智能无人驾驶落叶清扫机器人的制作方法

本发明涉及清扫机器人领域，特别涉及一种清扫装置及清扫机器人。

背景技术：

智能无人驾驶落叶清扫机器人在使用过程中，通常不需要使用者实时操作，随着在清扫机器人待清扫区域的行走，通过对51单片机编程，使其能够实现自主避障、路径规划、电量检测、自动充电、自动倒垃圾、自动启停等功能。清扫机器人具有造价成本低、自动充电和续航、大幅度解放劳动力、减少大学和公园等公共场所开支等优点，具有很好的社会经济效益。

清扫机器人全区域覆盖路径规划是实现机器人智能的一个关键部分。一般的路径规划是指在有障碍的前提下,按照一定的标准(算法或规则库)规划出一条从起始状态到目标状态的无碰路径,即“点对点”的路径规划，而本清扫机器人则是全区域覆盖的路径规划。从某一方面来讲,这可以看成是前者的组合,但并不是简单的叠加,而要复杂得多。这种类型机器人的主要问题都集中在路径规划—既要保证区域彼盖的完整性,又要最大程度地提高效率,对清扫过程中出现的突发情况还要能很好地处理上。

处在非结构化环境中的清扫机器人,需要采用多种传感器来获取不同种类、不同状态的信息。这些信息彼此之间或相互独立或关联,甚至会出现彼此矛盾的情况。信息融合就是协同使用多种传感器并将各种传感器信息有效地结合起来,形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。迄今为止,没有任何一种传感器能够完全满足可靠性、高稳定性、高精度和低成本的要求。由此,我们通过融合处理综合分析来自各个传感器的信息,利用各种传感器性能上的差异与互补性,获取有效、可靠、完整的信息。采用这种方法,即使各个传感器所提供的信息有一定的误差和不确定性,但通过对它们提供的信息进行有效的综合,仍可以获取比任何单一传感器信息更可靠、更完整的融合结果。因此多传感器信息融合技术在清扫机器人的开发上具有很大的应用价值。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于，设计一种清扫机器人，以解决传统的人工清理方式在对大面积区域进行清扫时清扫面积大、清扫天数多、清扫强度高等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明由机械部分特征和控制部分特征组成。机械部分特征主要包括支撑整个装置的机架、实现机体运动的行走驱动机构、进行落叶清扫的清扫机构和负责落叶收集及倾倒的收集倾倒机构等。控制部分特征主要包括自动定位控制、路径规划控制、自动充电控制、自动启停控制和自动倾倒控制等。

机架是该清扫机器人的基本部分，它包括底板[4]、外壳[28]、前挡板[29]和各种传感器安装架等，主要是对整个小车起到支撑和固定的作用，实现各工作机构按照空间结构有序安装，保证各工作能够单独作业，防止干涉。机体的底部设有底板，其上装有驱动机构，外壳和前挡板在机体的上端，通过螺栓固定在底板上。

行走驱动机构为三轮机构，两轮独立驱动。其中前轮为万向轮，用于转向作用，两个后轮为驱动轮，采用差速转向原理。两驱动轮分别通过两驱动轮轴[38]进行动力传递，驱动轮轴上连接着涡轮[15]，与涡轮相配对的蜗杆[14]上装有电机[12]，动力由此传出。万向轮安装在轴ⅰ[9]上，轮孔的两边是两个套筒[10]，其上是支架[8]，通过螺母[11]进行固定。在万向轮装置的上端安装有一个轴承，由螺杆和螺母进行连接，这样可以实现前轮的转向功能。

清扫机构主要由滚刷[26]、边刷[5]和边刷电机[6]等组成。由于边刷所需功率一般不大，所以采用一个电机来驱动两边刷，采用齿轮减速传动。电机通过联轴器[27]为齿轮轴[21]提供动力，齿轮轴通过圆柱直齿轮[19]驱动轴ⅲ[18]，轴ⅲ带动一对圆锥齿轮将动力传到大锥齿轮[16]从而带动边刷旋转。边刷位于机体底板正前方的两侧，在电机输出动力并通过齿轮传动传递到边刷时，负责将落叶往机体底部中间集中。滚刷位于底板的后端，一端连有联轴器，由联轴器后端的电机驱动。滚刷的作用是将吸口没有吸入落叶收集箱[2]的落叶及正前方的落叶往吸口下方抛射，使得吸嘴[25]能够再一次将这些遗漏的落叶吸入落叶收集箱；设清扫机器人清扫作业时的行进方向为前，该滚刷的旋转方向与清扫机器人前进时驱动轮的旋转方向相反，且两个边刷的旋转方向相反，左侧边刷为顺时针旋转，右侧边刷为逆时针旋转；滚刷上设有六排直列刷毛，随着滚刷的转动，刷毛末端与待清洁表面的接触点从滚刷端部向中间移动，使落叶朝吸嘴前中部位置聚集。边刷环形侧面的刷毛与地面成一定的角度，且只有部分刷毛与地面相接触，这样可以使边刷在对落叶进行清扫时让落叶只朝某一个方向抛射，使落叶更加容易集中，从而提高清扫效率及边刷的使用周期。

