王超

摘 要：随着智能化技术的不断发展，智能吸尘机器人成为智能化家居用品的主要類型之一。从科学技术发展角度来看，智能吸尘机器人在设计过程中融入了多种技术，是智能家居技术发展的代表物品;从未来市场占有率看，智能吸尘机器人的功能将会不断增加，应用范围也会随之扩大，可以用于各种家居环境和公共场所。本文阐述了智能吸尘机器人的设计原理，并探讨了智能吸尘机器人控制系统的设计方案，力求可以提高设计方案的合理性。

关键词：智能吸尘机器人;设计原理;硬件设计;软件设计

中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）28-0034-03

Intelligent Cleaning Robot and Its Design Analysis

WANG Chao

（Suzhou Vocational and Technical College of Economics and Trade，Suzhou Jiangsu 215000）

Abstract： With the continuous development of intelligent technology， intelligent cleaning robot has become one of the main types of intelligent household products. From the perspective of science and technology development， the intelligent dust cleaning robot integrates a variety of technologies in the design process， which is the representative of the development of smart home technology; from the perspective of future market share， the functions of intelligent dust cleaning robot will continue to increase， and its application scope will also be expanded， which can be used in various home environment and public places. This paper described the design principle of the intelligent dust cleaning robot， and discussed the design scheme of the intelligent dust cleaning robot control system， so as to improve the rationality of the design scheme.

Keywords： intelligent vacuuming robot;design principle;hardware design;software design

机器人技术是21世纪的新型科学技术类型之一。为了满足人们的生活需求，服务型机器人开始成为机器人领域的新型研究方向。当前生活中所应用的智能家居类型和功能逐渐增多，吸尘机器人作为重要代表，给现代人们的生活提供了极大的便利。在设计智能吸尘机器人时，应用了机器人技术、自动化技术、计算机技术及传感技术等，为之后服务型机器人的发展打下了良好的技术基础，并带动其他新型技术的发展。此次选择HSR2000型号的智能吸尘机器人作为研究对象，对其设计原理和控制系统设计方案进行分析。

1 智能吸尘机器人设计原理

在最初的智能吸尘机器人市场中，将电子元件作为机器人设计的基础元件，将小型的机器人作为依托，同时在其中加入自动控制系统、机电一体化系统，最终形成智能吸尘器。传统的吸尘器设计原理较为复杂，在设计过程中需要添加多个繁杂的结构，对于普通的市场用户而言使用起来较为麻烦，且售卖价格高，应用范围有限，这给智能吸尘机器人的发展造成了制约。HSR2000智能吸尘机器人利用两轮进行驱动，使用万向轮支撑机器人，可以让机器人在工作过程中灵活转动[1]。智能吸尘机器人前端为传感器，传感器为整体式接触类型，可以提供3个方位所传来的碰撞信号。在机器人的四周放置了14个带有超声波技术的传感器，可以对前方、后方、左方、右方进行全方位感知，并且能够检测到障碍物。机器人的驱动结构中放置了2个增量式编码器，可以对系统进行定位。在控制系统设计的核心部分，设计了2个CPU，分为主CPU和从CPU，2个CPU分别进行分布计算，可以提高智能吸尘机器人的实时性。

该智能吸尘机器人主要有以下5项功能。第一，可以在智能吸尘机器人的人机界面自主设定用户的使用参数，包括机器人的清扫方式及时间。第二，以智能吸尘机器人的充电座为起点，按照墙壁的边界进行清扫和行走，记录智能吸尘机器人的行走轨迹，自动形成电子化地图。第三，智能机器人能根据最初设定的程序选择清扫方式，执行所设定的任务，在清扫过程中还能主动避开所遇到的障碍，并对自身的电压进行监测。第四，智能吸尘机器人完成清扫任务后或者在执行任务时电量不充足，能够自行回到原有的位置进行充电。第五，智能吸尘机器人中设计有时钟功能，使其可以按照所设定的时间按时完成任务。

智能吸尘机器人工作流程如图1所示。

2 智能吸尘机器人控制系统设计方案

2.1 硬件设计

2.1.1 CPU控制模块体系。主CPU和从CPU使用的单片机分别为80C196KC及AT89C52。其中，前者负责监测电池使用情况，并与从CPU进行通信和数据转化;后者负责实现定位功能，并将智能吸尘机器人的位置、姿态信息传递给上位机。主CPU的外围接口选择PLD器件，具体型号为GAL6V8B，能处理其中各个模块的位置信息。主CPU还包括具有高速传输功能的输入口及输出口，可以对直流电机进行控制驱动，调节直流电机的速度。

2.1.2 驱动系统设计。在设计智能机器人的驅动系统时，使用直流电机的驱动芯片，同时选择HSO口对直流电机进行控制。结合直流电机在进行地面清扫时的运行速度及给定占空比之间的关系来进行智能化的速度调整。

2.1.3 电源模块设计。对电源模块进行合理和科学设计能为智能吸尘机器人提供多级电压。智能吸尘机器人原本所带有的充电电池输出24 V电源，该电源可以直接对直流电机进行供电，能够被当作驱动电压。通过两级电压变化之后，8 V电压能对超声波电路进行驱动控制，5 V电压可以对主板进行供电。

