自动清扫机器人研究

张健　陈立伟　郭玉骄　尚彦娜　章晓东

摘要：自动清扫机器人是基于自动控制基础上，以飞思卡尔芯片为主控芯片，以超声波传感器、红外避障传感器等传感器为辅，利用各种客观条件进行判断，以达到机器人自动遍历、清扫垃圾、对垃圾进行分类以及自动充电等功能。文章对自动清扫机器人进行了研究。

关键词：自动清扫机器人；飞思卡尔芯片；超声波传感器；红外避障传感器；自动控制 文献标识码：A

中图分类号：TP242 文章编号：1009-2374（2015）10-0010-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0858

随着科学的发展，时代的进步，越来越多的产品趋于自动化，电子类产品发展日新月异，给人们带来了各种生活上的便利，比如声控灯、光控灯、智能家居等。本项目很好地解决了上述的各种问题，经过我们项目组的调查，自动清扫类机器人在市场上就目前来看还是一个盲区。而本项目就是设计、制作的一个针对于学校及公司实验室的自动清扫机器人模型，该机器人仅以一片飞思卡尔芯片为核心芯片，以各种传感器为辅，通过自动控制便能实现自动避障、遍历、清扫、自动充电、垃圾分类等一系列功能。该机器人结构虽然复杂，但是所用器材均是市场常见，价格低廉，且具有普遍性，造价较低，具有很好的市场前景。

1 自动清扫机器人的系统结构和组成

本系统是由机械结构、控制器、电机驱动、稳压、自动充电电源等部分共同构成自动清扫机器人。

1.1 系统机械结构

本自动清扫机器人是利用边刷与舵机来控制垃圾分类，其机械结构如图1所示，系统的机械结构由车体、四驱、大型机械抓等组成。系统的控制采用双舵机协调控制，多个传感器协同判断以及垃圾分类等。能够在机器人正常运行的情况下，顺利完成自动避障、遍历、清扫、垃圾分类以及自动充电等功能。保证实验室的清洁。

图1 系统机械结构示意图

1.2 控制器组成

飞思卡尔（MC9S12XS128）芯片为主控，用来控制各个传感器，选用飞思卡尔作为主控芯片的主要原因是其共有128个引脚，相对于51单片机，大大地增加了引脚数目，因此能够连接更多的传感器，另外飞思卡尔芯片在处理速度上要比51单片机快得多，这样便不会导致判断失误等情况，例如，当避障传感器检测到障碍物时，将信号传给主控芯片，此时，主控芯片有较高的处理速度，能够尽快处理，因而机器人能够做出较快的反应，不会导致程序紊乱。超声波传感器测距，主要用于遍历，利用其测量机器人距障碍物距离来实现该功能。在此处，选择超声波传感器而不选择红外避障，主要是因为超声波传感器能够将距离的大小测出来，机器人可以通过所得数据来判断自己的位置。另外，当机器人移动时，可通过超声波传感器传回的数据控制机器人能够等间隔的移动，因此达到遍历的目的。红外避障传感器，利用其配合使用，分别实现细微避障、识别大垃圾、垃圾分类等功能。红外避障传感器相比于超声波模块，其精度要高一些，因此到机器人移动时，碰到障碍物会准确地检测出来，此时机器人便可以根据传感器的数据来判断机器人距离障碍物有多远，从而达到更好的效果。另外，在垃圾分类处理方面也采用通过避障传感器来判断垃圾类型。在垃圾清理时，边刷清扫小垃圾，舵机控制的机械臂来夹收大垃圾。此外，机器人还配备无线遥控器，机器人分为自动控制和手动控制，人们可根据不同的需要选择自己的控制方式，在必要时，人们可以选择人工控制方式。

2 自动清扫机器人电路原理

2.1 自动清扫机器人电路原理图

2.1.1 主控芯片。主控芯片采用飞思卡尔MC9S12XS128作为主控芯片，其包含1个SPI模块，8路16位计数器，1个CAN总线模块，4个外部中断，8路PWM，112管脚。由此可见该芯片引脚众多，因此可以连接较多的传感器，相对于51单片机，大大增加了引脚数目，因此能够连接更多的传感器，另外飞思卡尔芯片在处理速度上要比51单片机快得多，这样便不会导致判断失误等情况，例如，当避障传感器检测到障碍物时，将信号传给主控芯片，此时，主控芯片有较高的处理速度，能够尽快处理，因而机器人能够做出较快的反应，不会导致程序紊乱。

2.1.2 稳压电路。由于该机器人需要连接舵机、步进电机、直流电机、超声波传感器、避障传感器、红外对管传感器等耗电元器件，因此在控制机器人时，电源部分也是非常重要的一部分，于是我们采用如图2所示电路，以此来提高输出电流。

图2

2.2 自动清扫机器人封装电路图

2.2.1 最小系统板封装图。该图为最小系统板封装电路图，其中线路可通过合理的布局来提高电路数据传输的准确性，可以使机器人运行更为稳定。

图3

2.2.2 稳压电路封装图。该电路为稳压模块的封装电路图，在其中可以看到较多的粗线，通过这么多粗线，我们可以传输较大的电流，以保证对机器人供电稳定。

图4

3 控制软件算法设计

本系统在算法设计上采用了PID算法设计，PID调节器中的P为比例环节，起放大作用。I为积分环节，可以消灭稳态误差。D为微分环节，可以加快系统的反应。直流电机中加入PID调节器，可以实现快速启动。当系统中突发干扰、负载变化或者使用者主动调速是，PID环节可以帮助电机缩减过渡时间、进入新的稳定状态。根据整定参数后各个值，来计算整个系统各PWM的值。采用PID算法可以使机器人在整个运行过程中，动作流畅，判断准确，相比于其他控制算法有较多的优势。

4 实验结果

本系统在测试过程中，无外物干扰，一切运行正常，自动清扫无误，电池电压低时机器人会自动回到电源处充电，能够完成自动清扫任务、自动充电任务。实验结果表明，该机器人可以独立完成自动清扫任务，大大节省了人力，并且可以自动遍历，适应性强，可面向市场，且大规模生产。

5 结语

本文对自动清扫机器人的硬件制作、电路原理以及软件控制原理都做出了系统的介绍，系统结合了硬件模拟电路控制和单片机程序控制两种方式，利用模拟电路实现各部分运行基础，以程序为运行核心，进行一系列自动清扫，构成整个系统。该产品在测试过程中，表现出了灵活、准确、高效等特点，而且该产品应用价值较高，大大节约了人力资源，具有较好的市场前景。

参考文献

[1] 胡寿松，王执铨，胡维礼，等.最优控制理论与系统[M].北京：科学出版社，2005.

[2] 陈建明.自动控制理论[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 陈永强，魏金成，吴昌东，等.模拟电子技术[M].北京：人民邮电出版社，2013.

基金项目：西北民族大学国家大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：201410742015）。

作者简介：张健，男（满族），河北滦平人，西北民族大学电气工程学院本科在读学生，研究方向：电子信息工程。

（责任编辑：周 琼）