，每路額定輸出電流7A；供電寬電壓輸入，最高不可超過27V； 可工作于-25℃-80℃的環(huán)境下；通過加銅柱抬高電路板或加絕緣墊的方法避免背面電路短路；信號控制端的地和電源端的地不能連接在一起；電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)不能立即變?yōu)榉崔D(zhuǎn)狀態(tài)，必須使電機(jī)停下來至少0.1s的時(shí)間再去換向，否則會(huì)嚴(yán)重破壞驅(qū)動(dòng)模塊；圖3-7XY-160D驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖圖3-8XY-160D電路原理圖3.6編碼器本系統(tǒng)選擇增量式編碼器霍爾光電型，如下圖3-9所示，由霍爾元件和磁性轉(zhuǎn)臺(tái)組成，該磁性轉(zhuǎn)臺(tái)的輸入軸與被測轉(zhuǎn)速軸連接，待被測轉(zhuǎn)速軸旋轉(zhuǎn)后，該磁性轉(zhuǎn)臺(tái)也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，安裝于該磁性轉(zhuǎn)臺(tái)的霍爾開關(guān)式感應(yīng)器作為檢測裝置，在每個(gè)磁體經(jīng)過時(shí)，會(huì)發(fā)出對應(yīng)的脈沖信號，檢測一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量就可以計(jì)算出被測轉(zhuǎn)速軸旋轉(zhuǎn)速度?；魻柧幋a器的輸出信號由A相和B相組成，各是一組方波，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)的方向向可以根據(jù)AB相的相位順序來確定，根據(jù)AB兩相頻率確定電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖39霍爾編碼器實(shí)物圖圖3-10霍爾編碼器電路原理圖3.7ADXL345清掃機(jī)器人進(jìn)行清潔時(shí)，按照自己的姿勢進(jìn)行下一次移動(dòng)，采用ADXL345三軸加速傳感器判斷機(jī)器人處于何種姿態(tài)。ADXL345能檢測XYZ三個(gè)互相垂直的軸上的加速度變化情況，并且能將加速度值通過數(shù)學(xué)公式算出三個(gè)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，輸出量是數(shù)字信號，如圖3-11所示，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話，醫(yī)療器械，娛樂設(shè)備，定位導(dǎo)航，老年人防摔等場合。該加速度傳感器優(yōu)勢在于：高分辨率。隨g范圍的提高分辨率也將提高，±16g時(shí)高達(dá)13位；量程有多個(gè)選擇。±2-16g可供選擇；靈敏度高。可測小于1.0°的傾角變動(dòng)。可以同時(shí)測定由移動(dòng)和碰撞引起的加速度，也可以測定靜態(tài)的加速度；功耗低。功率消耗可根據(jù)輸出的數(shù)據(jù)速度進(jìn)行調(diào)整，待機(jī)狀態(tài)下只有0.1uA；尺寸小而薄。封裝體積僅為15mm3；寬溫度范圍。-40℃至+85℃；32級先進(jìn)先出隊(duì)列存儲(chǔ)，能有效降低主機(jī)的負(fù)載；圖3-11ADXL345模塊圖ADXL345傳感器的三個(gè)檢測軸如圖3-12所示，在檢測正向加速度時(shí)，檢測軸的正向位置應(yīng)當(dāng)與地心引力的相對。ADXL345必須與機(jī)器人底盤牢固安裝，并將其固定在底盤的重心位置，以便準(zhǔn)確反映機(jī)器人的姿態(tài)，減少測量誤差和減少系統(tǒng)諧波的影響。圖3-12ADXL345的X，Y，Z檢測軸ADXL345與單片機(jī)的連接十分簡便，只要求連接SCL和SDA端口即可，如圖3-13所示圖3-13ADXL345連接圖3.8超聲波傳感器清掃機(jī)器人作業(yè)時(shí)，要時(shí)刻注意觀察周圍的情況，確定房間中障礙物的位置，采取最優(yōu)的移動(dòng)方針，以防止碰撞，同時(shí)為了防止清掃機(jī)器人行走到臺(tái)階處跌落。