2.1.4 时钟模块设计。在设计时钟模块的过程中，应当选择DALLAS公司型号为12887的芯片，该芯片的内部自带电池，经过初始化之后能进行持续的工作。当电路通电时，充电电路可以自主充电，同时还能根据系统的运行情况进行定时中断，满足了智能吸尘机器人对时钟功能控制需求[2]。

2.1.5 超声波信号发射、接收模块设计。在设计超声波信号的数据处理模块时，电路为单独状态下的振荡电路，该电路所产生的信号频率和幅值均为固定值，分别为40 kHz、5 V。在设计智能吸尘机器人的探头时，会将其进行紧密布置，因此在工作过程中探头之间会出现互相干扰的情况。为了避免探头干扰影响智能机器人的运行，需要在其中加入路选电路。通过这一电路的增加，能够要求各路超声探头根据最初系统设计的顺序开展循环清扫。在振荡信号的影响下，发射探头也会在遇到障碍时发出信号，接收探头在接收信号之后会按照幅值大小以及测距原理评估出和障碍物之间的距离。

2.2 软件设计

2.2.1 核心控制层设计。这一层的任务包括对功能函数进行选择，根据定位信息和视觉信息设计控制策略，针对运行情况进行自动中断等，大体上可以被分为3个模块，即任务管理模块、智能决策管理模块、智能中断管理模块，不同模块对应不同的功能函数。

2.2.1.1 任务管理模块。此处的任务并不单单是指清扫的任务，同时还包括系统需要实现的各种功能[3]。首先需要进行任务划分，智能吸尘机器人需要完成的任务可分为沿边运行行为学习、构建电子化地图、自动充电、对接充电及对周围环境进行清扫。其次是任务调度，任务调度是将所构建的任务代码按照原有的执行顺序放置在任务列表中，当完成其中一个任务之后就执行另一个任务代码。

2.2.1.2 智能决策管理模块。智能决策是智能吸尘机器人设计过程中需要关注的最为主要和核心的部分，需要机器人结合定位视觉信息对所处环境进行布局分析，自动选择应对策略，从而完成自动前进、自动后退及自动旋转等各种动作。

2.2.1.3 智能中断管理模块。该模块主要包括AD中断、定时中断以及串口中断等中断任务，可以利用中断任务对视觉信息和定位信息进行分析。为了保证智能吸尘机器人信息处理的实时性，中断管理程序需要和信息处理程序通过信号量进行持续通信，保持两者处于同步状态[4]。

2.2.2 姿态控制层设计。姿态控制层是指对机器人的姿态进行控制，智能吸尘机器人按照决策层所发送的指令自动完成前进或者后退等工作，完成姿态转换。除此之外，还需要接收传感器所传递的数据和信息，并对其进行处理，达到数据融合的效果。在多个传感器进行数据融合之前，需要先对超声信号赋予权值，利用所对应的算法来达到数据融合。数据融合后所得出的结果会再次发送给核心控制模块，最终完成决策判断。在这一层中需要使用2个变量对智能吸尘机器人内部不同直流电机进行姿态控制，2个变量分别控制运行状态及运行速度。

2.2.3 定位层设计、视觉信息处理设计和驱动层设计。定位层、视觉层、驱动层指的是利用智能吸尘机器人中主CPU里各个中断模块来完成对直流电机的速度、超声波信号发射、信号接收以及主CPU、从CPU通信进行管理。同时，也需要对接触信息及红外传感数据进行收集和检测，为数据融合任务的进行提供基础数据。这一层分为定位模块设计，利用串口通信中断完成定位数据的发送和传递;视觉信息收集设计，利用多个传感器来对多个方位的情况进行处理;驱动模块设计，对机器人的运行速度进行调整，保证智能吸尘机器人的有序运行[5]。

3 结语

智能吸尘机器人的市场发展前景极其广阔，符合现代人的生活理念。随着市场的发展，机器人的设计方案也需要与时俱进，这样才能为向人们提供更多的智能化服务。HSR2000智能吸尘机器人具备智能化的清扫功能，并且运动规划方案具有可靠性，控制策略较为完善，能适应各种环境，避开所遇到的障碍，具有较高的应用价值。

参考文献：

[1]孔令棚.基于STC89C52的拖扫一体机的设计[J].电子设计工程，2019（15）：90-94.

[2]李静，邱昌胜.浅谈涂装自动擦净机器人系统的技术开发及应用[J].现代涂料与涂装，2018（4）：45-47.

[3]常成惠.智能扫地机器人的发展趋势[J].大众用电，2019（1）：49.

[4]肖献法.针对“背街小巷”，北京环卫集团推出一系列新款小型化、智能化清洁设备[J].商用汽车，2017（12）：86-90.

[5]袁力蓉，谭文君，朱皓阳，等.智能吸痰机器人安全性和有效性的实验研究[J].临床医学研究与实践，2020（17）：5-8.