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0 引言
随着科学技术的进步和社会发展，特别是受生活节奏加
快和工作压力增大的影响，人们希望从繁琐的日常清洁事务中解脱出来。同样在学生寝室也是如此，为解决学生寝室这一市场诉求，一款轻便、噪音小、低成本的扫地机器人必不可少。本文设计的基于STM32单片机的扫地机器人，利用 多种传感器的信息采集与反馈来控制扫地车正常工作。有机地将移动机器人与清扫装置相融合，将其应用于特定环境来满足学生对寝室卫生打扫的需求，是对当今扫地机器人应用的一个有效尝试。 1 总体设计方案
寝室扫地机器人的主要构件有：行走装置、清扫装置、
垃圾收集装置、传感检测装置、电源装置等，如图１所示[1]。
图1 系统总体结构图
■1.1 扫地功能设计
该扫地机器人外形采用市面上常见的圆形结构主要是
为了避免其在转弯的过程中卡住。在寝室扫地车的底盘的靠前的方位，设计一个由直流减速电机驱动的单方向旋转扫帚，工作时电机时刻旋转。扫帚是一个圆柱体形状的毛刷机构，尽可能的靠近地面，选定合适的电机旋转速度带动扫帚，
形成将垃圾往清扫装置中清扫的动作将垃圾清扫到垃圾收集装置中存储。
■1.2 垃圾收集装置
垃圾收集装置安装于智能扫地车底部，其前端有一块紧
贴在地面上的薄的刀片状塑料，紧挨清扫装置的后方，便于及时将垃圾扫入收集装置中，避免垃圾从下方漏过，有效的保证行进路线上垃圾的清扫效率。 ■1.3 驱动装置、移动机构
单片机微处理器使用PWM 控制方式，通过L298N 电
机驱动模块实现电机驱动，来控制电机转速和转向。使用两个带光电编码器的直流减速电机放置于扫
地车的后方，提供足够大的驱动力让扫地车前进、后退和转弯。并采用防滑的轮胎避免小车打滑。通过光电编码器记录并计算小车行进路程，清楚地知道其位置状态信息。前面使用两个固定方向的小轮（不适合使用万向轮），尽可能的使小车能够趋于直线行驶。通过一个电机停转一个电机转动的方式实现差速转
弯，利用光电编码器即可实现任意角度转向。 ■1.4 传感检测装置模块
传感检测模块包括2个光电编码器、2个红外传感器、2个超声波传感器和1个MPU6050模块，主要用于避障、位置分析和车轮打滑检测。
（1）红外传感器。2个红外传感器分别安装在扫地车
的左侧和右侧，并正对相应方向。利用遇到物体要反射的性
质来检测障碍物和墙壁，通过ADC 采样返回电压来计算障碍物距离。左侧红外传感器用于判断扫地车避障时是否绕过障碍物，适当使该模块靠近地面，使略小的障碍物也能检测到其距离信息。并且两侧的红外传感器也可判断扫地车直行时车身左右距离墙壁距离，能判断是否清扫结束。（2）超声波传感模块。2个超声波传感器放置于前方
合适位置，同样可以用于判断障碍物和墙壁的距离，使用它的原因在于该方法使用单片机定时器的中
断捕获功能测量的距离更加准确。通过一定时间间隔定时发射超声波，此时单片机开始计时，当收到反射回来的超声波后，停止计时，
曹凯凌，谭玉婷
（西南科技大学智能机器人创新实践班，四川绵阳，621000）
基金项目：西南科技大学大学生创新基金项目精准资助专项资助（项目编号：JZ17-049）。
平板显示摘要：寝室扫地机器人技术的研究与设计旨在通过科技改变学生的日常生活。本文介绍了该寝室扫地机器人的驱动系统、感知系统、清扫系统、控制系统和校正系统。硬件上以STM32F103ZET6为微控制器，通过超声波模块、红外传感器、MPU6050传感器和光电编码器反馈的信息来确定位置信息和下一步工作。结合学生寝室固定环境采用固定模式清扫。采用闭环控制系统使扫地车尽可能走直线，提高清扫覆盖率。通过光电编码器和直流电机的差速控制实现任意固定角度的转弯，并记录小车直线行驶的路程信息。前方的超声波传感器判断该扫地车离墙壁和障碍物距离，红外传感器检测墙壁和障碍物，避免发生碰撞。通过固定的转弯反应动作实现避障。针对寝室固定环境，该扫地机器人具有较强应用价值。
关键词：STM32单片机；传感器；扫地机器人；闭环控制
4 | 电子制作 2018年5月
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得到超声波来回的时间t，再根据波在空气中的传播速度v 即以得到扫地车与障碍物的距离s=（v·t）/2。
（3）光电编码器。光电编码器的的计数值远高于霍
尔编码器使得计量更加的精确，通过编码器计数值反馈信息实现PID 控制，使扫地车走直线。记录扫地车直行时电
机转动的圈数N，结合车轮的周长C 算出扫地车直行距离S=N·C。寝室布局类似于一个长方形，知道其宽度再结合超声波传感器再适当的路程后测量墙壁的距离即可判断准
确的掉头位置。
