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智能吸塵機器人控制系統設計之二(深圳大學-劉海,郭小勤)

這一款超聲波傳感器有以下優點:適應各種環境,不受灰塵和光線的影響;盲區為2.5 cm。可以把傳感器安裝在合適的位置就可以避開盲區;探測發散角度為15°,反應距離2.5 m以內,該課題的檢測距離為0.5 m。超聲波傳感器的基本原理是測量從聲波發射和回到接收器所用的時間。這一款傳感器的的發射端口和接收端口是一個管腳,首先由控制器發射一個5μs寬度的高電平脈沖來激發傳感器發射40 kHz的超聲波,脈沖發出750μs后,管腳電平置高;當傳感器接收到回波時,管腳的電平被拉低。由信號端高電平的寬度就可以知道由發射到返回需要的時間,寬度為115μs~18.5 ms之間。公式s=vt/2,其中s表示傳感器與目標的距離;t表示發射到回收的時間;v是聲波速度,v=340 m/s。由此可以知道傳感器與障礙物之間的距離。一次探測時間最多是20 ms,5個傳感器查詢完畢,用時l00 ms,因此兩個相鄰傳感器采用分時段進行使能,就會避免相互干擾,而不會影響機器人速度。

1.2.2 紅外接近傳感器

反射式光電開關是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成,當有障礙物阻攔時光線能夠反射回來,輸出為低電平信號;當沒有障礙物阻攔時,光線不能反射回來,輸出為高電平信號。

吸塵機器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號產生、紅外發射調節與控制、紅外發射驅動、紅外接收等幾個部分。通過38 kHz晶振和非門電路得到一個38 kHz的調制脈沖信號;利用三極管驅動紅外發射管(TSAL6200)的發射。發射管發出的紅外光經物體反射后被紅外接收模塊接收。通過接收頭(HS0038B)內部自帶的集成電路處理后返回一個數字信號,輸入到微控制器的I/O口,如圖3所示。接收頭如果接收到38 kHz的紅外脈沖就會返回輸出低電平,否則就會輸出高電平。通過對I/0口的檢測,便可以判斷物體的有無。

1.2.3 碰撞開關傳感器

兩個槽型對射光電開關均布在機器人左前和右前辦。如此的布局可以使機器人感知來自前方、左前、右前三個方向的障礙物,從而根據障礙物方向的不同做出不同的反應。當機器人碰到障礙物時,彈簧在障礙物的作用下,向內壓迫碰撞開關擺臂,促使簧片擋住光電開關的光線,輸出低電平。當沒有障礙物作用時,簧片在彈簧的作用下恢復,光電開關的光線沒有被遮擋,輸出高電平,如圖4所示。

這三個傳感器中,超聲波傳感器用來探測前方和左右的墻壁、障礙。左邊和右邊的兩個超聲波傳感器垂直于行走方向放置,用于機器人的沿邊行走規劃;設定機器人行走時與墻邊的距離值,調節機器人的行走方向,使兩個超聲波與墻邊的距離近似等于設定值,保持機器人沿墻行走時保持適當的距離,不會撞到或者遠離墻壁。前方兩個碰撞傳感器和一個超聲波配合用來用來探測前半部分的環境;接觸傳感器具有檢測范圍大、信號無需調理、占用資源少的優點,通過接觸碰撞,檢測那些未能被超聲波傳感器檢測到的桿狀障礙比如家具腿等,傳感器之間的位置如圖5所示。

接近傳感器用來探測地面是否有懸崖,在機器人底部的正前、左前、右前和后方各布置1個。除了上述三種傳感器以外,在三個輪子上都裝有一個常開的開關傳感器,當輪子懸空的時候,開關就會閉合,輸出低電平。當輪子懸空時可以讓機器人停止運轉。

2 電機控制系統

在小功率系統中,直流電機線性特性良好,控制性能優越,適合于點位和速度控制。為了實現直流電機的正反轉運行,只需要改變電機電源電壓的極性。電壓極性的變化和運行時間的長短可以由處理器實現,而提供直流電機正常運行的電流則需要驅動電路。

H橋式驅動電路是比較常用的驅動電路。該設計兩個行走驅動電機采用分立器件功率場效應管和續流二極管搭建,成本低,便于散熱,如圖6所示。

用ARM7的P0.8和P0.9來控制電機,這兩個管腳都是PWM輸出管腳,可以控制電機的速度。該部分主要保證機器人能夠在平面內移動,同時輪上帶有編碼器,可以對行走的路程進行檢測。通過航位推算可以實現機器人的轉彎,假設機器人光電碼盤的分度數為N;控制器收到的脈沖數為m;輪子的直徑為D;兩個輪子之間的間距為W,則輪子前進的距離為:


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