基于 STM32 单片机的智能扫地机器人的设计
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年3月11日 10:24
杨开建 黄 顺 张 莉 黎澳华 高梦琴
（衡阳师范学院物理与电子工程学院 湖南 衡阳 421002）摘 要：通过电子技术和机械装置设计了一款智能扫地机器人，可完成自动清扫、吸尘、擦地等地面清理工作。该设计以 STM32 单片机为核心控制器，使用 GGPM01 陀螺仪传感器获取平面旋转角度值来对扫地机器人的位置进行精准判断，实现扫地机的智能路径规划功能。为了让扫地机更加智能化，该设计还增加了自主回充系统，语音播报系统等，从而彻底的解放人们的双手，改变传统的扫地方式。
关键词：控制系统；智能扫地机器人；路径规划
基金项目：湖南省大学生研究性学习与创新性实验项目(CX1812)。
引言
扫地机器人作为一款智能家居产品，具有一定的智能化，能够自主进行清扫工作，节约时间，提高工作效率，因此逐渐的被人们所接受。可以预见，智能扫地机器人将会普及到每一个普通家庭，甚至会在不久的将来逐步地取代人工清洁。于是设计一款易操作，低成本，高效率的扫地机器人具有重大研究意义。本文通过改进扫地机器人的机械结构以及使用合理的控制技术,成功降低扫地机的成本，并提高其工作效率。扫地机器人采用刷扫和真空两种方式，将地面杂物先吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清理的功能。扫地机器人通过遥控器能设定时间预约打扫，自行充电。此外，前方有设置传感器，可侦测障碍物，如碰到墙壁或其他障碍物可实现避让，自动在房间内完成地板清理工作 [1] 。
1系统设计方案
1.1硬件结构设计
智能扫地机器人硬件主要由信息采集电路、主控电路、执行系统三大部分组成。信息采集电路由陀螺仪传感器、红外传感器、开关电路及按键电路组成。扫地机的信息采集电路把采集到的环境信息传输给主控电路的控制器，控制器通过处理采集的信息，输出控制信息给执行系统，由执行系统完成控制器的指令。执行模块主要由电机驱动电路，语音模块及WiFi模块组成。硬件结构电路图如图1。
图1硬件结构图
信息采集电路中使用GGPM01陀螺仪传感器来获取平面旋转角度值，对陀螺仪传感器获取的数据采用卡尔曼滤波法[2]进行滤波，得到准确的平面旋转角度值，来判断机器人自身的运动状态。该传感器具有更高的准确度，卓越的稳定性以及更快的反应速度，能提高扫地机的工作效率。
扫地机需要在房间不同的位置清扫，不同位置的障碍物颜色和光照强度不同，会导致红外传感器检测的距离不准从而使扫地机不能正确躲避障碍物。因此本文提出了使用接触式开关电路来弥补红外传感器探测障碍物时的不足，扫地机的左上角和右上角各装有一个朝前的红外传感器用来检测距离，前面边沿处装有接触式开关电路。当扫地机执行清扫任务时，如果红外传感器检测的距离不在主控制器设置的范围内，这时主控制器以接触式开关电路采集的信息为主，响应控制方案，输出执行信息给执行系统完成准确避障。扫地机上的红外传感器还能分辨出扫地机是沿墙清扫还是探地清扫，探地清扫的速度比沿墙清扫的速度快，从而减少扫地机的电量消耗。按键电路用来预设清扫时间。
扫地机前面的正下方装有一个朝下的红外传感器，用来判断扫地机是否悬空，还具有防止跌落的作用。当扫地机悬空时，红外传感器把检测扫地机与地面的距离传给主控器，主控器将信息处理后，通过ISD2360语音模块播报“停机悬空请放回地面”，用来提示主人扫地机已停止工作。若通过红外传感器检测到前方台阶有悬空，扫地机能自动更改清扫路径，避免从台阶跌落。
主控制器是由意法半导体公司生产的STM32F103VET6芯片，具有高性能，低功耗，低成本，I/O口资源广泛等优点，但是每个I/O口输出的电流只有20mA，不能直接驱动电机，因此，本设计采用A4950驱动芯片，驱动步进电机，该芯片具有输出电流大，工作电压广，低功耗等优点。
1.2软件结构设计
在软件系统中，将UCOSII系统移植到STM32F103VET6中作为控制器的操作系统，使用卡尔曼滤波算法读取陀螺仪反馈的数据，PID算法控制扫地机的运行速度，PWM波控制轮子的转速，来实现扫地机路径规划。
路径规划中扫地机通过自身的外围传感器采集环境信息，设立初始点（0,0）,采用“工”字移动方式，沿墙一侧的方向建立X轴，另一侧为Y轴构成二维地图，第一次沿X轴探索清扫，并分别标记途中的障碍物和墙壁，将X轴清扫完成后并记忆清扫的区域，返回初始点，再沿Y轴方向的区域清扫并记忆清扫区域
[3] 。当遍历整个房间后，扫地机会自动去清扫未被清扫的区域，并根据扫地机周围的障碍物选择不同的速度清扫，清扫完毕后通过ISD2360语音模块播报“清扫完成”。
1.3路径测试
为了更好地解决扫地机路径规划和避障问题，搭建了一个测试环境，环境左、右、后侧由墙壁组成，前侧采用木屉模拟墙壁，底面为白色瓷砖，中间放有障碍物。利用华为手机的相机拍摄，将相机设置为流光曲线功能，相机能够根据扫地机的移动画出扫地机的运动轨迹。通过遥控器一键式启动扫地机，拍摄图如图2，由图可以清晰地看到扫地机的运动轨迹，从运动轨迹可见扫地机能自动避障，清扫区域覆盖全面，解决了传统扫地机的避障能力弱，清扫区域覆盖不全的问题。
图2测试图
2总结
本文设计的智能扫地机器人具有低成本，避障能力强，清扫覆盖率高的特点，同时还解决了扫地机因台阶跌落和红外传感器探测障碍物不足的问题。扫地机能够高空清扫，但是还有很大的改进空间，比如让它具备实时监控和报警等功能。■
参考文献
[1]郑文君, 李丹. 家居智能清扫机器人系统设计[J]. 中小企业管理与科技旬刊, 2014(34):210-211.
[2] 戴冬冰. 基于卡尔曼滤波的陀螺仪数据处理 [J]. 数字技术与应用, 2014(5):119-119.
[3]王磊, 杨杰, 许旻. 全自主清扫机器人的运动分析与路径规划[J]. 机电一体化, 2007, 14(2):70-73.
