专利名称：机器人吸尘器自动避障及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人吸尘器自动i^F章及其控制方法。
背景技术：
常用的机器人吸尘器，在遇到家具或墙壁等障碍时，往往采用超声波传 感器避障。^Sit种避障方法遇到的问题是为了确定工作区域的范围，必须 沿着工作区域的轮廓行驶而不实际执行清洁工作，所以减少了机器人吸尘器 本体实际有效的操作时间。另外，采用红外测距传感器也是一种较为譽遙的
避障方法，但是采用红外测距传感器的清洁机器人，除了前述的问题外，容 易受到环境的影响。同时，它需要增设光电码盘或遥控器控制，其元器件价 格较高、算法程序复杂，增加了机器人吸尘器系统的复杂性，其可靠性将受 到影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机器人吸尘器自动避障及其控制方 法。该机器人吸尘器由吸尘本体和^i占组成。在吸尘本体的整个吸尘过程中， 既能避障，同时也能与1^之间##通信联系，使吸尘本体吸尘、避障，并 能自主地回到勤左i^f于抽尘和充电。
为解决上迷4支术问题，本发明的一种机器人吸尘器自动避障及其控制方 法，包括吸尘本体、基站和控制电路，吸尘本体上设置有左、右轮，吸尘本 体吸尘后自动返回基站充电和抽尘，其发明点在于所i^4站顶端il^有红 外发射器，向吸尘本体不断发出红外线波，在吸尘本体上部设置有四个红夕卜 接收器，接^自Ui发出的红外通讯信号。
作为本发明的一种改进，所述控制电路包括单片机U5、驱动电路、电流 反馈电路、防坠落电路、红外接收电路、电压监视电路，所述驱动电路与单 片机U5相连接，用于驱动左轮电机D1、右轮电机D2;所迷电流反馈电路 分别与驱动电路以及单片机U5输入接口相连接，用于检测左、右轮电机D1、 D2的电枢电流，经电压放大器放U输入单片机U5;所述防坠落电路与单 片机U5相连接，用于判断级Jt本^^动方向的高度U否超出限高范围， 防止吸尘本体从高处擎落；所迷红外接收电路与单片机U5相连接，用于接 收来自M上的红外5射器发出的红外通信信号，由单片机U5判断出吸尘 本体与基站的相对位置，决定吸尘本体是否需要避开障碍及其下一步的运动 方向；所述电压监视电路与单片机U5相连接，用于监视电池电压，起着充电保护作用。
作为本发明的另一种改进，所述红外接收电路包括红外接收模块Fl、F2、 电阻R41、 R42、 R43、电容C23,所迷红夕卜接收才狄Fl分别与电阻R42、 单片机U5的P1.0接口相连接，所述红外接收^F2分別与电阻R43、单 片机U5的P1.1接口相连；
作为本发明的另一种改进，所述驱动电路包括功率集皿块U6、左轮电 机D1、右轮电机D2、风泵电机D3，所述功率集^4缺U6与单片机U5相 连接，所述左、右轮电机D1、 D2、风泵电机D3分别接至单片机U5的输入 接口；所述电流反馈电路包括采样电阻R32、 R33、电压放大器N1、 N2，采 样电压经放大后再通过驱动电路中的功率集成才狭U6输入到单片机U5的 A/D接口；所述防坠落电路包括安装在吸尘本体底部的红外传感器S1、 S2、 S3、 S4，电阻R4-RI5，放大器CT3 - Cfe，通iti文大器03 - C6与单片机U5 的输入接口相接。