使用超聲波傳感器可以實(shí)時(shí)探測機(jī)器人與障礙和地面之間的間距，當(dāng)超過設(shè)置的臨界值時(shí)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向或后退，使其偏離軌道，避免碰撞和跌落。超聲波是頻率超過20kHz的，人類不借助儀器無法觀測到的聲波。本機(jī)器人選擇HC-SR04超聲波測距模塊，具有精度高（3mm），體積小，盲區(qū)小，低功率，低成本，動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，在2厘米至400厘米的非接觸范圍檢測效果非常出色，可廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)機(jī)器人項(xiàng)目，如圖3-14所示。該模塊由兩個(gè)陶瓷壓電式超聲波傳感器，外加一個(gè)數(shù)據(jù)處理電路構(gòu)成。其中一個(gè)是超聲波發(fā)射器，發(fā)出8個(gè)脈沖信號，具有40KHz的頻率，另一個(gè)是接受反射的脈沖信號的超聲波接收器。若已發(fā)送的信號被收到，則會(huì)產(chǎn)生一條可以被用來決定該信號在空氣中傳播時(shí)間的輸出脈沖。圖3-14HC-SR04模塊圖圖3-15HC-SR04電路原理圖該模塊由有Vcc、Trig、Echo、GND四個(gè)管腳，電路原理圖見圖3-15所示，其具體作用是：Trig控制所發(fā)射的超聲波信號，被反射的回波由Echo采集，VCC由直流5V供電，GND與STM32F103ZET6共地連接，HCSR-04的基本電氣參數(shù)如表3-1所示：表3-1HCSR-04的基本電氣參數(shù)工作電壓DC5V工作電流15mA運(yùn)行頻率40KHz最大范圍4m最小范圍2cm測距精度3mm測量角度15°觸發(fā)輸入信號10μsTTL脈沖尺寸45mm*20*mm15mm3.9供電系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)由多個(gè)模塊組成且供電電源要求不同，電機(jī)供電電壓DC12V，超聲波傳感器、ADXL345供電電壓DC5V，STM32芯片供電電壓3.3V，因此設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)滿足系統(tǒng)的供電需要。供電電源選擇11.1V可充電鋰電池，如圖3-16所示，由三節(jié)鋰電池電芯組成，容量為3300mAh，尺寸為25.7mm*29mm*91.3mm，使用T插接頭。鋰電池優(yōu)點(diǎn)是綠色、安全、電壓平穩(wěn)、可以在任何時(shí)候充電、持久耐用。圖3-16鋰電池實(shí)物圖為提供3.3V和5V的電壓，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)降壓電路，使用兩個(gè)LM2596SDC-DC可調(diào)降壓模塊，如圖3-17所示，寬電壓輸入，最小2.5V，最高不要36V，采用旋轉(zhuǎn)式電位計(jì)可使輸出的電壓在1.25V到35V之間，輸出的電壓波動(dòng)在30毫伏以下，并且具有3A過熱和短路保護(hù)。圖3-17LM2596S實(shí)物圖圖3-18LM2596S電路原理圖4軟件設(shè)計(jì)4.1主程序程序采用模塊化設(shè)計(jì)，將各個(gè)傳感器的驅(qū)動(dòng)程序都封裝成庫函數(shù)，編寫主函數(shù)時(shí)將超聲波傳感器、三軸加速度傳感器、電機(jī)和霍爾編碼器一一初始化，最后在while中執(zhí)行路徑算法，流程圖如4-1所示。清掃機(jī)器人出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)位于房間的對角線的兩點(diǎn)上，開始向前移動(dòng)，當(dāng)超聲波傳感器檢測到前方存在墻壁時(shí)，控制電機(jī)降低轉(zhuǎn)速，機(jī)器人向右旋轉(zhuǎn)90度，角度通過ADXL345檢測并反饋給單片機(jī)從而控制旋轉(zhuǎn)角，隨后清掃機(jī)器人前進(jìn)M的距離，M為機(jī)器人吸塵器口的寬度，再向右旋轉(zhuǎn)90度繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)下一次檢測到墻壁時(shí)，向左旋轉(zhuǎn)兩次繼續(xù)前進(jìn)。