摘要：21世纪以来，随着科技水平以及人们生活水平的提高，一些智能化的家用电器如智能清扫机器人受到人们越来越多的关注。目前，智能清扫机器人完成清洁任务的效率和能力也不断地提高，得到十分广泛的应用。智能清扫机器人作为服务机器人的一种，是综合机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、人工智能等许多学科为一体的。智能清扫机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，具有很好的应用前景。
关键词：清扫机器人;智能控制;定位;避障
引言
随着传感器的飞速发展和机械自动化的趋势，以及人们生活观念的不断更新，智能清扫装置已经变得越来越贴合人们的需求，就像当年洗衣机带来的革命一样，智能清扫装置也正在给全世界带来一场“干净”的体验。虽然国内外都对智能清扫装置进行了研究，尤其是在对智能清扫装置的路径规划和控制方面取得了一定的成就;但是其工作效率以及自主能力并没有达到理想的状态，需要解决更加多的传感技术，定位和环境建模技术的问题。本文针对上述问题对智能清扫装置进行了创新，从传感器部分、运动部分、清扫部分、处理器部分、电源部分以及人机接口部分来剖析本智能清扫机器人的设计功能。
1.智能清扫机器人的结构设计
本设计说介绍的智能清扫机器人是一种新型的清扫装置，其中包括它的结构设计。智能清扫机器人的外观设计，这样的外观设计不仅时尚美观操作简易而且拿取方便容易清洗集尘盒。
车体由万向轮组、集尘盒、控制装置以及分别与该控制装置相连并受到其控制的清扫吸尘装置和两驱动轮组。所述的万向轮组设置在车体的底面前部位置，而两驱动轮组则对称设置在该车体的底面中间两侧位置;清扫吸尘装置设置在车体底面尾部的位置，集尘盒则在对应清扫吸尘装置的一侧位置设置在车体的底面上，并与该清扫吸尘器装置的侧开口相连接。
万向轮组包括万向轮架和防滑轮，万向轮架的上端固定在底盘的前部位置，而前滑轮设置在万向轮架的下端;驱动轮组包括驱动电机、驱动后轮以及编码器，该编码器设置在驱动电机上，而驱动后轮通过联轴器设施在驱动电机的转轴上。前滑轮和驱动后轮优先采用橡胶轮胎，可以更大地增加了装置在湿滑地面的可行动性以及行动位置的准确性。万向轮组的两侧位置于底盘各设有一防跌台阶支架，防跌台阶的支架的底部设有与上述控制装置相连接传感器，能够有效避免本产品从台阶上跌落。所述的控制装置包括了控制电路以及分别与该控制电路相连接的电池组和多个红外测距传感器，多个红外测距传感器均匀分布在底盘前部边缘的位置。
2.智能清扫机器人控制系统的硬件设计
智能清扫机器人主要由六个部分组成，分别是运动部分、清扫部分、传感器部分、处理器部分、电源部分以及人机接合部分，每一个部分负责不同的功能。如图1，图2所示，每一种功能都清晰明了。
图1 智能清扫机器人功能分析 图2 智能清扫机器人功能分析
本文所设计的智能清扫装置可以实现在无人干预的情况下，自动地对室内地板进行清扫，实时监测前方障碍物，智能避障，而且能实时计算自己的坐标，记录自己清扫过的位置，以降低清扫路径的重复率，提高清扫效率。当装置的电量不足的时候，还能够自动返回固定的充电座进行充电。本装置分为电源模块、处理器模块、电机驱动模块、传感器模块以及人机接口模块。
2.1电源模块
电源模块对于整个装置来说至关重要，要给整个系统供电。本装置的电源消耗主要分为两部分，吸尘和扫边电机需要提供的能量和控制电路和驱动电路的能耗。选用了可充电的锂电池作为装置的电源。除此之外，还设立了一个固定的充电座，在处理器的路径规划算法中将该固定的充电座作为坐标原点，装置在检测到电池电量不足10%时，就会自动执行回原点操作，以最近的路径返回充电座充电。
2.2处理器模块
处理器是该装置的核心，主要负责及时地处理传感器传回来的信息，将控制信息发给执行机构，控制智能清扫装置避开障碍物并能实时计算自己的坐标，推算出较优的清扫路径。当中包括了128K字节的闪存程序存储器，20K字节SRAM，80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断，3个16位定时器，2个看门狗定时器2个IIC接口，3个USART接口，2个SPI接口，1个CAN接口，1个USB2.0全速接口以及2个12位模数转换器。
核心处理器选用的是三星公司的32位RISC微处理器S3C2440。S3C2440A 采用了ARM920t 的内核，0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture （AMBA），有60个中断源、24个外部中断端口和130个多功能输入/输出端口，能更有效率的实现本装置避障、路径规划等核心功能。
2.3电机驱动模块
