一种可越障的壁面清洁机器人的控制系统的制作方法

本发明涉及一种清洁机器人技术领域的控制系统，尤其是涉及一种涉及高楼玻璃壁面可越障式清洁机器人的控制系统。

背景技术：

随着机器人技术的迅速发展，高楼壁面清洗机器人应用越来越广泛，从经济角度和安全角度及可靠性和实用性上，控制系统的设计都应更加完善。目前高楼壁面清洁机器人系统的设计更重视整体的设计，往往忽略了机器人吸附力稳定性检测和控制以及壁面障碍物检测和控制。且对于机器人执行机构的协调控制没有给出具体的控制方案。

申请号为201110020001.9的中国发明专利，记载一种擦玻璃机器人的控制系统及其控制方法，所述擦玻璃机器人包括驱动机和随动机，在驱动机和随动机内分别设有极性相反的磁铁，以使随动机跟随驱动机移动。随动机包括清洁模块、遥控信号发射装置；驱动机包括驱动机处理模块、遥控信号接收装置、驱动模块及与其连接的第一行走模块。驱动机处理模块与遥控信号接收装置和驱动模块相连接，处理遥控信号接收装置接收的由遥控信号发射装置发射的信号。该擦玻璃机器人的控制系统及其控制方法，可以实现人为操控擦玻璃机器人进行工作，使擦拭玻璃更加轻松方便，安全可靠，并且能够提高擦玻璃的效率。 但是，该控制系统缺少壁面障碍的检测和越障控制方案。

目前壁面清洁机器人控制系统的专利有申请号为CN200310121761.4的中国发明专利，公开日为2004-12-15，记载了一种自攀爬清洁机器人的控制系统，该系统包括控制机器人运动的控制器、用于检测机器人自身状态和外界工作环境的传感器、用于通讯的无线数传模块、用于监控机器人工作状态和发送指令的人际交互的操作盒组成。操作者通过操作盒将指令利用无线数传模块发送给机器人，机器人的控制器收到指令后，将此指令分解为多个有序的子指令，子指令通过机器人上的CAN总线分发到机器人的各个分控制器上，各个分控制器根据指令以及传感器提供的信息驱动相应的电机，自动地完成机器人攀爬和清洗工作。但是该控制系统用于自攀爬清洁时，缺少越障操作的控制。

技术实现要素：

为了解决背景技术中提到的诸多问题，本发明提供一种高楼玻璃壁面可越障式清洁机器人的控制系统。

为了实现上述目的，本发明为一考虑到吸附和障碍等实际问题，并设计了相应的传感器及控制操作指令，在保证机器人稳定吸附的前提下实现越障。

所述独立的Wifi摄像头模块，主要用于实时监控清洁机器人的运动状态，当操作人员监控到机器人遇到障碍时，可以通过一键操作，使机器人主动越障，若出现意外随时急停，同时也可通过单步操作，分步分关节调整，手动调整越障。

所述Wifi传输模块，可给定一定的IP联网，实现在手机APP和控制器之间传输操作指令和图像。

所述控制器，主控板是Arduino Due，控制机器人的执行机构和接收传感器集合的信号所需的控制板外设有模拟输出PWM口、数字输入I/O口、I2C总线接口、外部中断和其他经过编程的输入输出I/O口。用于执行机器人行走连杆机构的三个舵机由三路以周期为20ms的PWM采用前台规划后台执行的方法联动控制。

所述越障控制，当红外传感器检测到障碍时，前进擦拭清洁工作停止，通过控制器发出相应的控制信号控制步进电机和舵机协调动作，实现机器人整体的越障动作。

所述吸附控制，机器人在运动过程中需时刻检测其吸附状况，通过压力传感器检测真空泵处的压力，若压力过小则调整真空泵，增加其运行功率，提高吸附力，若压力高于所设定的最低值，则保持真空泵的运行功率。

所述清扫控制，当控制器接收指令后，控制步进电机的转动角度，利用角度传感器角度大小，从而控制机器人的左右两个真空泵协调配合清洁。

所述整体控制流程，首先手机APP界面弹出是否人工控制的指令，若需要人工控制，则通过遥控的方式控制机器人完成清洁和越障动作，否则，通过光电传感器检测是否存在障碍，若检测到障碍，机器人进行越障操作，否则机器人自动行走擦拭，清洁壁面。

本发明一种高楼玻璃壁面可越障式清洁机器人的控制系统的有益技术效果为：实用、控制简单，具有较好的推广和使用价值。

附图说明

图1是一种可越障的壁面清洁机器人的控制系统的总体控制框图。

图2是机器人控制系统结构图。

图3是该机器人控制方案和外设图。

图4是该机器人总体控制程序流程图。

图5是该机器人行走操作图。

图6是该机器人清扫控制图。

图7是该机器人越障控制图。

图8是该机器人真空吸附控制图。

图9是该机器人控制板的电路连接图。

具体实施方式

结合图1—9对本发明做出进一步的详细说明。

图1是一种可越障的壁面清洁机器人的控制系统的总体控制框图，其特征包括:整个控制系统包括用于接收各种操作指令并控制清洁机器人的各机构协调运动的控制器（1）、用于检测清洁机器人的自身工作状态及壁面障碍情况的传感器集合（2）、用于实时监控机器人工作状态的独立的WiFi摄像头模块（6）、用于给机器人发送各种操作指令的手机操作APP（3）、用于传输操作指令和图像的Wifi传输模块（4）。其中，操作人员通过手机APP发送操作指令，并通过Wifi传输模块传输指令，控制板接受指令后对其进行翻译，然后配合传感器，指导前台规划机器人的运动，后台指导执行机构（5）动作使机器人完成高楼壁面（7）上的前进擦拭和越障，同时WiFi摄像头模块可将机器人运动状态实时反馈到手机APP，如图1所示。

