基于ARM處理器的吸塵機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著人們生活水平的日益提高，我國(guó)人口的老齡化也越來越明顯，吸塵機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，能夠代替人進(jìn)行清掃房間、車間、墻壁等一些簡(jiǎn)單勞動(dòng)。

　　使服務(wù)機(jī)器人有了廣闊的市場(chǎng)，已成為一些企業(yè)和科研院所研究的焦點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的吸塵機(jī)器人雖然也具有智能性，但大多由于結(jié)構(gòu)不盡合理、通用性差、集成度高而導(dǎo)致成本高，不利于普及。在研究總結(jié)市場(chǎng)上相對(duì)成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，基于ARM Cortex-M3處理器設(shè)計(jì)一款具備自我導(dǎo)航功能的室內(nèi)吸塵機(jī)器人。外形緊湊、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小，并且成本低，操作方便，還具有可擴(kuò)展接口，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其功能做進(jìn)一步開發(fā)。

　　1 吸塵機(jī)器人總體構(gòu)成

　　利用ARM Cortex-M3 處理器設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于室內(nèi)的移動(dòng)清潔機(jī)器人，主要任務(wù)是能夠自主清掃房間，因此應(yīng)該具備以下功能：

　　（1）能正確判斷機(jī)器人所處的房間和在房間中所處的方位；

　?。?）能正確檢測(cè)出房間內(nèi)的墻壁、家具等障礙物；

　　（3）在游歷完所有房間完成清掃任務(wù)后能自主回到出發(fā)點(diǎn)，關(guān)機(jī)。

　　為了防止機(jī)器人在工作時(shí)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且能自由進(jìn)入一些家具比如沙發(fā)、桌子等的底下，吸塵機(jī)器人不能太高，外形采用半圓柱形。底盤由四個(gè)輪子共同支撐，其中左右兩側(cè)為驅(qū)動(dòng)輪，分別由兩個(gè)微型直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，前后兩個(gè)萬向輪起到支撐和導(dǎo)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(jī)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(cè)障礙物；在機(jī)器人的前方裝有碰撞傳感器；前方和左右裝有超聲波測(cè)距傳感器，用來檢測(cè)周圍環(huán)境。

　　總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　2 硬件主體設(shè)計(jì)

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

　　2.1 ARM Cortex-M3處理

　　機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)傳感器和編碼器等反饋回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行清掃路徑規(guī)劃，控制清掃、吸塵機(jī)構(gòu)，完成各種控制動(dòng)作。設(shè)計(jì)合適的人機(jī)接口，在LCD上顯示機(jī)器人狀態(tài)和運(yùn)行時(shí)間。因此，機(jī)器人控制系統(tǒng)包括傳感器模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)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(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力，工作電流僅為50 mA.

2.2 電機(jī)模塊

　　分成小電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和兩路大功率驅(qū)動(dòng)板，包括用于行走的兩個(gè)小直流電機(jī)和用于吸塵的大功率無刷直流電機(jī)、掃地的直流滾刷電機(jī)、掃邊角的直流邊刷電機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)分別決定機(jī)器人的行走路徑和吸塵功率，所以設(shè)計(jì)了專門的驅(qū)動(dòng)板，如圖2所示。行走模塊的設(shè)計(jì)對(duì)吸塵機(jī)器人避障規(guī)劃有著至關(guān)重要的作用，我們將吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)控制，主要包括驅(qū)動(dòng)電路和光電編碼反饋電路。光電編碼反饋電路通過計(jì)算反饋回來的脈沖數(shù)量和相位而得到當(dāng)前的電機(jī)速度。芯片最高可以驅(qū)動(dòng)25 V 的電機(jī)，吸塵機(jī)器人里行走電機(jī)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(jī)。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(cè)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(cè)的傳感器（檢測(cè)電池電量、塵桶、電機(jī)堵轉(zhuǎn)懸空）。傳感器模塊使機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境做出正確判斷，為順利完成任務(wù)提供智能決策。

　?。?）超聲波測(cè)距傳感器模塊

　　室內(nèi)吸塵機(jī)器人由于工作環(huán)境的原因，必須具備檢測(cè)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(cè)技術(shù)，在空氣中傳播不受光線、煙霧、電磁場(chǎng)等外界因素的干擾，與紅外傳感器相比，超聲傳感器感應(yīng)距離更遠(yuǎn)，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以有效地完成障礙物的檢測(cè)。