本装置使用的是直流电机，直流电机的优点是调速性能好，启动、制动转矩大，易于控制，家庭使用噪音小。
本电动驱动模块包括运动驱动以及清扫驱动两部分，如图10所示。运动驱动主要负责智能清扫装置在房间内的运动，有左轮、右轮和前轮三个轮子组成，在左右轮上分别装上两个独立的直流电机，通过左右轮的差速来控制装置的转向，前轮为万向轮。左右轮的直流电机上装有光电编码器，用于记录两轮的速度，前轮上同样装有记录转过圈数的计数装置，处理器根据左右轮的光电编码器和前轮的技术装置传回的数据来计算出装置转过的角度和走过的距离，实现定位和路径规划。而清扫驱是本装置的执行机构，主要用来清扫地板上的垃圾和灰尘，由毛刷和小型涡轮风机组成。清扫部分工作时，电动机带动两毛刷向不同的方向旋转产生吸力，将地板上的垃圾吸入垃圾盒中。电动机带动小型涡轮风机告诉旋转产生负压，吸取地面上的微尘，保证地面的清洁。
2.4传感器模块
传感器部分是智能清扫装置的“眼睛”和“耳朵”，用来获取外部环境以及自身运动状态的各种信息，本装置主要由红外传感器、压力传感器、光电编码器、温度传感器和湿度传感器组成。它不仅对环境光线适应能力强，而且电路简单、安装调试方便。
红外传感器工作原理与超声波传感器类似，同样采用发射固定波长红外线并接受同一回波的主动方式，它探测视角小，方向性强，测量精度高、反应速度快，探测距离比较近，可以作为智能清扫装置的碰撞传感器。红外传感器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。处理器根据传感器传回的电平信号判断前方有无障碍物。而左右轮的直流电机上装有光电编码器，用于记录两轮的速度，处理器以此来计算出装置转过的角度和走过的距离，来实现定位和路径规划。还有温度传感器和湿度传感器用来实时监测周围环境的温度和湿度。
值得一提的是本装置对于同类清扫装置路径规划和坐标运算的改进，加入了基于零点的坐标运算，以固定的充电座为零点，以所在的地面为XY平面，建立平面坐标系。通过计算自己转过的角度和前轮前进的距离，就可以及时地计算出自己在该坐标的位置。并且根据坐标可以记忆自己走过的路径，记忆自己清扫过的区域，降低路径重复度，提高清扫效率。本设计还有一大亮点，就是设立一个固定的充电座，在处理器的路径规划算法之中将该固定的充电座作为坐标原点，装置在检测到电池电量不足10%的时候就会自动执行回原点操作，以最近的路径返回充电座充电。
2.5 人机接合模块
人机接口部分包括LED显示屏、装置表面按键。LED显示屏主要用来显示装置当前的信息（比如电量、速度等），还可以显示装置所处环境的信息（比如温度、湿度等）。表面按键可以由人来控制装置的启停和运动速度的快慢以及清扫模式。
本智能清扫机器人在保留自动吸尘器基本的避障、清扫功能之外，大大提升了清洁效果，保证了环境卫生。与此同时还额外增加了路径覆盖与路径规划算法，并且加入了手机遥控功能，使得手机可以对本机器装置进行遥控，非常切合时代的发展。使得在遥控模式下也能能够进行更加多的覆盖清扫区域，并且在重点污垢区域，通过手机的蓝牙进行遥控，定点加强清扫，增加其智能性。
3.智能清扫机器人控制系统软件设计
智能清扫机器人低层功能的实现可以把程序分为电动驱动部分和实现功能部分，电机的控制部分是指智能清扫机器人正常工作的基本保障，电机控制能为智能清扫机器人提供动力输出，控制车轮电机实现寻线移动、避障等等功能。而其他的程序则要保证机器人能够实现预定的功能如超声波测速、测距以及定时等等功能。本文主要对避障等功能的软件设计作出详细的描述。
而障碍物探测以及避障的程序，是机器人在运动的过程中利用激光的测距传感器探测障碍物信息并且实现避障，通过判断语句实时的对距离值进行判断，当该值小于或者等于避碰的知的时候就会执行程序，避开障碍物。
具体的代码实现是在STM固件函数库实现的。该函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。该函数库还包括每一个外设的驱动描述和应用实例。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。
4.结语
本文章设计创新开发的智能清扫机器人经过了一系列的调试，硬件电路设计，软件设计;还经过了电机模块，传感器模块的测试调节之后达到了提高清扫效率、位置状态判断准确等设计功能的实现;而且还对设计进行创新，例如加入了手机遥控功能，使用者通过手机的蓝牙进行遥控，定点加强清扫。本智能清扫机器人的创新性更加能够切合人们的要求。
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作者简介：许森巍（1993-）男，浙江杭州人，汉族，大学本科学历，新疆大学机械自动化专业学生。