釆用这样的技术方案以后，机器人吸尘器的吸尘本体通过其上的红外接 收器与基站上的红外发射器之间的通信，即吸尘本体的红外接收器接收来自 安#^^上的红外发射器发射的经过调制后的红外通信信号，经过红外接 收电路的解调后，传送到单片机和^(诸器，^f诸器用于賴吸尘器的控制程 序、自动避障算法和红外通信算法，由单片机判断机器人吸尘器本体与基站 的相对位置关系，以决定机器人吸尘器本体的下一步运动方向，再由单片机 控制，驱动左、右轮前进、后退、左转、右转，完成各种避障动作；底部装 有四个红外传感器，在吸尘本体iiJ'j楼梯、台阶时，用于判断吸尘本体运动 方向的高度差是否超出限高范围，防止吸尘本体从高处坠落；吸尘本体清洁 和吸尘到预设的工作时间后，与彭i间的通信将决定p及尘本体向fc占移动， 到达U占后进行抽尘或充电。然后，继续在下一点检测红外信号，重复上述 操作。本发明通过p^本体上的红外接收器与彭占上的红外发射器之间的通 信，由单片机判断并完成吸尘器的避障，能够实现无人值守、智能化的清洁 工作》与常用的清洁机器A N比，本发明不使用光电码盘和遥控器，其控制 电路结构简单，性能稳定可靠。
下面将结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。
图1为本发明的一种机器人吸尘器自动避P章及其控制方法的程序框图。
困2为本发明的一种机器人吸尘器自动避障及其控制方法的电气原理图。
图3为本发明的吸尘本，到正前方障碍时的避障示意图。 图4为本发明的p及尘本体遇到左前方障碍时的避障示意图。
5图5为本发明的吸尘本^i4到右前方障碍时的避障示意图。 图6为本发明的吸尘本 到两面形成的障碍时的避障示意图。
具体实施例方式
参见图1和图2,本发明的一种机器人吸尘器自动避障及其控制方法， 包括吸尘本体l、基站2和控制电路，吸尘本体l上ili有左、右轮，吸尘 本体l自动吸尘后返回勤i2充电和抽尘，其发明点在于所述勤占2顶端 iM有红外发射器201，向吸尘本体1不断发出红外线波，在吸尘本体1上 部设置有四个红外接收器101、 102、 103、 104，接收来自勤占2发出的红外 通讯信号。
所述控制电路包括单片机U5、驱动电路3、电流^J溃电路4、防坠落电 路5、红外接收电路6、电压监视电路7，所述驱动电路3与单片机U5相连 接，用于驱动左轮电机D1、右轮电机D2;所述电流反馈电路4分别与驱动 电路3以及单片机U5输入接口相连接，用于检测左、右轮电机D1、 D2的 电枢电流，经电压放大器放;U^输入单片机U5;所述防坠落电路5与单片机 U5相连接，用于判断piU:本体i运动方向的高度差是否超出限高范围，防止 吸尘本体l从高处坠落；所述红外接收电路6与单片机U5相连接，用于接 收来自^2上的红外发射器201发出的红外通信信号，由单片机U5判断 出吸尘本体1与^i占2的相对位置，决定吸尘本体I是否需要避开障碍及其 下一步的运动方向；所述电压监视电路7与单片机U5相连接，用于监祝电 池电压，起着充电保护作用。
所述红外接收电路6包括红夕卜接收才缺F1、 F2、电阻R41、 R42、 R43、 电容C23，所述红外接收才狭F1分别与电阻R42、单片机U5的PLO接口相 连接，所述红外接收才跌F2分别与电阻R43 、单片机U5的PU接口相连。
所述驱动电路3包括功率集成才狭U6、左轮电机D1、右轮电机D2、风 泵电机D3，所述功率臬^f狭U6与单片机U5相连接，所述左、右轮电机 Dl、 D2、风泵电机D3分别接至单片机U5的输入接口。设定所述电机DI、 D2正转，p及尘器前进；所述电机D1、 D2反转，则吸尘器后退。
所迷电流反馈电路4包括采样电阻R32、 R33、电压放大器N1、 N2，采 样电压I^丈^输入到单片机U5的A/D接口；所述防坠落电路5包括安装 在吸尘本体1底部的红外传感器S1、 S2、 S3、 S4，电阻R4-R15，放大器 03-06，通狄大器CT3-Cte与单片机U5的输入接口相连。