重復(fù)以上步驟實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)地板的清潔工作。圖4-1主程序流程圖4.2超聲波驅(qū)動(dòng)程序HC-SR04的工作方式如下：向Trig管腳提供高電平的脈沖，保持時(shí)間最少在10μS以上，觸發(fā)后可發(fā)射8個(gè)40千赫的方形波，等待被反射的回波；若有回波，Echo管腳會(huì)生成一個(gè)高電平信號，通過其保持的時(shí)間即可算出與前方物體的距離，具體時(shí)序如圖4-2所示。此外，在高溫或低溫條件下，大氣中的聲速會(huì)受到氣溫T和濕度H的影響，此時(shí)聲速計(jì)算應(yīng)按照V聲速=331.4+（0.606*T）+（0.0124*H）來計(jì)算。圖4-2HCSR-04控制時(shí)序圖初試化過程如下：流程圖如圖4-3所示，配置單片機(jī)和Trig連接的IO推挽輸出，和Echo連接的IO下拉輸入；單片機(jī)發(fā)送10us的高電平脈沖到Trig管腳；待Echo端輸出高電平時(shí)觸發(fā)TIM2開始向上計(jì)數(shù)，直到Echo端輸出下降沿停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為高電平持續(xù)的時(shí)間；掃地機(jī)與障礙物之間的距離（cm）=(TIM2->CNT*聲速(340M/S=0.034cm/us))/2≈TIM2->CNT/58圖4-3HC-SR04初始化流程圖4.3ADXL345驅(qū)動(dòng)程序ADXL345支持IIC或SPI的數(shù)字接口接入，為了節(jié)約MCU的IO端口，該方案使用IIC模式，輸出為數(shù)字量。利用STM32F103的普通IO口PA4和PA5模擬IIC時(shí)序，實(shí)現(xiàn)和ADXL345的雙向通信。當(dāng)ALTADDRESS接地時(shí)，ADXL345的IIC地址為0X53，0X3A寄存器寫入數(shù)據(jù)，0X3B寄存器讀取數(shù)據(jù)。初始化步驟如下：流程圖如圖4-4所示，通電之后延遲1.1ms；初始化IIC總線；讀取器件ID；初始化五個(gè)寄存器，即0X2D（節(jié)能性能控制）、0X2C（數(shù)據(jù)傳輸速率和功率模式控制）、0X31（數(shù)據(jù)對齊方式控制）和0X2E(中斷使能控制)；單片機(jī)與ADXL345進(jìn)行雙向通信圖4-4ADXL345初始化流程圖讀取3個(gè)方向的重力加速度值的具體方式是不斷的查詢。讀取到的ADXL345的X，Y，Z方向的加速度值用ax，ay，az代表，∠X為X軸方向角度偏移量，∠Y為Y軸方向角度偏移量，∠Z為∠∠∠4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序XY-160D電機(jī)1號端口控制信號的邏輯如表4-1所示，2號端口控制邏輯與1號相同。表4-1XY-160D控制邏輯IN1IN2ENA1OUT輸出00×剎車11×懸空10PWM正轉(zhuǎn)調(diào)速01PWM反轉(zhuǎn)調(diào)速101全速正轉(zhuǎn)011全速反轉(zhuǎn)該系統(tǒng)使用XY-160D模塊對直流電機(jī)進(jìn)行控制，一個(gè)模塊可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)。例如1號端口，由邏輯圖可以看到，使能端ENA1為高電平時(shí)電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)；ENA1為低電平時(shí)處于停止?fàn)顟B(tài)。若想要控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，在ENA1為高電平條件，IN1拉高，IN2拉低；IN1拉低，IN2拉高，電機(jī)反轉(zhuǎn)。