一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人的制作方法

本發明涉及機器人領域，具體涉及一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人。
背景技術：
：隨著科技日新月異的發展，人們的生活變得越來越便利，諸多智能科技產品的問世，替代了人們的勞動力，使人們從傳統勞動方式中解放出來，也使得人們對于智能產品的需求與日俱增，智能產品出現了一個廣闊的前景，其中，智能清潔機器人就是近年來熱門的需求之一。智能清潔機器人實現了家庭、辦公室及旅館等室內的半自動或全自動清潔工作，具有廣泛的市場前景，雖然從國內外研究現狀來看，己經取得了不少成效，但是還是存在需要問題需要去解決，比如，如何提高清潔機器人的人工智能化技術，提高清潔器人清掃房間的覆蓋率及降低成本等。技術實現要素：為解決上述問題，本發明提供了一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人，結合多種傳感器技術，實現清潔機器人的自主避障與地面清潔，同時增加了無線遙控、防跌落、虛擬墻等人性化的功能。在軟件編程上，參考現有避障算法，使機器人具備有效的路徑決策能力。此外，顯示功能使得用戶可以直觀了解到機器人當前狀態，使機器人的使用更為人性化。為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人，包括電源模塊，采用基于三端穩壓器的穩壓電源模塊，用于為各功能模塊提供所需電壓；電機驅動模塊，用于驅動電機工作；清潔模塊，包括機器人前端兩個毛刷及后端安置的吸塵裝置；行走策略模塊，包括通過避障傳感器進行周圍環境的檢測，從而完成行走策略的輸出；無線遙控模塊，用于人為遙控機器人的前進、后退、左轉、右轉；路面檢測模塊，用于實現防跌落功能，防止機器人從高處跌落；還用于實現虛擬墻功能，實現人為規劃機器人清潔區域；速度檢測模塊，用于實時檢測機器人當前運動速度；模式選擇模塊，用于在遙控模式與智能模式之間切換；傳感器模塊，用于對環境信息的精確采集，并將采集到的信號傳送至單片機，單片機在經過處理后發出電機控制信號，從而改變機器人的行進路徑；顯示模塊，作為人機交互界面，用于為用戶實時提供機器人的狀態信息；ARM7微處理器，用于協調上述模塊進行工作。其中，所述ARM7微處理器主控芯片選用LPC2200系列ARM7單片機，采用ARM7TDMI-SCPU。。其中，所述電機驅動模塊采用電機驅動芯片L298N。其中，所述避障傳感器選用超聲波測距傳感器作為底層避障用傳感器，同時在頂層相鄰超聲波傳感器之間加裝碰撞開關傳感器，在彌補空隙的同時作為高度檢測，為機器人提供更全面的環境信息。其中，所述路面檢測傳感器采用紅外傳感器，。其中，所述速度檢測模塊采用霍爾傳感器Y3144。其中，所述顯示模塊采用LCD12864。其中，所述無線遙控模塊采用PT2262/2272，PT2262/2272為一對帶地址、數據編碼功能的遙控發射/接收芯片；接收芯片PT2272的數據輸出位根據其后綴不同而不同，數據輸出具有“暫存”和“鎖存”兩種方式，方便用戶使用。本發明具有以下有益效果：結合多種傳感器技術，實現清潔機器人的自主避障與地面清潔，同時增加了無線遙控、防跌落、虛擬墻等人性化的功能。在軟件編程上，參考現有避障算法，使機器人具備有效的路徑決策能力。此外，顯示功能使得用戶可以直觀了解到機器人當前狀態，使機器人的使用更為人性化。附圖說明圖1為本發明實施例一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人的結構示意圖。圖2為本發明實施例中避障系統結構原理圖圖3為本發明實施例中霍爾傳感器測速原理圖圖4為本發明實施例中L298N驅動直流電機原理圖。圖5為本發明實施例吸塵器控制電路原理圖。圖6為本發明實施例中碰撞開關原理圖。圖7為本發明實施例中紅外對管檢測電路原理圖。圖8為本發明實施例中模式選擇原理圖。圖9為本發明實施例中12864硬件原理圖。圖10為本發明實施例中電源模塊原理圖。