由图l可以看出，本发明的避障程序是接通电源，避障次数K-O，基 站2上的红外发射器201不断地JL出红外通信信号，吸尘本体1首先判断安 装在正面的两个红夕卜接收器101、 103是否接4tJ，j高电平，如果#^收到高电 平，则驱动吸尘本体1向前运动；如果只有一个红外接收器接收到高电平，吸尘本体l先向右转，直到两个红外接收器,收到高电平为止，然后再驱
动吸尘本体1向前运动。吸尘本体1的前行、后退可以通过控制驱动电机D1、 D2的正反转来实现，具体方法是功率集成模块的使能控制端EnableA接单 片机U5的P0.0，由PO.0输出脉宽调制信号，控制右轮电机D2的转速，功 率集^f狄的Inl和fo2分别接单片机U5的P3.7和P3.6,当P3.7输出高电 平，P3.6输出低电平时，右轮电机D2正转；反之，当P3,7输出低电平，P3,6 输出高电平信号时，右轮电机D2反转；同样，功率集^4莫块的使能控制端 EnableB接单片机U5的PO.l，由P0.1输出脉宽调制信号，控制左轮电机的 转速，功率集^f狭的In3和In4分别接单片机U5的P1.3和P1.4, P1.4输 出高电平信号，PL3口输出低电平时，左轮电M转；反之，P1.4口输出低 电平，P1.3输出高电平信号时，左轮电积^^转。如果左、右轮电机D1、 D2 都控刮为正转，则吸尘本体前行，反之为后退。通过控制左轮电机的正转和 右轮电机的停转实现吸尘本体的向右旋转，右，转可以通过PO.O 口输出低 电平实现；通过控制右轮电机的正转和左轮电机的停转实现吸尘本体的向左 旋转，左M转可以通过PO.l 口输出低电平实现。
在吸尘过程中，与家具或墙壁或人或宠物将^^发生碰撞，分别有以下几 种避障情况，图中虚线部分表示避障后吸尘本体的位置
一. 障碍在吸尘本体的正面
参见图1和图3,吸尘本体1上的四个红外接收器101、 102、 103、 104 中的两个红外接收器101、 103接40ij红外信号，采样电阻R32、 R33的信号 经电^!^i文大器Nl、 N2放^,通过驱动电路中的功率集^f狭U6i^v单 片机U5，当左、右轮电机i^样电压Ul大于3V并持续超过0.3秒，则判断 出障碍在吸尘本体1的正前方，此时单片机U5发出指令，驱动吸尘本体1 向后退一小M离，然后向右旋转135。后继续运行。
二. 障碍在吸尘本体的左前方
参见图l和图4，吸尘本体1上的四个红外接收器101、 102、 103、 104 中的两个红外接收器101、 103接收到红外信号，采样电阻R32、 R33的信号 经电压放大器N1、 N2放大后，通过驱动电路中的功率集^^:U6ill/v单 片机U5，当左轮电机采样电压U1大于3V并持续超过0,3秒，而右轮电机 采样电压未大于3V或虽然电压大于3V^E持续时间小于0.3秒，则判断出障 碍在吸尘本体1的左前方，此时单片机U5发出指令，驱动吸尘本体1向后 退一小^巨离，然后向右旋转90。后继续运4亍。
三. 障碍在吸尘本体的右前方
参见图1和图5，此时检测到右轮电机采样电压大于3V且持续时间超过 0,3秒，左电机采样电压小于3V或虽然电压大于3V赠续时间小于0.3秒，则表明障碍^器人的右前方，单片机U5发出指令，驱动吸尘本体l向后 退一小銜限离，然后向左;^4争90°后继续运行。 四、pJjt本体遇到两面形成的障碍物
参见图1和图6，此时检测到左、右轮电机采样电压均大于3V且持续时 间超过0,3秒，则表明此障碍是一由两面形成的障碍物，单片机U5的指令驱 动吸尘本体转过180。，再向后退继续运动。
本发明的单片机建i义采用Cygnal公司的八位C8051F015芯片，内含 64KFLASH程序賴器，16位可编程定时器/计数器列阵，可用于脉宽调制波 发生器和12位多通道ADC转换器。