STM32輸出PWM信號可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。PWM是一種利用單片機(jī)輸出的數(shù)字量對模擬回路控制的高效技術(shù)。本設(shè)計(jì)利用TIM3產(chǎn)生PWM，PWM輸出連接驅(qū)動(dòng)器的使能端，初始化流程圖如圖4-5所示，圖4-5電機(jī)初試化流程圖4.5編碼器驅(qū)動(dòng)程序STM32定時(shí)器強(qiáng)大之處在于它有多種工作狀態(tài)，主要有輸入捕獲、輸出比較、PWM、編碼器接口等模式。本設(shè)計(jì)用到了定時(shí)器的編碼器接口模式，通過定時(shí)器配置兩個(gè)IO獲取編碼器的A相和B相信號，判斷兩路輸入信號的頻率和相位差，從而求出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。與常規(guī)IO端口相比，定時(shí)器的編碼器模式具有較強(qiáng)的抗干擾能力，例如，當(dāng)輸入端出現(xiàn)了毛刺時(shí)，該計(jì)數(shù)器仍能工作，而一般的IO端口要做到這一點(diǎn)，就必須人工增加一套程序。編碼測測速方式主要有M法、T法和M/T法三個(gè)方式。由于本設(shè)計(jì)使用增量的霍爾編碼器，所以測量方式主要用M方法，又稱頻率測數(shù)方法，即通過收集在一個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)量，以測算電機(jī)速度。編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的脈沖數(shù)量為N，若在一時(shí)間段T內(nèi)編碼器的輸出脈沖總數(shù)量為M個(gè)，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為:n=MNT。根據(jù)公式，可得出以下結(jié)論:轉(zhuǎn)動(dòng)速度n與時(shí)間段內(nèi)脈沖總數(shù)量M成正比JGA25電機(jī)后軸旋轉(zhuǎn)一次，產(chǎn)生12個(gè)脈沖，又因轉(zhuǎn)速比為1:34，從而電機(jī)的輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生408個(gè)方波，再經(jīng)過4倍頻技術(shù)，AB兩相每次電平的跳變都計(jì)數(shù)，如圖4-6所示，那么每轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖總個(gè)數(shù)將變成為1632個(gè)，極大提高了測速的準(zhǔn)確性。圖46編碼器倍頻初始化過流程圖如圖4-7所示，圖4-7編碼器初始化流程圖5系統(tǒng)測試5.1綜合能力測試智能清掃機(jī)器人遇到障礙物時(shí)能進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)并與原來的軌跡偏移M吸塵口寬度的距離，測試情況如圖5-1所示。通過反復(fù)試驗(yàn)，本方法可達(dá)到96%覆蓋率。圖5-1綜合能力測試5.2供電系統(tǒng)測試圖5-3鋰電池電池電壓測試鋰電池充滿電后的所測電壓如圖5-3所示。圖5-45V降壓測試圖5-53V3降壓測試LM2596S的IN+和IN-分別接DC12V鋰電池的正負(fù)極，萬用表的正負(fù)極分別接在OUT+和OUT-上測量被降壓后的電壓，如圖5-4和圖5-5所示。5V輸出用作超聲波傳感器、三軸加速度傳感器和霍爾編碼器的供電電源，3.3V用作單片機(jī)的供電電源。第六章總結(jié)與展望本文所做的研究工作是設(shè)計(jì)了以STM32F103ZET6為控制單元的智能清掃機(jī)器人，重點(diǎn)研究了路徑規(guī)劃算法和避障方法，對該系統(tǒng)的硬件電路和軟件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在現(xiàn)有軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出了一種以單元分解法為基礎(chǔ)的全覆蓋軌跡規(guī)劃算法。利用超聲