吸尘机器人控制系统设计

    这一款超声波传感器有以下优点：适应各种环境，不受灰尘和光线的影响；盲区为2．5 cm。可以把传感器安装在合适的位置就可以避开盲区；探测发散角度为15°，反应距离2．5 m以内，该课题的检测距离为0．5 m。超声波传感器的基本原理是测量从声波发射和回到接收器所用的时间。这一款传感器的的发射端口和接收端口是一个管脚，首先由控制器发射一个5μs宽度的高电平脉冲来激发传感器发射40 kHz的超声波，脉冲发出750μs后，管脚电平置高；当传感器接收到回波时，管脚的电平被拉低。由信号端高电平的宽度就可以知道由发射到返回需要的时间，宽度为115μs～18．5 ms之间。公式s＝vt／2，其中s表示传感器与目标的距离；t表示发射到回收的时间；v是声波速度，v=340 m／s。由此可以知道传感器与障碍物之间的距离。一次探测时间最多是20 ms，5个传感器查询完毕，用时l00 ms，因此两个相邻传感器采用分时段进行使能，就会避免相互干扰，而不会影响机器人速度。
1．2．2 红外接近传感器
    反射式光电开关是由红外LED光源和光敏二极管或光敏晶体管等光敏元件组成，当有障碍物阻拦时光线能够反射回来，输出为低电平信号；当没有障碍物阻拦时，光线不能反射回来，输出为高电平信号。
    吸尘机器人的近距离红外接近传感器由两组相同的红外发射、接收电路组成。每一组电路可分为高频脉冲信号产生、红外发射调节与控制、红外发射驱动、红外接收等几个部分。通过38 kHz晶振和非门电路得到一个38 kHz的调制脉冲信号；利用三极管驱动红外发射管(TSAL6200)的发射。发射管发出的红外光经物体反射后被红外接收模块接收。通过接收头(HS0038B)内部自带的集成电路处理后返回一个数字信号，输入到微控制器的I／O口，如图3所示。接收头如果接收到38 kHz的红外脉冲就会返回输出低电平，否则就会输出高电平。通过对I／0口的检测，便可以判断物体的有无。
1．2．3 碰撞开关传感器
    两个槽型对射光电开关均布在机器人左前和右前办。如此的布局可以使机器人感知来自前方、左前、右前三个方向的障碍物，从而根据障碍物方向的不同做出不同的反应。当机器人碰到障碍物时，弹簧在障碍物的作用下，向内压迫碰撞开关摆臂，促使簧片挡住光电开关的光线，输出低电平。当没有障碍物作用时，簧片在弹簧的作用下恢复，光电开关的光线没有被遮挡，输出高电平，如图4所示。

    这三个传感器中，超声波传感器用来探测前方和左右的墙壁、障碍。左边和右边的两个超声波传感器垂直于行走方向放置，用于机器人的沿边行走规划；设定机器人行走时与墙边的距离值，调节机器人的行走方向，使两个超声波与墙边的距离近似等于设定值，保持机器人沿墙行走时保持适当的距离，不会撞到或者远离墙壁。前方两个碰撞传感器和一个超声波配合用来用来探测前半部分的环境；接触传感器具有检测范围大、信号无需调理、占用资源少的优点，通过接触碰撞，检测那些未能被超声波传感器检测到的杆状障碍比如家具腿等，传感器之间的位置如图5所示。

    接近传感器用来探测地面是否有悬崖，在机器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1个。除了上述三种传感器以外，在三个轮子上都装有一个常开的开关传感器，当轮子悬空的时候，开关就会闭合，输出低电平。当轮子悬空时可以让机器人停止运转。

2 电机控制系统
    在小功率系统中，直流电机线性特性良好，控制性能优越，适合于点位和速度控制。为了实现直流电机的正反转运行，只需要改变电机电源电压的极性。电压极性的变化和运行时间的长短可以由处理器实现，而提供直流电机正常运行的电流则需要驱动电路。
    H桥式驱动电路是比较常用的驱动电路。该设计两个行走驱动电机采用分立器件功率场效应管和续流二极管搭建，成本低，便于散热，如图6所示。

    用ARM7的P0．8和P0．9来控制电机，这两个管脚都是PWM输出管脚，可以控制电机的速度。该部分主要保证机器人能够在平面内移动，同时轮上带有编码器，可以对行走的路程进行检测。通过航位推算可以实现机器人的转弯，假设机器人光电码盘的分度数为N；控制器收到的脉冲数为m；轮子的直径为D；两个轮子之间的间距为W，则轮子前进的距离为：

    
    设机器人在环境坐标系中的位姿为(X(t)，Y(t)，φ(t))，则第n+1次采样的方位角φn+1值和第n次采样的φ值有以下关系：
   

式中：vR(t)和vL(t)分别是在t时刻两轮的速度；△SLn和△SRn为两个主动轮从第n次采样时刻到第n+1次采样时刻之间所行走的距离。

   
    如果规定要进行原地转弯，就是一个轮子正转，另外一个轮子反转的方式那么：

4 结 语
    清洁机器人作为服务机器人的一种，有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景。随着传感技术的发展和微处理器的不断进步，价格也在不断下降。在此研究和设计一个基于ARM7微处理器的清洁机器人控制系统，不仅满足了实用性的要求，而且在不增加成本的基础上为软件提供了良好的硬件支持，为更好的算法和软件升级提供良好的技术支持。