收集倾倒机构包括吸嘴、吸管[3]、落叶收集箱、自动启闭门[42]和风机[1]。风机的作用是使落叶收集箱内产生负压从而形成高速气流，将吸嘴下方的落叶通过管道吸入落叶收集箱内，吸嘴位于机体底部中间位置，其作用是将在被风机的抽吸作用下集中的落叶吸入落叶收集箱，吸嘴的上方是与之相连的吸管，吸管的另一端是落叶收集箱，落叶收集箱的上方是风机，自动启闭门装置采用四杆机构，由步进电机驱动。

控制部分特征中，采用的是stc89c52单片机。自动定位控制采用接近开关定位法，即与门组合霍尔传感器的接近开关方法实现，接近开关定位法只需要在小车上面安装3144霍尔传感器，该传感器基于霍尔效应原理其内部还有一个运放，使得3144即时检测到的磁场不是很强，也可以准确地输出一个信号电平，并在定位点装上特殊信号发射装置，当清扫机器人移动到定位标志物处的时候就能够识别特殊定位点的定位标志物，从而实现定位功能。

路径规划控制采用弓字形路径规划法，即小车的路径是相互平行的弓字形。小车在清扫作业时采用弓字形路径规划程序，程序中设置了两个变量，其中一个变量“obstacle_sensor1”用来判断前方障碍物是否存在，另一个变量p用来记录上次转向，每次碰到障碍物的转向与上次不同，就能够实现小车弓字形行进。通过qmc5883l电子罗盘的反馈校准可以保持小车理论上在1~2°的误差范围内直线行驶，其中qmc5883l电子罗盘采用双电源供电。

自动充电控制的电量检测采用电压比较器的方法，以lm393电压比较器为感应核心，给lm393的“+”端接转换之后蓄电池的电压，给lm393的“-”端匹配设置一个对比电压，用这个电压跟蓄电池电压比较，当蓄电池电压低于这个电压时就会使lm393的输出端输出低电平，外接到单片机的话，就会触发低电量充电动作，清扫机器人就暂停当前清扫动作先去充电。充电站的位置识别可以采用地面固定磁体配合小车上的霍尔传感器识别位置的方法，充电桩电压转换电路可以用变压器配合桥式整流实现。

自动启停控制中自动停止的实现可以使用磁铁配合霍尔传感器的方法，清扫机器人到达设定位置的时候触发清扫机器人的停止程序。停止的时候是停止位置的信标触发的，此时进入延时程序，当延时时间到的时候驱动清扫机器人前进走出信标生效范围清扫机器人就可以正常启动了。启动时两个直流电机先以低速启动，然后全速工进，并且风扇、地刷正常运行，刹车松开，垃圾门关闭。

自动倾倒控制是利用小车检测到路边沿有障碍物时，检测垃圾箱是否被装满，可以用多个红外避障传感器配合与门组合成一个复合传感器，当几个方向上的传感器都检测到有障碍物了，就说明垃圾箱满了，此时触发倒垃圾程序，定义一个小车沿着路边沿行进的循环，记录下小车从倒垃圾触发断点行进到垃圾站的行进循环就能够确定清扫断点，当倒完垃圾的时候就根据这个循环数量回到倒垃圾程序被触发的地点继续清扫。其中垃圾站的位置识别也可以采用与门组合霍尔传感器的接近开关方法实现。

与现有的通过大型清扫车或是人工清扫的方式对公共场所进行清扫相比，本发明的有益之处在于：利用巧妙的机构实现了清扫机器人的自动清扫，清扫时的自动规划清扫路径，清扫后自动倒垃圾及自动充电等一系列功能，大幅度解放了劳动力，减少了大学校园和公园等地方的开支，同时还保证了清扫质量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的万向轮示意图

