扫地机器人自动充电系统的设计-专业论文-自动化应用案例

扫地机器人自动充电系统的设计

发布日期：2021-10-03 来源：《智能机器人》21-06期作者：张建平曾小玲浏览次数：11009

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【摘　要】：针对扫地机器人自动充电系统进行设计。该系统实时性高功能完备，包括信息采集模块、控制模块、清扫模块、运动模块。由碰撞传感器、红外测距传感器等来探测周围的环境，由红外接收头实现无线手动遥控功能，由直流电机带动两个驱动轮旋转，采用改进的“井”字形路径遍历法。经过实验证明了设计的可靠性，实现了自动扫地机的自动清洁行走。

关键词：扫地机器人；红外遥控；传感器

1 引言

自动扫地机器人是当今服务机器人领域的研究热点。从理论和技术上讲，自动扫地机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性；从市场上前景讲，自动扫地机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于宾馆﹑酒店﹑图书馆﹑办公场所和大众家庭。自动充电功能对扫地机机器人来说也是十分重要，由于机器人自带的充电电池容量有限，不一定能保证完成清扫工作，这就需要机器人能自动寻找充电器充电。当电压检测芯片检测到电源电压低于一定值时，自动扫地机将自动寻找充电座进行充电。

2 系统总体设计方案

本系统主要由控制器模块、电压检测电路设计、电压检测隔离电路、控制吸尘器开关电路、寻找充电器电路构成，本系统的方框图如图1所示。

图1 系统方框图

3 硬件电路设计

MC9S12DG128有8路PWM输出，本系统利用PWM输出来控制两轮转速，实现差速控制；丰富的数字I/O口可以接碰撞传感器、红外避障传感器等，可编程的上升沿或下降沿触发可用来检测楼梯。

3.1 电压检测隔离电路

硬件机器人需要能够检测到什么时候需要充电，一种方法是监测电源的电压或者限制机器人的运行时间，另一种方法是精确测量使用的电能，通过对电源的监测，机器人能够预测何时需要充电。本系统采用电压检测芯片HT7033来检测电压。HT70XX系列具有接口简单，低功耗，低温度系数，高精度，参考源稳定性高，成本低等特点。电源电压是12V，需要在电源电压低于l0V时检测到电池欠压，HT70XX系列最大可检测电压是7V。可以使芯片检测电压，具体电路见图2。

图2 HT7033应用电路

R15和R55是分压电阻，阻值分别为670欧姆和330欧姆，对于本系统，HT7033的输入引脚VIN的输入电压值最小为3.3V，最大为3.96V，因此HT7033的输出电压在3.96V以下，适合与单片机的I/O口直接相连，在输入电压低于3.3V时跳变成低电平。考虑把功率部分和数字部分隔离，这里还需要把HT7033的输出信号隔离，然后再送给单片机的I/O口，选用6N137作为隔离芯片，6N137光藕合器是一款用于单通道的高速光祸合器，具有温度、电流和电压补偿功能。输入电流达到一定值时发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通。发光二极管正向电流0-250uA，光敏管不导通；发光二极管正向压降1.2-1.7V，正向电流7-15mA，光敏管导通。对于单片机来说电压检测不需要一个连续的变化过程，只需要知道电平发生变化即可，电压检测隔离电路如图3所示。

图3 电压检测隔离电路

3.2 控制吸尘器开关电路

机器人检测到电池欠压后，关闭微型吸尘器以节约电能，并利用单片机的I/O口(PS4)来控制微型吸尘器的开关，该信号经过光耦隔离(PS4-1)后控制三极管的导通来控制微型吸尘器电源的开关。三极管9013是一种低电压，大电流，小信号的NPN型三极管，最大集电极电流是0.5A，集电极一基极击穿电压45V，集电极一发射极击穿电压25V，具体应用电路如图4所示。

图4 控制吸尘器开关电路

3.3 寻找充电器电路

当机器人检测到电池电量低时，需要自动寻找充电器，本系统采用红外线接收的方法寻找充电器，红外接收电路通常由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常又由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏蔽盒里，因而电路比较复杂，体积也比较大。SFH506-38是一种特殊的红外接收电路，它将红外接收管与放大电路集成在一体，体积小，密封性好，灵敏度高，并且价格低廉，它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5V左右，接收载波频率是38kHz，只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。按照手册，SFH506-38的接口电路的如图5所示。

图5 红外接收头SFH506_38接口电路

为了让机器人尽快找到充电器，本系统采用了两个SFH506-38，安装在机器人的前面，中间用挡板进行隔离，使它们能够接收不同方向的信号，避免互相干扰。当机器人接近充电器后，通过检测充电器充电电流来判断是否己经对接上。充电器上安装一个红外发射装置，不断发送红外线，机器人检测到电压低时先原地转圈，利用两个红外接收头判断充电器方向，有4种情况：

(1)右边接收头接收到信号，而左边没有，说明充电器在右前方，机器人向右旋转前进。

(2)左边接收头接收到信号，而右边没有，说明充电器在左前方，机器人向左旋转前进。

(3)左右两边的接收头都接收到信号，说明充电器在正前方，机器人直线前进。

(4)左右两边的接收头都没有接收到信号，说明充电器可能在机器人的后方，或者充电器发出的信号被物体挡住了，这时机器人首先原地转一圈，如果还是都接收不到信号，则沿着墙边或者家具边行走，每隔一小段时间就旋转一下搜寻红外线信号，直到找到为止。

4 软件设计

自动扫地机自动充电流程的难点主要是自主寻找充电器，本系统的自动充电流程图如图6所示。