基于ARM處理器的吸塵機(jī)器人硬件設(shè)計

　　本文選用的是US-100 超聲波測距模塊可實現(xiàn)0~4.5 m的非接觸測距功能，擁有2.4~5.5 V的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA,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，工作穩(wěn)定可靠。在機(jī)器人的前后各安裝兩個超聲波傳感器，處理器產(chǎn)生40 kHz的脈沖經(jīng)I/O口輸出，再經(jīng)過與非門以及三極管放大形成極性相反的兩路脈沖輸入超聲波發(fā)射頭的兩個引腳，探頭便可發(fā)出一連串40 kHz的超聲波，遇障礙物后返回給接收電路，處理器同時控制門電路，以實現(xiàn)發(fā)射波的間斷如圖3所示。超聲波接收端通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，把經(jīng)障礙物反射回的信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過低噪聲放大和帶通濾波，再比較產(chǎn)生中斷給處理器進(jìn)行時間測量，從而做出障礙物的距離判斷，如圖4所示。

（2）紅外和碰撞傳感器模塊

　　本吸塵機(jī)器人在工作時對于遠(yuǎn)距離障礙物主要利用超聲波測距，但是超聲波對近距離障礙物不敏感，所以增設(shè)紅外模塊進(jìn)行近距離檢測，根據(jù)能量反射法設(shè)計紅外測量模塊。機(jī)器人前后安裝兩組紅外傳感器，每組由多達(dá)14組紅外發(fā)射接收管組成，在機(jī)器人的上面和底盤各安裝14個，每上位和下位的2個紅外發(fā)射和接收管并聯(lián)并且指向同一個方向構(gòu)成一組，每一組電路可分為高頻脈沖信號產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動、紅外接收等幾個部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個38 kHz的調(diào)制脈沖信號；利用三極管驅(qū)動紅外發(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數(shù)字信號，輸入到微控制器的I/O口，如圖5所示。

　　接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會返回輸出低電平，否則就會輸出高電平。通過對I/O口的檢測，便可以判斷物體的有無。這樣一共可以檢測14個方向，覆蓋360°范圍。機(jī)器人對前后的近距離障礙物都能檢測，前進(jìn)后退都能工作，這種由2個紅外接收管組成測障傳感器有效距離接近2 m,并且還能夠在球非常近的范圍內(nèi)（10 cm內(nèi)）讀取障礙物距離結(jié)果（沒有溢出）。

　　在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后4個方位安裝四個碰撞開關(guān)（常開），通過采集模擬口上電壓值的變化，判斷出其中的一個或幾個碰撞開關(guān)閉合，從而檢測出哪個方向有碰撞發(fā)生。

　　2.4 人機(jī)交互模塊

　?。?）液晶顯示和鍵盤輸入：兩者配合使用可以設(shè)置機(jī)器人各種參數(shù)，如自主啟動、設(shè)置工作時間等。

　?。?）無線遙控模塊：紅外遙控使機(jī)器人的使用更加方便簡單，發(fā)射距離超過10 m,能滿足需要。

　　3 結(jié)語

　　通過這樣的硬件設(shè)計，清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，既能滿足良好的實用性，還降低了成本，工作穩(wěn)定可靠。機(jī)器人傳感器模塊能精確定位障礙物，通過軟件策略能實現(xiàn)良好的避障。對將來家用服務(wù)機(jī)器人的研究與開發(fā)有著重要現(xiàn)實意義。