圖11為本發明實施例中F-d函數曲線。圖12為本發明實施例中超聲波模塊平面位置圖。圖13為本發明實施例中超聲波測距程序流程圖。圖14為本發明實施例中顯示模塊串行模式連接時序圖。圖15為本發明實施例中距離顯示流程圖。圖16為本發明實施例中合力方向顯示流程圖。圖17為本發明實施例中速度顯示流程圖。圖18為本發明實施例中模式選擇流程圖。具體實施方式為了使本發明的目的及優點更加清楚明白，以下結合實施例對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。如圖1所示，本發明實施例提供了一種基于ARM7微處理器技術的智能清潔機器人，其特征在于，包括電源模塊，采用基于三端穩壓器的穩壓電源模塊，用于為各功能模塊提供所需電壓；L7805CV與L7806CV分別為+5V與+6V三端穩壓器，最大輸出電流1.5A，為了滿足整個系統的需求，采用多個7805、7806并聯，以獲得更大的電流輸出能力。AMS1117-3.3采用SOT-223封裝，輸出電壓3.3V，輸出電流1A，工作壓差低至1V。電機驅動模塊，用于驅動電機工作；清潔模塊，包括機器人前端兩個毛刷及后端安置的吸塵裝置；行走策略模塊，包括通過避障傳感器進行周圍環境的檢測，從而完成行走策略的輸出；無線遙控模塊，用于人為遙控機器人的前進、后退、左轉、右轉；路面檢測模塊，用于實現防跌落功能，防止機器人從高處跌落；還用于實現虛擬墻功能，實現人為規劃機器人清潔區域；速度檢測模塊，用于實時檢測機器人當前運動速度；模式選擇模塊，用于在遙控模式與智能模式之間切換；當開關置于中間檔時，系統處于待機狀態，左右檔分別為遙控模式與智能模式。原理圖如圖8所示。傳感器模塊，用于對環境信息的精確采集，并將采集到的信號傳送至單片機，單片機在經過處理后發出電機控制信號，從而改變機器人的行進路徑；顯示模塊，作為人機交互界面，用于為用戶實時提供機器人的狀態信息；ARM7微處理器，用于協調上述模塊進行工作。所述ARM7微處理器主控芯片選用LPC2200系列ARM7單片機，采用ARM7TDMI-SCPU。支持ARM和Thumb指令集，，片內具有多個32位定時器、8通道10位ADC、PWM通道以及多達9個外部中斷針腳，其中，LPC2132帶有64KB的片內高速Flash，16KB的片內RAM，對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30％，而性能的損失卻很小。所述電機驅動模塊采用電機驅動芯片L298N，L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。工作電壓范圍3～46V，輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A，額定功率25W。內置雙H橋電路，即一片L298N可以驅動兩個直流電機正反轉。左右動力輪及左右兩個毛刷分別由4個直流減速電機帶動，L298N驅動直流電機原理圖如圖4所示。所述避障傳感器選用超聲波測距傳感器作為底層避障用傳感器，同時在頂層相鄰超聲波傳感器之間加裝碰撞開關傳感器，在彌補空隙的同時作為高度檢測，為機器人提供更全面的環境信息。避障系統結構原理圖如圖2所示。所述路面檢測傳感器采用紅外傳感器，利用紅外對管檢測障礙物的原理，將地面視為“障礙物”，安全狀態下，機器人應處在有“障礙物”的情況下，一旦檢測到沒有障礙物，則說明當前行進方向上出現懸空，系統便能根據這一信息及時決策改變路徑，從而實現防跌落功能，同時，利用黑色吸收紅外線這一特點，可以用一條黑線制造出一個人為的“懸空”，即所謂的虛擬墻，從而可以人為規劃機器人的運動區域。所述速度檢測模塊采用霍爾傳感器Y3144。Y3144為3腳T0-92封裝，正面從左至右依次為VCC、GND、OUT。使用時，在OUT腳與VCC之間接一上拉電阻即可，霍爾傳感器測速原理圖如圖3所示。所述顯示模塊采用LCD12864，可顯示字符、漢字、圖案等多種內容，可自由設定顯示位置，功耗低，且接線簡單，尤其在串行數據輸入模式下，只需4個IO口即可驅動。