图3为本发明的驱机机构示意图

图4为本发明的清扫机构（局部）示意图

图5为本发明的清扫机构工作示意图

图6为本发明的机架示意图

图7为本发明的行走驱动机构示意图

图8为本发明的收集倾倒机构示意图

图中标号分别为：1.风机2.落叶收集箱3.吸管4.底板5.边刷6.边刷电机7.车轮8.前轮支架9.轴ⅰ10.套筒ⅰ11.螺母ⅰ12.电机13.轴ⅱ14.蜗杆15.涡轮16.大锥齿轮17.小锥齿轮18.轴ⅲ19.圆柱直齿轮20.轴承ⅰ21.齿轮轴22.轴承ⅱ23.轴承ⅲ24.轴ⅳ25.吸嘴26.滚刷27.联轴器28.外壳29.前挡板30.滚刷安装孔31.风机孔32.驱动轮安装箱33.车轮安装孔34.齿轮轴安装孔35.轴ⅳ安装孔36.吸嘴安装孔37.驱动机构固定架38.驱动轮轴39.杆ⅰ40.丝杆电机41.杆ⅱ42.自动启闭门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

如图1为本发明的整体结构示意图，图2为本发明的万向轮示意图，图3为本发明的驱动机构示意图，图4为本发明的清扫机构（局部）示意图，图5为本发明的清扫机构工作示意图，图6为本发明的机架示意图，图7为本发明的行走驱动机构示意图，图8为本发明的收集倾倒机构示意图。

当清扫机器人开始作业时，底板[4]前端两侧的电机[12]通过轴ⅱ[13]驱动涡轮[15]蜗杆[14]，从而实现后端两车轮[7]的运转，前端的万向轮也跟着运转，即清扫机器人前行。设清扫机器人清扫作业时的行进方向为前，此时电机[6]驱动齿轮轴[20]从而带动整个边刷清扫装置运转，滚刷[26]则通过与之相连的联轴器[27]后端的电机驱动。位于机体前端的两边刷[5]将落叶往车体中间聚集，而后端的滚刷则将落叶往小车中部集中，位于底板中部的吸嘴[25]在风机[1]的作用下将落叶从地面吸入，经过吸管[3]落入落叶收集箱[2]内。

电机[12]和蜗杆[14]通过凸槽相连接，动力经过蜗轮蜗杆的啮合运动传递，蜗轮[15]和驱动轮通过键连接安装在同一根传动轴上，因而具有相同转速，从而带动两轮旋转，推动机器人向前行走。通过改变两后轮之间的速度，使其获得不同的速度，从而实现差速转弯。前面的万向轮为随动轮，能够随向而动。至于轮胎的材料，表面外壳采用橡胶，里面是铝合金钢圈，这样的结构既可以避免因钢圈与地面的摩擦力小而引起的滑动，也可以减小橡胶轮的过度变形，使移动更加平稳精确。万向轮与底板的连接处使用了一个推力球轴承，用于承受以轴向载荷为主的轴向和径向组合载荷。为了防止轴承轴向滑动及其它不相干的东西进入轴承，以至于不能正常工作，采用轴肩固定,毡圈密封。

风机进风口下方有铁丝网，以防止落叶被吸入风机内，损坏风机。落叶收集箱底部为了在倾倒落叶时可以使落叶利用自身的重力落下，从而将落叶收集箱底部设计为与水平面成40度斜角，且落叶收集箱的四壁与垂直方向有一个5度的斜度。自动启闭装置采用四杆机构实现，采用步进电机驱动，因为步进电机是一个脉冲电机轴转动一定角度，所以只要控制步进电机的脉冲即可控制主动件转动的角度，实现所需的功能。

清扫机器人采用ds1302时间管理芯片，该芯片自带一个32.768khz的晶振，可以自己计时，自带寄存器可以存储时间，与单片机通信时可以通过单片机对其设置时间，也可以由单片机从ds1302读取时间。不仅能对秒、分、时、日、周、月、年计时，还可以补偿闰年。一旦清扫机器人有了时间观念，它就可以避开人流高峰去工作，提高清扫效率。

qmc5883l电子罗盘只需要接4根线，两根电源线接单片机的vcc、gnd，scl时钟线可以接在单片机的时钟时序模拟端，sda数据线可以接在单片机数据端口模拟端。在正常工作时，电子罗盘将不断的采集实时地磁角度信息，并将其通过数据线发送出去。iic数据传输总线只需要两根信号线，时钟线和数据线。当时钟线为高电平的时候读取数据线上的高低电平，时钟线为低电平的时候改变数据线的电平信号，一位一位传输数据信号，第九位作为应答位。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改造，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。