基于SLH89F5162的智能清潔機(jī)器人

一、項目設(shè)計背景及概述

清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，所謂服務(wù)機(jī)器人是指自主或半自主的、從事非生產(chǎn)活動、能完成有益于人類健康的服務(wù)工作的機(jī)器人。家庭清潔機(jī)器人集機(jī)械、電子、傳感器、計算機(jī)、控制、機(jī)器入技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體，能夠自動進(jìn)行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達(dá)國家的很多公共場合已經(jīng)開始使用清潔機(jī)器人，隨著清潔機(jī)器人性價比的提高，清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭成為可能。

家用吸塵器作為當(dāng)今家庭的主要的日常清潔工具，會與用戶形成頻繁的互動關(guān)系，產(chǎn)品和消費(fèi)者產(chǎn)生一種直接的接觸與溝通。近些年，智能手機(jī)發(fā)展迅速并得到了廣泛的普及，成為許多人的生活與工作的必需品，如果能夠用手中的智能手機(jī)就完成對吸塵器的的有效控制，將會為人類的清潔工作帶來極大的便利。智能手機(jī)與清潔機(jī)器人結(jié)合，兼具智能手機(jī)良好的操作體驗和清潔機(jī)器人便利又高效的清潔作用。

此次深聯(lián)華單片機(jī)大賽提供的“三防”單片機(jī)給我們提供了一個很好的平臺來實現(xiàn)我們的想法，融合智能手機(jī)以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一種成本低能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式使家庭生活電氣化、智能化使科技更好地為人類服務(wù)。

二、項目設(shè)計原理

2.1、原理概述

清潔機(jī)器人需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動清潔地面。工作時，利用各種傳感器測得環(huán)境信息，并做出決策，實現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)定的任務(wù)。典型的清潔機(jī)器人主要由以下幾個模塊組成：

（1）信息采集模塊

（2）決策模塊

（3）運(yùn)動控制模塊

（4）清掃模塊

這四個部分構(gòu)成了完整的清潔機(jī)器人系統(tǒng)，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當(dāng)前清潔機(jī)器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信息送給決策模塊進(jìn)行決策，控制運(yùn)動控制模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動的同時讓清掃模塊進(jìn)行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。


圖2-1清潔機(jī)器人系統(tǒng)典型組成示意圖

2.2、硬件設(shè)計原理

2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人本體的良好設(shè)計是實現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計的清潔機(jī)器人采用三輪機(jī)構(gòu)的車體，兩個動力輪，一個萬向輪，具有運(yùn)動靈活，控制簡單的優(yōu)點。

機(jī)器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對較高，但步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上比較復(fù)雜：履帶移動方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)小，適于爬坡或者不平的地面；輪式移動方式是最常見的一種地面行進(jìn)方式，其特點是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，但不能爬坡。本設(shè)計中清潔機(jī)器人只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動方式。

超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設(shè)計中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進(jìn)而固定在底盤上。機(jī)器人行進(jìn)時，主要是對要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。

本系統(tǒng)選用雙軸HC02-48強(qiáng)磁電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無抖動。扭力強(qiáng)勁130強(qiáng)磁直流減速電機(jī)，扭力為普通電機(jī)的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力量完美組合。

清掃機(jī)器人的吸塵技術(shù)有兩類：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排除，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。

2.2.2硬件電路設(shè)計

根據(jù)清潔機(jī)器人功能要求，清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、超聲波模塊、藍(lán)牙模塊。

本系統(tǒng)采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術(shù)。SLH89F5162單片機(jī)是一款功能比較強(qiáng)大的單片機(jī)，它擁有兩個全雙工串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機(jī)串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機(jī)內(nèi)部有一個獨立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時器1作為波特率發(fā)生器，也可以使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器；而串口2只能使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。SLH89F5162是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。SLH89F5162單片機(jī)為整個控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機(jī)各個I/O口的特性后。

硬件系統(tǒng)由以下幾個模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時鐘；復(fù)位電路，按鍵后對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位：藍(lán)牙模塊，接收手機(jī)發(fā)送的控制信號；超聲波模塊，進(jìn)行實時測距以躲避障礙物；驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機(jī)工作，實現(xiàn)機(jī)器人的行走。

時鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計中往往是一個關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計不當(dāng)就很有可能使其工作時的產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾；若晶振工作不正常，則會導(dǎo)致整個單片機(jī)系統(tǒng)無法運(yùn)行。SLH89F5162系列單片機(jī)的時鐘輸入接在其14（XTAL2）和15（XTAL1），通常是接一個12M的晶振體。晶振和單片機(jī)引腳之間的連線盡量要短，這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避免晶振的高頻信號過多的干擾周圍線路。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對信號質(zhì)量要求高的器件的線路。

