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摘 要： 设计一款具有自主吸尘功能并且结构简单、成本低的小型家用吸尘机器人，实现了室内半自动或者全自动的清洁工作，从一定程度上代们做繁杂的家务。在硬件选型上，以ARM Cortex??M3处理器为核心，设计了专门的电机驱动板，通过光电编码反馈电路实现行走模块的闭环控制。主要对传感器模块进行开发，通过合理布置传感器，采用多种传感器融合，使超声波和红外光电传感器协调工作实现对远近距离障碍物的精确检测，提高了对障碍物的准确识别，能够实现自主避障吸尘。
关键词： 吸尘机器人； 硬件策略； ARM处理器； 超声传感器； 红外测障传感器
1004?373X（2013）12?0103?03
随着人们生活水平的日益提高，我国人口的老龄化也越来越明显，吸尘机器人作为怎么写作机器人的一种，能够代进行清扫房间、车间、墙壁等一些简单劳动。使怎么写作机器人有了广阔的市场，已成为一些企业和科研院所研究的焦点。目前市场上的吸尘机器人虽然也具有智能性，但大多由于结构不尽合理、通用性差、集成度高而导致成本高，不利于普及。在研究总结市场上相对成熟产品的基础上，基于ARM Cortex??M3处理器设计一款具备自我导航功能的室内吸尘机器人。外形紧凑、结构简单、运行平稳、噪音小，并且成本低，操作方便，还具有可扩展接口，用户能够根据实际需要对其功能做进一步开发。
（1）能正确判断机器人所处的房间和在房间中所处的方位；
（2）能正确检测出房间内的墙壁、家具等障碍物；
（3）在游历完所有房间完成清扫任务后能自主回到出发点，关机。
为了防止机器人在工作时出现堵转现象，并且能自由进入一些家具比如沙发、桌子等的底下，吸尘机器人不能太高，外形采用半圆柱形。底盘由四个轮子共同支撑，其中左右两侧为驱动轮，分别由两个微型直流电机直接驱动，前后两个万向轮起到支撑和导向的作用。采用碰撞、红外传感器、超声波等组成多传感器系统。在机器人的上方装有红外接收传感器，底盘边缘均匀分布装有接近传感器，用来检测障碍物；在机器人的前方装有碰撞传感器；前方和左右装有超声波测距传感器，用来检测周围环境。
（1）超声波测距传感器模块
室内吸尘机器人由于工作环境的原因，必须具备检测各种大小、高低、颜色的障碍物，超声波是一种非接触式的检测技术，在空气中传播不受光线、烟雾、电磁场等外界因素的干扰，与红外传感器相比，超声传感器感应距离更远，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超声波测距系统可以有效地完成障碍物的检测。
（2）红外和碰撞传感器模块
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/O口的检测，便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向，覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测，前进后退都能工作，这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m，并且还能够在球非常近的范围内（10 cm内）读取障碍物距离结果（没有溢出）[4]。
在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关（常开），通过采集模拟口上电压值的变化，判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合，从而检测出哪个方向有碰撞发生。
参考文献
崔壮平.一种基于吸尘机器人的新超声波测距系统[J].传感器与微系统，2010（10）：95?96.
曹小松，唐鸿儒.移动机器人多传感器信息融合测距系统设计[J].自动化仪表，2009（5）：4?8.
[3] 梁毓明，徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用，2008，28（z6）：340?343.
[4] 任亚楠.基于超声波传感器的移动机器人避障系统研究[J].中国测试，2012（3）：76?79.
[5] BAEK Sanghoon. Integrated on?line localization， mapping and coverage algorithm of unknown environments for robotic vacuum cleaners based on minimal sensing [J]. Advanced Robotics， 2011， 25： 1652?1673.
[6] 刘瑜.自主吸尘机器人的研究[D].杭州：浙江大学，2006.
[7] 曹建树，曾林春，靳志杰.室内智能清洁机器人控制系统[J].机械与电子，2009（6）：60?63.
[8] 程柏林.基于模糊PID控制的智能小车控制器的研制[D].合肥：合肥工业大学，2008.
[9] 孙莹莹，张磊.基于超声波网络定位系统的机器人全局路径规划[J].计算机应用，2010（1）：86?87.
[10] 曾岑.智能型室内清洁机器人的研究和发展探析[J].机械制造，2008（10）：63?67.