不同型號的12864其工作電壓不盡相同，由于本系統中LPC2132為3.3V供電，IO口輸出高電平為3.3V，因而選用驅動電壓為3.3V的12864與之配合工作。所述無線遙控模塊采用PT2262/2272，PT2262/2272為一對帶地址、數據編碼功能的遙控發射/接收芯片；接收芯片PT2272的數據輸出位根據其后綴不同而不同，數據輸出具有“暫存”和“鎖存”兩種方式，方便用戶使用，后綴“M”為“暫存型”，后綴“L”為“鎖存型”，其數據輸出又分為0、2、4、6不同的輸出，例如：PT2272-M4則表示數據輸出為4位的暫存型遙控接收芯片。其中，吸塵器電機驅動電路通過單片機IO口驅動一個繼電器，當繼電器吸合時，將電機接入到12V電源兩端，當繼電器斷開時，電機兩端無電壓，從而控制其啟動與停止。電路原理圖如圖5所示。信號采集電路包括：HC-SR04超聲波測距電路；紅外對管地面檢測電路；碰撞開關電路和速度檢測電路。超聲波測距傳感器基本工作原理為(1)采用IO口TRIG觸發測距，給最少10us的高電平信號；(2)模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離＝(高電平時間*聲速(340M/S))/2；碰撞開關電路的基本原理為：碰撞開關實質為一個非自鎖開關，正常狀態下輸出高電平，當碰到物體時，在外力作用下，開關會閉合，輸出低電平，當離開物體時，在模塊內部彈簧彈力作用下，開關會斷開，輸出又變回高電平。碰撞開關原理圖如圖6所示。地面檢測電路紅外對管檢測電路的基本原理是通過紅外接收管的導通與否改變電壓比較器正相輸入端的電壓，從而獲得不同的輸出，由輸出的高低電平判斷機器人是否處在地面上。紅外對管檢測電路原理圖如圖7所示。其中，電壓比較器選用LM324N。地面檢測信號處理電路地面檢測共用了3組紅外對管，分別檢測三個輪子前方路面。由于最終只需得到機器人前方有無懸空(或虛擬墻)的信息，因此將3組紅外對管檢測電路的輸出進行邏輯上的或運算，即只要有一路紅外對管檢測到路面有懸空，就會發出防跌落信號，改變機器人行進路徑。邏輯或運算采用74LS27芯片。74LS27為三組3輸入端或非門，其功能表如表1所示。表174LS27功能表Y=A+B+C‾]]>3路紅外對管輸出信號經74LS27后輸出一路信號，且低電平表示路面有懸空，高電平表示路面正常。芯片OSC1、OSC2需要接入震蕩電阻，且2262與2272所接電阻阻值必須匹配，具體匹配值如表2所示。表2震蕩電阻匹配表PT2262PT22721.2M200K1.5M270K2.2M390K3.3M680K4.7M820K無線收發模塊遙控器按鍵按下后，PT2262會將D0～D5的數據信息進行編碼，然后由無線發射模塊發射出去，接收器上的接收模塊接收到信號后，傳輸給PT2272，經2272解碼后由D0～D5輸出對應電平信號。本系統中采用串行方式傳輸數據，故將PSB直接接地，背光電源與驅動電源共用，因而只需引出VSS、VCC、RS、RW、E、RESET6個引腳。其硬件原理圖如圖9所示。系統供電采用3S鋰聚合物電池，電源電壓12V，電源模塊原理圖如圖10所示。本系統引腳分配：本系統中，將P0.1、P0.3設置為外部中斷輸入，P1.26～P1.31為J-TAG調試端口，其余功能引腳設置為GPI0，故LPC2132引腳功能選擇寄存器應設置如下：PINSEL0＝(PINSEL0&0xffffff33)|0x000000cc；//P0.1設置為EINTO，P0.3設置為EINT1PINSEL1＝0；//P0.16～P0.31設置為GPI0PINSEL2&＝～(0X00000008)；//P1.16～P1.25設置為GPI0避障算法設計1、距離與力的轉換避障系統采用超聲波測距傳感器，所得數據為機器人距離前方障礙物的距離值。本避障系統中，假設機器人周圍障礙物會對機器人產生一種虛擬力的作用，且力的大小與障礙物距機器人距離大小成反比，即機器人離障礙物越近，機器人所受虛擬力也會越大。機器人所受力的大小與距離的關系如式1所示。F=20d-2]]>(1)式中，F為力，d為機器人距障礙物的距離。