图2是机器人控制系统结构图，首先操作人通过手机APP发送操作指令，控制器接受指令，并根据相应的指令控制相应的元件或传感器，主要包括控制真空泵吸附于壁面，控制步进电机转动给定的角度，控制直流电机和舵机转动并控制执行机构动作，控制气压计检测气压值，控制光电传感器检测障碍物。

图3是该机器人控制方案和外设图，主控板是Arduino Due，控制机器人的执行机构和接收传感器集合的信号所需的控制板外设有模拟输出PWM口、数字输入I/O口、I2C总线接口、外部中断和其他经过编程的输入输出I/O口。用于执行机器人行走连杆机构的三个舵机由三路以周期为20ms的PWM采用前台规划后台执行的方法联动控制；用于配合机器人清扫、越障时步进电机采用经过算法编程过的三路分别表示方向，输出脉冲和使能的 I/O口输出给定要求的一系列脉冲来控制DVR8825步进电机驱动来控制步进电机工作；真空泵和直流电机都采用l298N电机驱动，通过控制方向、输出功率的PWM及控制使能的I/O口来控制直流电机和真空泵的转速及方向；4路数字I/O口接收红外传来的障碍信号；每个编码器通过两个外部中断来检测步进电机装过的角度反馈给系统来精确地完成清扫和越障工作；通过I2C总线接收气压计传来的信号，在需要判断真空泵工作时作为反馈信号判断其工作状态来完成吸附控制。

图4是该机器人总体控制程序流程图，首先机器人在真空泵的作用下吸附在壁面上，然后在手机APP界面弹出是否人工控制的指令，若需要人工控制，则通过遥控的方式控制机器人完成清洁和越障动作，否则，通过光电传感器检测是否存在障碍，若检测到障碍，机器人进行越障操作，否则机器人自动行走擦拭，清洁壁面。

图5是该机器人行走操作图，完成电机舵机的统一指令控制，实现运动执行规划与指令接受的统一指令集，控制层程序分为运动执行，运动规划和指令接收。具体控制实现为，运动执行为后台任务，在中断中执行，从运动队列中获取运动块并完成。运动规划为前台任务，作用是从指令接收模块获得指令，并将其分解为小的线性运动（分片），加入运动队列供运动执行模块执行。指令接收模块作用是翻译字符串格式的指令，使运动规划模块能够理解，并处理指令等待等相关任务。检测运动队列是否为空，取指令执行（输出舵机信号，运动方向信号，之后输出步进电机驱动信号），步进电机动作完成后检测舵机动作是否完成（舵机动作需固定时间），移除当前运动块。尝试获取指令，确定分片数，指令分片（查表计算舵机角度，计算步进电机步数）加入运动队列，若运动队列满则挂起当前指令，下一循环继续完成分片，若当前指令处理完毕则尝试获取下一指令。

图6是该机器人清扫控制图，当控制器接收指令后，控制步进电机的转动角度，利用角度传感器角度大小，从而控制机器人的左右两个真空泵协调配合清洁。

图7是该机器人越障控制图，当红外传感器检测到障碍时，前进擦拭清洁工作停止，通过控制器发出相应的控制信号控制步进电机和舵机协调动作，实现机器人整体的越障动作。

图8是该机器人真空吸附控制图，机器人在运动过程中需时刻检测其吸附状况，通过压力传感器检测真空泵处的压力，若压力过小则调整真空泵，增加其运行功率，提高吸附力，若压力高于所设定的最低值，则保持真空泵的运行功率。

图9是控制板的电路连接图，红外传感器U2、U3、U4、U6、U7、U8、U9、U10的（1）端接高电平3.3V，（2）端接地，（3）端接红外传感器的输出信号。气压传感器BMP180 U1、U5的（1）端接高电平3.3V，（2）端接地，（3）端接控制器I2C总线的串行数据线SDA（13）端，（4）端接I2C总线的串行数据线SDA（14）端。步进电机STEPPER1、STEPPER2接A、B两相，A+、A-、B+、B-分别接驱动模块的（6）、（7）、（8）、（9）端，步进电机驱动模块MODULE2、MODULE3的供电电源接3.3V和地，驱动步进电机电源PWR+、PWR-接24V和地。步进电机驱动模块MODULE2、MODULE3的使能EN（3）端分别接控制器的（1）、（4）端，脉冲输入端STEP（4）端分别接控制器的（2）、（5）端，方向控制端DIR分别接控制器的（3）、（6）端。直流电机DC1、DC2通过三极管放大电路驱动，电源接24V，通过DCM1、DCM2端分别接控制板的（24）,（25）端控制电机开断。舵机SERVO1、SERVO2、SERVO3的PWR接24V电源，GND接地，SIG分别接控制板的（7）,（8）,（9），真空泵BUMP1、BUMP2的P+接24V电源、P-接地，控制开关CTRL分别接（24）,（25）。

本发明也可用于控制地面和楼梯等的自动清洁和越障。

上述应用实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做出的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。