关键词： 吸尘机器人； 硬件策略； ARM处理器； 超声传感器； 红外测障传感器
1004?373X（2013）12?0103?03
随着人们生活水平的日益提高，我国人口的老龄化也越来越明显，吸尘机器人作为怎么写作机器人的一种，能够代进行清扫房间、车间、墙壁等一些简单劳动。使怎么写作机器人有了广阔的市场，已成为一些企业和科研院所研究的焦点。目前市场上的吸尘机器人虽然也具有智能性，但大多由于结构不尽合理、通用性差、集成度高而导致成本高，不利于普及。在研究总结市场上相对成熟产品的基础上，基于ARM Cortex??M3处理器设计一款具备自我导航功能的室内吸尘机器人。外形紧凑、结构简单、运行平稳、噪音小，并且成本低，操作方便，还具有可扩展接口，用户能够根据实际需要对其功能做进一步开发。
1 吸尘机器人总体构成
利用ARM Cortex??M3处理器设计一款应用于室内的移动清洁机器人，主要任务是能够自主清扫房间，因此应该具备以下功能：（1）能正确判断机器人所处的房间和在房间中所处的方位；
（2）能正确检测出房间内的墙壁、家具等障碍物；
（3）在游历完所有房间完成清扫任务后能自主回到出发点，关机。
为了防止机器人在工作时出现堵转现象，并且能自由进入一些家具比如沙发、桌子等的底下，吸尘机器人不能太高，外形采用半圆柱形。底盘由四个轮子共同支撑，其中左右两侧为驱动轮，分别由两个微型直流电机直接驱动，前后两个万向轮起到支撑和导向的作用。采用碰撞、红外传感器、超声波等组成多传感器系统。在机器人的上方装有红外接收传感器，底盘边缘均匀分布装有接近传感器，用来检测障碍物；在机器人的前方装有碰撞传感器；前方和左右装有超声波测距传感器，用来检测周围环境。
2 硬件主体设计
硬件系统主要由ARM Cortex??M3处理器、传感器模块、电机驱动模块、人机交互模源于：毕业设计论文模板www.udooo.com
块、无线遥控发射模块组成。2.1 ARM Cortex??M3处理
机器人控制系统的主要任务是根据传感器和编码器等反馈回来的数据，进行清扫路径规划，控制清扫、吸尘机构，完成各种控制动作。设计合适的人机接口，在LCD上显示机器人状态和运行时间。因此，机器人控制系统包括传感器模块，电机驱动模块，红外遥控接收模块、LED指示灯和液晶显示模块。采用ARM Cortex??M3处理器作为机器人控制系统的核心，主要是低成本、小管脚数和低功耗，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力，工作电流仅为50 mA。2.2 电机模块
2.3 传感器模块
主要包括3部分：用于测量和感知障碍物的超声模块、红外和碰撞传感器，用于状态检测的传感器（检测电池电量、尘桶、电机堵转悬空）。传感器模块使机器人对周围环境做出正确判断，为顺利完成任务提供智能决策。（1）超声波测距传感器模块
室内吸尘机器人由于工作环境的原因，必须具备检测各种大小、高低、颜色的障碍物，超声波是一种非接触式的检测技术，在空气中传播不受光线、烟雾、电磁场等外界因素的干扰，与红外传感器相比，超声传感器感应距离更远，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超声波测距系统可以有效地完成障碍物的检测。
（2）红外和碰撞传感器模块
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/O口的检测，便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向，覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测，前进后退都能工作，这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m，并且还能够在球非常近的范围内（10 cm内）读取障碍物距离结果（没有溢出）[4]。
在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关（常开），通过采集模拟口上电压值的变化，判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合，从而检测出哪个方向有碰撞发生。
2.4 人机交互模块
（1）液晶显示和键盘输入：两者配合使用可以设置机器人各种参数，如自主启动、设置工作时间等。3 结 语
通过这样的硬件设计，清洁机器人控制系统，既能满足良好的实用性，还降低了成本，工作稳定可靠。机器人传感器模块能精确定位障碍物，通过软件策略能实现良好的避障。对将来家用怎么写作机器人的研究与开发有着重要现实意义。参考文献
崔壮平.一种基于吸尘机器人的新超声波测距系统[J].传感器与微系统，2010（10）：95?96.
曹小松，唐鸿儒.移动机器人多传感器信息融合测距系统设计[J].自动化仪表，2009（5）：4?8.
[3] 梁毓明，徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用，2008，28（z6）：340?343.
[4] 任亚楠.基于超声波传感器的移动机器人避障系统研究[J].中国测试，2012（3）：76?79.
[5] BAEK Sanghoon. Integrated on?line localization， mapping and coverage algorithm of unknown environments for robotic vacuum cleaners based on minimal sensing [J]. Advanced Robotics， 2011， 25： 1652?1673.
[6] 刘瑜.自主吸尘机器人的研究[D].杭州：浙江大学，2006.
[7] 曹建树，曾林春，靳志杰.室内智能清洁机器人控制系统[J].机械与电子，2009（6）：60?63.
[8] 程柏林.基于模糊PID控制的智能小车控制器的研制[D].合肥：合肥工业大学，2008.
[9] 孙莹莹，张磊.基于超声波网络定位系统的机器人全局路径规划[J].计算机应用，2010（1）：86?87.
[10] 曾岑.智能型室内清洁机器人的研究和发展探析[J].机械制造，2008（10）：63?67.