單片機(jī)需要在上電之后給其一個復(fù)位信號才能正常工作，在開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)時也往往要對它進(jìn)行手動復(fù)位，而且當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)供電電壓過低時，程序的運(yùn)行會出現(xiàn)非正常的情況，要求在低壓時也必須對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。SLH89F5162單片機(jī)的RESET引腳為低有效，平時為上拉高電平，復(fù)位時，需要給其一定時間的低電平。

機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強(qiáng)健的電源供給作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中電源分為功率和信號兩部分輸出，即單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波傳感器接口、藍(lán)牙接口的電源由信號電源供應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動、微型吸塵器的電源由功率電源供應(yīng)。

電機(jī)驅(qū)動模塊為清潔機(jī)器人的行駛提供動力，機(jī)器人啟動、行駛和剎車時電機(jī)都會需要較大的驅(qū)動電流，該模塊必須能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會太大。本系統(tǒng)選用了驅(qū)動芯片L298N.

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W.內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。

引腳J1可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。（如果無須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)。）實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)也很容易，輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。（如果信號端IN1接低電平，IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)）控制另一臺電機(jī)是同樣的方式，輸入信號端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)），PWM信號端A控制M1調(diào)速，PWM信號端B控制M2調(diào)速?？蓞⒖急?-2：


表2-2驅(qū)動模塊控制表

清潔機(jī)器人必須知道自身位置，在特定位置或區(qū)域進(jìn)行特定的動作，完成對房間的吸塵任務(wù)。它需要通過傳感器進(jìn)行障礙檢測，并將障礙物信息傳送給MCU，進(jìn)行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對周圍未知環(huán)境進(jìn)行探測。整個傳感器陣列就像是清潔機(jī)器人的“眼睛”，收集周圍未知環(huán)境的某些信息。清潔機(jī)器人中的傳感器數(shù)量比較多，相關(guān)的有用于環(huán)境感知的傳感器、自身定位傳感器，種類繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個重要問題。

方案l：避障用激光傳感器，激光傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的新型傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成，具有能實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量、速度快、精度高、量程大、抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。缺點是激光傳感器價格昂貴，外接電路設(shè)計十分復(fù)雜，不適合小車的需要，因此放棄該方案。

方案2：避障用超聲波傳感器，超聲波傳感器是一種利用超聲波的特性研究的測量傳感器。它主要由壓電晶片組成，用來發(fā)射和接收超聲波。超聲波在空氣里傳播時，會因不同介質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此測量發(fā)射接收信號間的時間差，可以得到障礙物的距離，該信號經(jīng)過運(yùn)算放大器，傳送給控制芯片LPC2132，LPC2132發(fā)出控制信號改變小車的轉(zhuǎn)向，作出對障礙物的正確判斷。超聲波傳感器的優(yōu)點是反應(yīng)速度靈敏，可測距離遠(yuǎn)，收到外界的干擾小，缺點是超聲波在小空間不同方向里會進(jìn)行多次反射，當(dāng)和障礙物形成一定角度時，會發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影，從而動作混亂。

方案3：避障用紅外光電開關(guān)。紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線，遇到障礙物后，光線反射回來，接受的光感三極管導(dǎo)通，單片機(jī)接受到相應(yīng)的電平信號。其優(yōu)點是對近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，信號之間抗干擾能力強(qiáng)，缺點是距離要求近，容易受自然光的影響。經(jīng)過傳感器性價比和課題實際要求的綜合分析，超聲避障實現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，是移動機(jī)器人常用的避障方法，因此我們選擇超聲波傳感器作為機(jī)器人的眼睛［5］。

本系統(tǒng)中采用了US-100超聲波測距模塊，可實現(xiàn)2cm~4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

遙控可以使機(jī)器人的操作更加方便，本系統(tǒng)中要通過智能手機(jī)遙控機(jī)器人，而智能手機(jī)的信號正是通過藍(lán)牙發(fā)出，因此只需在機(jī)器人上安裝藍(lán)牙模塊。由于機(jī)器人只接受數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，所以只需藍(lán)牙的從機(jī)模塊即可。

本系統(tǒng)中采用了型號為HC-06的藍(lán)牙模塊，其中編號06就表示其為從機(jī)模塊，在藍(lán)牙模塊的命名規(guī)則中偶數(shù)命名的型號出廠時就確定了從機(jī)，并無法更改。用戶不可以自己切換主機(jī)或者從機(jī)，用戶可以空過AT指令集對藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置，AT指令集較少，包括修改藍(lán)牙名（限于從機(jī)），修改密碼，修改波特率，詢問版本號等幾個基本功能。