吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

這一款超聲波傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)各種環(huán)境，不受灰塵和光線的影響；盲區(qū)為2．5 cm。可以把傳感器安裝在合適的位置就可以避開盲區(qū)；探測發(fā)散角度為15°，反應(yīng)距離2．5 m以內(nèi)，該課題的檢測距離為0．5 m。超聲波傳感器的基本原理是測量從聲波發(fā)射和回到接收器所用的時(shí)間。這一款傳感器的的發(fā)射端口和接收端口是一個(gè)管腳，首先由控制器發(fā)射一個(gè)5μs寬度的高電平脈沖來激發(fā)傳感器發(fā)射40 kHz的超聲波，脈沖發(fā)出750μs后，管腳電平置高；當(dāng)傳感器接收到回波時(shí)，管腳的電平被拉低。由信號(hào)端高電平的寬度就可以知道由發(fā)射到返回需要的時(shí)間，寬度為115μs～18．5 ms之間。公式s＝vt／2，其中s表示傳感器與目標(biāo)的距離；t表示發(fā)射到回收的時(shí)間；v是聲波速度，v=340 m／s。由此可以知道傳感器與障礙物之間的距離。一次探測時(shí)間最多是20 ms，5個(gè)傳感器查詢完畢，用時(shí)l00 ms，因此兩個(gè)相鄰傳感器采用分時(shí)段進(jìn)行使能，就會(huì)避免相互干擾，而不會(huì)影響機(jī)器人速度。
1．2．2 紅外接近傳感器
反射式光電開關(guān)是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，當(dāng)有障礙物阻攔時(shí)光線能夠反射回來，輸出為低電平信號(hào)；當(dāng)沒有障礙物阻攔時(shí)，光線不能反射回來，輸出為高電平信號(hào)。
吸塵機(jī)器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發(fā)射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個(gè)38 kHz的調(diào)制脈沖信號(hào)；利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管(TSAL6200)的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收。通過接收頭(HS0038B)內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸入到微控制器的I／O口，如圖3所示。接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過對(duì)I／0口的檢測，便可以判斷物體的有無。
1．2．3 碰撞開關(guān)傳感器
兩個(gè)槽型對(duì)射光電開關(guān)均布在機(jī)器人左前和右前辦。如此的布局可以使機(jī)器人感知來自前方、左前、右前三個(gè)方向的障礙物，從而根據(jù)障礙物方向的不同做出不同的反應(yīng)。當(dāng)機(jī)器人碰到障礙物時(shí)，彈簧在障礙物的作用下，向內(nèi)壓迫碰撞開關(guān)擺臂，促使簧片擋住光電開關(guān)的光線，輸出低電平。當(dāng)沒有障礙物作用時(shí)，簧片在彈簧的作用下恢復(fù)，光電開關(guān)的光線沒有被遮擋，輸出高電平，如圖4所示。

這三個(gè)傳感器中，超聲波傳感器用來探測前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個(gè)超聲波傳感器垂直于行走方向放置，用于機(jī)器人的沿邊行走規(guī)劃；設(shè)定機(jī)器人行走時(shí)與墻邊的距離值，調(diào)節(jié)機(jī)器人的行走方向，使兩個(gè)超聲波與墻邊的距離近似等于設(shè)定值，保持機(jī)器人沿墻行走時(shí)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不會(huì)撞到或者遠(yuǎn)離墻壁。前方兩個(gè)碰撞傳感器和一個(gè)超聲波配合用來用來探測前半部分的環(huán)境；接觸傳感器具有檢測范圍大、信號(hào)無需調(diào)理、占用資源少的優(yōu)點(diǎn)，通過接觸碰撞，檢測那些未能被超聲波傳感器檢測到的桿狀障礙比如家具腿等，傳感器之間的位置如圖5所示。

接近傳感器用來探測地面是否有懸崖，在機(jī)器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個(gè)。除了上述三種傳感器以外，在三個(gè)輪子上都裝有一個(gè)常開的開關(guān)傳感器，當(dāng)輪子懸空的時(shí)候，開關(guān)就會(huì)閉合，輸出低電平。當(dāng)輪子懸空時(shí)可以讓機(jī)器人停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)
在小功率系統(tǒng)中，直流電機(jī)線性特性良好，控制性能優(yōu)越，適合于點(diǎn)位和速度控制。為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，只需要改變電機(jī)電源電壓的極性。電壓極性的變化和運(yùn)行時(shí)間的長短可以由處理器實(shí)現(xiàn)，而提供直流電機(jī)正常運(yùn)行的電流則需要驅(qū)動(dòng)電路。
H橋式驅(qū)動(dòng)電路是比較常用的驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)兩個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分立器件功率場效應(yīng)管和續(xù)流二極管搭建，成本低，便于散熱，如圖6所示。

用ARM7的P0．8和P0．9來控制電機(jī)，這兩個(gè)管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)輪上帶有編碼器，可以對(duì)行走的路程進(jìn)行檢測。通過航位推算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機(jī)器人光電碼盤的分度數(shù)為N；控制器收到的脈沖數(shù)為m；輪子的直徑為D；兩個(gè)輪子之間的間距為W，則輪子前進(jìn)的距離為：