单片机控制的智能清洁机器人的设计

摘要：介绍了一种基于单片机控制的室内智能清洁机器人，机器人的主控芯片采用AT89C51，由行走机构、传感系统、清洁系统和控制系统四个部分组成，可以在一般的家庭环境下自动运行，完成扫地、吸尘、抹地等工作，代替人完成各种清洁任务。

关键词：单片机 控制 智能 清洁机器人

室内地面的清洁工作繁琐耗时，随着现代人生活质量的提高和工作节奏的加快，人们迫切希望摆脱这种枯燥的家务劳动，近年来，用机器人代替人完成清洁工作引起了大家的关注。室内智能清洁机器人是一种新型的居室小家电产品，它不需要人类的监督，能自主运行，集打扫、吸尘、抹地为一体，可自动避开障碍物等功能。在日本、美国等发达国家，都在致力于研究和广泛使用这种机器人，但国内的产品相对比较滞后。当机器人的性价比进一步提高，那么清洁机器人进入家庭将具有广阔的市场前景。

1、室内智能清洁机器人的设计思路

清洁机器人主要包括行走机构、传感系统、清洁系统和控制系统四个部分。行走机构能保证机器人在地面上移动，采用轮式结构。为了简便起见，选择两个驱动轮和一个万向轮组成。清洁系统由清扫、吸尘、擦地三步完成，吸尘机构在原理上与传统吸尘器相同，主要考虑是更合理的选择和布置元器件，克服传统吸尘器噪音大的缺点，使机器人工作时，不会对用户造成干扰，营造舒适的居室环境。在机器人车身的后部设置一个滚刷和垃圾盒，配合吸尘器完成清洁和储存垃圾的工作。由于单片机性价比高，体积小，控制功能强，故采用单片机来控制清洁机器人，由传感器感知外部环境，这里选择简单又实用的碰撞传感器，单片机接受传感器的信号，感知环境并执行相应的控制程序。考虑到单片机的容量和计算速度都很有限，采用了碰撞到障碍物就后退一定距离，然后右转90°的方法，使其能够自动避开障碍物，实现一般家居环境下的自主清洁工作[2]。

2、实现过程

2.1 清洁机器人行走机构

清洁机器人行走机构的动力部分采用的是步进电机，机身的正前方有一个万向轮，左右两边分别布置两个后轮，两个步进电机分别通过齿轮传动带动两边的后轮运动。步进电机由单片机控制，控制脉冲频率，可控制电机转速，改变脉冲顺序，可改变电机转动方向，从而实现清洁机器人的前进、后退和转弯等功能。

2.2 清洁机器人的传感系统

防碰撞的感知任务由碰撞传感器来完成。在清洁机器人的前端设计了约180°的碰撞板，在碰撞板上安装了5个碰撞传感器，清洁机器人在任何方向上的碰撞，都会引起传感器的响应，单片机接受传感器的信号，感知环境并执行相应的程序，控制清洁机器人做出相应的动作。

2.3 清洁机器人的清洁系统

智能清洁机器人的清洁系统包括清扫机构、吸尘机构和擦地机构等几个部分组成。

（1）清扫机构：机器人的前方装有2个小刷子，机器人在行走时，通过电机带动小刷转动将墙边、墙角的灰尘集中到吸尘口，通过吸尘机构吸到灰尘存储箱中。机器人的中后部装有一把滚刷，在电机的驱动下，滚刷高速旋转，有效地清洁地面的灰尘。

（2）吸尘机构：采用的是真空吸尘技术，由高速旋转的风扇形成高速气流，使吸尘机构内部成真空状态，内部的气压大大低于外界的气压，在这个气压差的作用下，灰尘随着气流通过吸口吸到机器人的垃圾存储箱中。

（3）擦地机构：为了提高清洁的质量，在机器人的机身下面装有清洁布，用于在打扫，吸尘之后，抹擦地面，进一步清除地上残留的灰尘。

2.4 清洁机器人的控制系统

机器人控制系统相当于人的大脑，它集中处理和控制协调全部的信息，由软件实现对各部分的控制。因为MCS-51单片机技术成熟，价格低廉，选用AT89C51作为控制芯片，它要控制机器人的运行和停止，实现运动中的前进、后退和转弯等；通过从传感器上接受到的信号感知环境并控制机器人执行相应的动作；驱动清扫、吸尘电机，执行清洁工作[3]。整个控制系统的组成及各部分的互相关系如图1所示。

清洁机器人是在环境未知的情况下进行清洁工作的，既要高效的遍历工作场地，又要自动避开障碍物，这是个复杂的路径规划问题[1]，考虑到AT89C51单片机的容量和计算速度都很有限，实现起来有较大的困难，这里采用碰撞到人或物品就后退一定距离，然后控制机器人右转90°后再继续前进来避开障碍物，完成一般居室环境的清洁任务，其程序框图如图2所示。

3、结论

本智能清洁机器人采用AT89C51单片机控制，简单易用，性价比高，是一种新型的居室小家电产品，它能自主运行，完成清扫、吸尘和抹地的工作，可自动避开障碍物，不足的是智能化和自动化的程度还较低，这是下一步要改进的地方。

参考文献：

[1]石为人，周学益.室内清洁机器人避障路径规划研究[J].计算机应用，2007，（6）：378—379.

[2]王程民，盛定高.基于MC68HC11单片机的多功能清洁机器人的设计[J].装备制造技术，2008，（12）：93—94.

[3]邢敏，蒙梅，刘任平.JP-cleaner型清洁机器人控制系统设计[J].机械与电子，2006，（10）：55—57.