其函數曲線如圖11所示。2、虛擬力的矢量合成避障系統的5個超聲波測距依次測得距離后，將距離轉換為平面內的矢量力，力的大小由式1得到，方向則取決于超聲波模塊的安置位置。超聲波模塊平面位置如圖12所示。如圖12所示，每個超聲波模塊對應的虛擬力，其方向都是確定的，因而可以在X-Y平面內由坐標表示，例如超聲波模塊2，假設其所測距離為5cm，則對應的力F＝2，方向與X軸正方向夾角135°，用坐標則表示為同理可以表示其他模塊對應的虛擬力。在得到5個虛擬力的坐標后，利用平面矢量坐標合成，可得到合力的坐標(x，y)，并可求出合力與X軸正向所夾角度，∂=atanyx---(2)]]>通過比較與90°(即Y軸正向)的大小，決策機器人應當左轉、右轉、直行或是后退。超聲波測距程序設計超聲波測距原理為：(1)采用IO口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號；(2)模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離＝(高電平時間*聲速(340M/S))/2。系統采用5個超聲波模塊對機器人前方進行障礙檢測，5個模塊依次進行測量，通過程序中定義變量ceju_num對測距次數進行計數，以明確各模塊測距順序。其程序流程圖如圖12所示。矢量合成及行走決策程序設計矢量合成子函數入口參數為dist1，dist2，dist3，dist4，dist5，即5個超聲波模塊所測得的距離，出口參數為alfa，即合力與X軸正向所夾角度。得到合力后，經過一定判別，做出下一步行走決策。碰撞模塊的輔助避障，程序原理就是通過檢測4個碰撞開關的輸出狀態來執行不同的行走策略。源程序代碼如下：路面檢測輸出接至單片機的P0.5，通過檢測P0.5腳上的電平即可判斷路面狀況，當P0.5為低電平時，即為路面有懸空或是接觸到虛擬墻，此時讓機器人略微后退并右轉一定角度。無線遙控器上4個按鍵分別對應前進、后退、左轉、右轉，在遙控模式下，當程序檢測到按下按鍵時，機器人便執行對應操作，而當沒有按鍵按下時，機器人將處于停止狀態。速度檢測程序設計測速整體思路：將P0.1、P0.3設置為外部中斷，設置為下降沿觸發，并分別連接左右電機的霍爾傳感器輸出引腳上，用作脈沖中斷入口。設置定時器1定時1s，并開啟定時器1的MRO匹配中斷，當1s定時到時，讀取當前脈沖數，便可獲得1s內電機轉速。中斷相關設置LPC2132中對中斷進行相關設置，需要用到向量中斷控制器(VIC)。向量中斷控制器(VIC)具有32個中斷請求輸入，可將其編程分為3類：FIQ、向量IRQ和非向量IRQ。其中向量IRQ具有中等優先級，該級別可分配32個請求中的16個。32個請求中的任意一個都可分配到16個向量IRQslot中的任意一個，其中slot0具有最高優先級，而slot15則為最低優先級。本系統中液晶12864采用串行數據輸入，串行模式下連接時序圖如圖13所示。串行數據傳送共分三個字節完成：第一字節：串口控制-格式11111ABCA為數據傳送方向控制：H表示數據從LCD到MCU，L表示數據從MCU到LCDB為數據類型選擇：H表示數據是顯示數據，L表示數據是控制指令C固定為0第二字節：(并行)8位數據的高4位-格式DDDD0000第三字節：(并行)8位數據的低4位-格式0000DDDD各功能模塊的顯示超聲波測距的顯示將5個超聲波模塊所測距離在液晶上顯示，使用戶可以直觀了解到機器人所處環境周圍狀況。其程序流程圖如圖14所示。合力方向的顯示每進行一次矢量合成，程序都會在液晶上顯示當前和矢量的方向。其流程圖如圖15所示。速度的顯示程序中，定時器1每中斷一次，會顯示一次當前左右電機的轉速。其流程圖如圖16所示。模式選擇設計將遙控模式輸出端接到P1.24，智能模式輸出端接到P1.25，程序中對兩個引腳的電平進行檢測，哪個引腳為低電平，則進入對應模式，若均為高電平，則處于待機狀態。程序流程圖如圖17所示。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁1 2 3