权利要求
1、一种机器人吸尘器自动避障及其控制方法，包括吸尘本体(1)、基站(2)和控制电路，吸尘本体(1)上设置有左、右轮，吸尘本体(1)自动吸尘后返回基站(2)充电和抽尘，其特征在于所述基站(2)顶端设置有红外发射器(201)，向吸尘本体(1)不断发出红外通信信号，在吸尘本体(1)上部设置有四个红外接收器(101、102、103、104)，接收来自基站(2)发出的红外通讯信号。
2、 根据权利要求1所述的机器人吸尘器自动避障及其控制方法，其特征 在于所述控制电路包括单片机U5、驱动电路(3)、电流反馈电路(4)、防 坠落电路(5)、红外接收电路(6)、电压监视电路(7),所迷驱动电路(3) 与单片机U5相连接，用于驱动左轮电机D1、右轮电机D2;所述电流反馈 电路(4)分别与驱动电路(3 )以及单片机U5输入接口相连接，用于检测 左、右轮电机D1、 D2的电枢电流，经电压放大器放U输入单片机U5;所 述防坠落电路(5)与单片机U5相连接，用于判断吸尘本体(1)运动方向 的高度差是否超出限高范围，防止吸尘本体(1)从高处坠落；所述红外接收 电路(6)与单片机U5相连接，用于接收来自基站(2)上的红外发射器(201) 发出的红外通信信号，由单片机U5判断出吸尘本体(1)与基站(2)的相 对位置，决定吸尘本体(l)是否需要避开障碍及其下一步的运动方向；所述 电压监視电路(7)与单片机U5相连接，用于监視电池电压，起着充电保护 作用。
3、 根据权利要求1或2所述的机器人吸尘器自动避障及其控制方法，其 特絲于所述红夕卜接收电路(6)包括红外接收才狭F1、 F2、电阻R41、 R42、 R43、电容C23，所述红外接收才狭Fl分别与电阻R42、单片机U5 的P1.0接口相连接，所述红外接收才狄F2分别与电阻R43、单片机U5的 PU接口相连。
4、 4Nt权利要求1或2所述的机器人吸尘器自动避障及其控制方法，其 特征在于所述驱动电路(3)包括功率集^^:U6、左轮电机D1、右轮电 机D2、风泵电机D3，所述功率集^^缺U6与单片机U5相连接，所述左、 右轮电机D1、 D2、风泵电机D3分别接至单片机U5的输入接口。
5、 #^权利要求1或2所述的机器人吸尘器自动避障及其控制方法，其 特征在于所迷电流反馈电路(4)包括采样电阻R32、 R33、电压放大器 Nl、 N2，采样电压经放;^输入到单片机U5的A/D接口。
6、 根据权利要求1或2所述的机器人吸尘器自动避障及其控制方法，其 特征在于所迷防坠落电路(5)包括安^吸尘本体(1)庙^部的红外传感器S1、 S2、 S3、 S4,电阻R4-R15，放大器03-06,通ii嫩器03-06 与单片机U5的输入接口相连。
全文摘要
一种机器人吸尘器自动避障及其控制方法，包括吸尘本体、基站和控制电路，吸尘本体上设置有左、右轮，所述基站顶端设置有红外发射器，吸尘本体上部设置有红外接收器，接收来自基站发出的红外通信信号；控制电路包括单片机、驱动电路、电流反馈电路、防坠落电路、红外接收电路、电压监视电路。根据吸尘本体与基站的相对位置，由单片机控制吸尘器的运行。在遇到障碍时，单片机判断并控制吸尘本体避障及其下一步的运动方向，吸尘一段时间后，吸尘本体自动返回基站抽尘和充电。采用本发明制作的机器人吸尘器，其结构简单、控制可靠、性能稳定，可以完成无人值守、智能化的清洁工作。
文档编号G05D1/02GK101446832SQ200710190619
公开日2009年6月3日 申请日期2007年11月27日 优先权日2007年11月27日
发明者军 周, 朱灯林, 梅志千 申请人:常州新区常工电子计算机有限公司