一種智能紅外避障自動掃地機器人的設計
汪光輝，朱晨昊，周正飛，萬敏
摘要：研究一種智能掃地機器人。從硬體系統控制模塊設計到主要技術調試進行了較詳細的闡述。以 STM32 單片機為控制核心與電機驅動、紅外線路徑識別模塊等相互協調應用。進行電路搭建和程序編寫。實現了智能掃地機器人紅外線避障和自動掃地功能，其清掃面積能達到約 70%，清掃率約 60%，很大程度受到自身機械機構的限制，後期將對小車的機械結構進行完善。
關鍵詞：智能設備；掃地機器人；STM32 單片機；避障；循跡。
中圖分類號：TP273 文章編號：1674-2583(2019)06-0078-02
DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2019.06.030
中文引用格式：汪光輝，朱晨昊，周正飛，萬敏.一種智能紅外避障自動掃地機器人的設計[J].集成電路應用, 2019, 36(06): 78-79.
Design of an Intelligent Infrared Obstacle Avoidance Automatic Sweeping Robot
WANG Guanghui, ZHU Chenhao, ZHOU Zhengfei, WAN Min
Abstract — This paper studies an intelligent sweeping robot. From the hardware system control module design to the main technical debugging are described in detail. STM32 MCU is used as the control core to coordinate with motor drive and infrared path recognition module. Conduct circuit building and programming. The functions of infrared obstacle avoidance and automatic sweeping of intelligent sweeping robot are realized. Its cleaning area can reach about 70% and the cleaning rate is about 60%. Because it is limited by its own mechanical mechanism to a great extent, the mechanical structure of the car will be improved in the later stage.
Index Terms — intelligent equipment, sweeping robot; STM32 MCU, obstacle avoidance, tracking.
1 引言
近年來，隨著 AI 技術的突破，核心零部件成本的下降，使越來越多的智能化設備進入人類的家居生活。智能掃地機器人無可厚非是最具代表的服務類機器人，並取得了爆發式的發展。都市繁忙的生活節奏讓最簡單的掃地成為生活累贅，掃地機器人的需求點在於解放繁忙的都市人群，用智能化的方式解放雙手，追求更高品質的生活質量[1-3]。
2 系統結構
本智能掃地機器人控制系統硬體主要是以單片機 STM32F103 為核心，輔助其外圍各模塊在單片機的控制下，相互協調工作，保證智能掃地機器人各種功能的實現。該智能掃地機器人系統框圖如圖1 所示。
3 智能掃地機器人控制系統的硬體模塊
3.1 STM32F103 單片機
作為智能小車核心控制模塊，輸出 PWM 波以及紅外模塊所需的高、低電平。具備 72 MHz ＠1.25 MIPS/min 內核,集成 32～51 KB 的 Flash 存儲器；6～64 KB 的 SRAM 存儲器等。其高性能、低功耗、外設豐富，能夠完成本課題所需所有功能。
3.2 紅外避障模塊
傳感器的紅外發射二極體不斷發射紅外線，當發射的紅外線沒有被反射回來或強度不夠大時，光敏三極體處於閉合狀態，此時模塊的輸出端為高電平，指示二極體一直處於熄滅狀態，被檢測物體出現在檢測範圍內時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極體飽和，此時模塊的輸出端為低電平，指示二極體被點亮。紅外發射反射接收原理如圖 2 所示。
本課題採用 4 個紅外漫反射式傳感器的有效距離範圍為 2～30 cm，從小車形態前方從左至右分別編號為探頭 1、探頭 2、探頭 3、探頭 4。
3.3 電機驅動模塊
本模塊採用 L298N 電機驅動板模塊，輸出高低電平給驅動電機，控制電機正轉、反轉或者停止。利用 STM32 單片機輸出 PWM 波原理來控制直流電機的轉動。
4 路徑規劃軟體的設計
開始，標誌位置1，前進，兩側傳感器判斷是否有障礙，否，返回前進，是，判斷標誌位是否為 0，是，右 S 彎且標誌位置 1，返回前進，否，左 S彎 且標誌位置 0，返回前進。
掃地機器人按照預定指令完成自動清掃功能。路徑規劃軟體流程圖如圖 3 所示。
5 技術調試及結果分析
5.1 路徑規劃
起點從平面左邊平行位置起，智能掃地機器人直行到達牆壁，當探頭 1 和探頭 4 同時感應到障礙物時小車停止，後退 10 cm，然後右轉 90º，而後直行 17 cm，若探頭 1 感應到障礙物，則右轉 90º 完成調頭，若未檢測到障礙物小車執行避障程序。
同理，直行到達對側牆壁時，左轉完成調頭，路徑成 S 形。自動清掃路徑如圖 4 所示。
因為掃地機器人正面與障礙物接觸面積不同，所以在執行避障時設置了不同的轉向角度。探頭 1 避障程序：探頭 1 檢測到障礙物時，表明當前機器人左側靠近障礙物，右轉 45º 避讓。同理，探頭 4 檢測到障礙物時，左轉 45º 避讓。
探頭 2 避障程序：當探頭 2 最先檢測到障礙物時，表明機器人左側遇到障礙物或家居的突出拐角，此時右轉 60º 避讓。同理，當探頭 3 最先檢測到障礙物時，此時左轉 60º 避讓。
探頭 2、探頭 3 避障程序：探頭 2 個探頭 3 同時遇到障礙物時，表明機器人正面遇到障礙物，此時右轉 90º 避讓。
5.2 模式調試
智能掃地機器人後輪由兩個電機驅動來控制，前方為一個萬向輪，能夠很好地實現左右的移動。小車移動過程中，電機驅動電壓的差異使驅動力大小不同，通過控制小車兩個後輪的速度來控制小車的移動方向。自動清掃模式時，以 S 路逕往返清掃。實驗時劃出一片矩形清掃區域，設置不同初始位置，適當在任意位置放置一些障礙物，觀察其清掃面積的大小。清掃效果如表 1 所示。
經實驗結果分析，根據紅外反射傳感器檢測障礙物的位置，能夠自動避障。智能清潔機器人的清掃面積與初始位置有關，清掃面積較大，但邊角處仍無法清掃到。智能掃地機器人清掃工作狀態如圖 5 所示。
6 結語
本課題完成的智能掃地機器人根據路徑規划算法控制機器人的運動軌跡，執行時不斷地檢測周圍環境中的障礙物信息，掃地模塊獨立設計。
實測表明機器人能夠實現自動清掃、實時避障、耗時少又節能的目標。在實驗過程中發現依然有需要改進的地方，如使小車行動更加靈敏、清掃更大體積的垃圾、減小電機的噪聲等，使用戶有更好的使用體驗。
參考文獻
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