基于ARM處理器的吸塵機器人硬件設計

　　0 引言

　　隨著人們生活水平的日益提高，我國人口的老齡化也越來越明顯，吸塵機器人作為服務機器人的一種，能夠代替人進行清掃房間、車間、墻壁等一些簡單勞動。

　　使服務機器人有了廣闊的市場，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點。目前市場上的吸塵機器人雖然也具有智能性，但大多由于結(jié)構不盡合理、通用性差、集成度高而導致成本高，不利于普及。在研究總結(jié)市場上相對成熟產(chǎn)品的基礎上，基于ARM Cortex-M3處理器設計一款具備自我導航功能的室內(nèi)吸塵機器人。外形緊湊、結(jié)構簡單、運行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴展接口，用戶能夠根據(jù)實際需要對其功能做進一步開發(fā)。

　　1 吸塵機器人總體構成

　　利用ARM Cortex-M3 處理器設計一款應用于室內(nèi)的移動清潔機器人，主要任務是能夠自主清掃房間，因此應該具備以下功能：

　?。?）能正確判斷機器人所處的房間和在房間中所處的方位；

　?。?）能正確檢測出房間內(nèi)的墻壁、家具等障礙物；

　?。?）在游歷完所有房間完成清掃任務后能自主回到出發(fā)點，關機。

　　為了防止機器人在工作時出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且能自由進入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤由四個輪子共同支撐，其中左右兩側(cè)為驅(qū)動輪，分別由兩個微型直流電機直接驅(qū)動，前后兩個萬向輪起到支撐和導向的作用。采用碰撞、紅外傳感器、超聲波等組成多傳感器系統(tǒng)。在機器人的上方裝有紅外接收傳感器，底盤邊緣均勻分布裝有接近傳感器，用來檢測障礙物；在機器人的前方裝有碰撞傳感器；前方和左右裝有超聲波測距傳感器，用來檢測周圍環(huán)境。

　　總體框架設計如圖1所示。

　　2 硬件主體設計

　　硬件系統(tǒng)主要由ARM Cortex-M3處理器、傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊、無線遙控發(fā)射模塊組成。

　　2.1 ARM Cortex-M3處理

　　機器人控制系統(tǒng)的主要任務是根據(jù)傳感器和編碼器等反饋回來的數(shù)據(jù)，進行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機構，完成各種控制動作。設計合適的人機接口，在LCD上顯示機器人狀態(tài)和運行時間。因此，機器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機驅(qū)動模塊，紅外遙控接收模塊、LED 指示燈和液晶顯示模塊。采用ARM Cortex-M3處理器作為機器人控制系統(tǒng)的核心，主要是低成本、小管腳數(shù)和低功耗，并且具有極高的運算能力和極強的中斷響應能力，工作電流僅為50 mA.

2.2 電機模塊

　　分成小電機驅(qū)動電路和兩路大功率驅(qū)動板，包括用于行走的兩個小直流電機和用于吸塵的大功率無刷直流電機、掃地的直流滾刷電機、掃邊角的直流邊刷電機。因為電機分別決定機器人的行走路徑和吸塵功率，所以設計了專門的驅(qū)動板，如圖2所示。行走模塊的設計對吸塵機器人避障規(guī)劃有著至關重要的作用，我們將吸塵機器人設計成一個閉環(huán)控制，主要包括驅(qū)動電路和光電編碼反饋電路。光電編碼反饋電路通過計算反饋回來的脈沖數(shù)量和相位而得到當前的電機速度。芯片最高可以驅(qū)動25 V 的電機，吸塵機器人里行走電機的工作電壓為24 V,芯片的電壓為5 V,芯片輸出的PWM 波轉(zhuǎn)化成大電壓PWM波控制電機。其極限參數(shù)如表1所示。

　　2.3 傳感器模塊

　　主要包括3部分：用于測量和感知障礙物的超聲模塊、紅外和碰撞傳感器，用于狀態(tài)檢測的傳感器（檢測電池電量、塵桶、電機堵轉(zhuǎn)懸空）。傳感器模塊使機器人對周圍環(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務提供智能決策。

　?。?）超聲波測距傳感器模塊

　　室內(nèi)吸塵機器人由于工作環(huán)境的原因，必須具備檢測各種大小、高低、顏色的障礙物，超聲波是一種非接觸式的檢測技術，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應距離更遠，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測距系統(tǒng)可以有效地完成障礙物的檢測。