（4）MPU6050模块。MPU6050模块即三轴陀螺仪与三轴加速度计一体化传感器，它提供三个方向的瞬时加速度、旋转的角度值，可利用其瞬时加速度积分方式来计算距离，但误差较大且MPU6050漂移明显，不推荐使用。通过MPU6050得到的水平面旋转角度与光电编码器时刻记录的转向角信息对比判断扫地车车轮是否打滑。 ■1.5 电源装置
考虑到寝室扫地车的电源不影响学生在寝室中的正常
生活，不适合采用拖线的方式，因此为扫地车配备轻巧易拆取的可充电电池，方便扫地车四处行动。因此，本系统采用12V 锂电池来为寝室扫地车供电，且该锂电池具有热保护、
带过流保护、过充保护、欠压保护功能，保证学生寝室安全。
2 寝室扫地车的控制设计
寝室扫地车的控制设计主要包括：避障控制、直行控制、
路径规划和车轮打滑校正控制。控制流程图如图2所示。
图2 控制系统流程图
■2.1 扫地车的主体电控设计
整个设计分为硬件和软件两部分。硬件部分采用
STM32F103ZET6单片机作为可编程芯片，它是由意法半导体公司出品的中低端32位ARM 微控制器，其内核是Cortex-M3。软件部分用C 语言作为设计语言，通过软件编程控制可编程器件STM32F103ZET6，实现对时间的控制、调整和定时，以及对传感器反馈信息做处理，对扫地车实时
工作状态进行控制。
■2.2 扫地车避障控制的实现
通过测量可得扫地车驱动轮间的间距L 和轮子的周长
C，若想使扫地车转动R°的角度，则可得扫地车车轮所需转动的圈数N，即N=（R·π·L/180）/C，依照此公式设定左转弯90°和右转弯90°程序。当前方超声波传感器检测到设定距离内的障碍物时，统一向
右侧转弯躲避障碍物，整个避障过程分为三个阶段：第一阶段，扫地车右转90°后缓慢直行，左侧的红外传感器检测是否绕开障碍物，绕开障碍物时结束直行，记录此段直行距离为X1；第二阶段，扫地车向左转弯90°后缓慢直行，同样，左侧的红外传感器模块检测是否绕开障碍物，绕开障碍物时结束直行，记录此段直行距离为X2；第三阶段，扫地车左转弯90°后直行X1距离，再右转弯90°回到原线路继续工作。在避障过程中，由于每进行一次90°转弯都会使扫地车相对向前移动L/2的距离，整个避障总共包括四次转弯，则相对向前行驶的距离为2L，加上第二阶段直行距离X2（即2L+X2），这即是扫地车避
障中相对向前移动的距离，此距离即作为每次避障向前移动
的总距离。避障路线如图3所示[2]。
图3 避障控制路线图
车载影院■2.3 驱动控制设计
角钉寝室布局大致可看做长方形，在扫地车能尽可能走直线
的前提下，通过类似于S 形的清扫可使扫地车的清扫范围
全覆盖。但在不加闭环控制的情况下我们不能保证扫地车能直行。扫地车走不直的原因有：第一，两个电机本身的驱动特性不可能完全相同，且两个电机外形大小不可能是完全一致，组装时精度也会出现差异；第二，轮胎在滚动时打滑、遇到细小的障碍物等因素都会造成左右轮的速度出现差异，从而导致扫地车走不直。开环控制是无法消除左右轮的速度
误差的，因为上述的扰动是随机的。若要想小车走一条直线，唯有实现闭环控制。当小车受到扰动时能及时对左右轮
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给予反馈，修正两轮的速度偏差，从而可以走出一条直线。PID 算法就是一种闭环控制算法，实现PID 算法需存在负反
适用于英语
馈，所以该扫地车采用带光电编码器的电机，及时将两个轮子的转速反馈给微处理器，让微处理器控制转速快的电机转动慢些，即可使扫地车跑直线，有效的控制扫地车行走的精度，使线路准确。通过设定的固定转角的转弯程序，扫地车通过两次同方向转弯实现掉头，两次直行中间含有一小段直行距离。初始时，将扫地机器人顺着宽度方向放置在寝室角落的起始位置，即长方形区域左下角，等待各模块初始化，当MPU6050初始化成功并且其数值稳定后，记录初始角度，控制扫帚的电机开始转动，扫地车开始工作。初始时i 值等于0，通过编码器记录路程信息，当直行距离接近于寝室宽
度的适当距离时向右侧进行掉头（避障时直行距离单独计算），掉头后i 值加一，当直行距离相应距离后向左侧掉头，
即通过判断i%2的值，若其值等于0则右转，反之左转，每次掉头之后i 值加一，直到红外传感器直行时检测到左右
墙壁，结束清扫。扫地车清扫路径如图4所示。
图4 扫地车行走路线 ■2.4 检测车轮打滑与校正
由于涉及到闭环控制，扫地车车轮打滑时车轮的转动同
样会被记录，这将严重影响扫地车的闭环控制导致其偏离直线行驶，扫地车工作异常。通过检测MPU6050角度，与光电编码器所采集的偏差角度相比较，假若两者偏差较大则说
明发生了车轮打滑。此时通过转向并结合MPU6050所测方向使扫地车回到正常方向重新开始工作[3]。
3 总结
本文设计的寝室扫地机器人能有效解决学生寝室日常
生活中地面上的垃圾问题。扫地车的整个系统采用闭环控制，利用反馈调节使扫地车工作稳定，有效的提高清扫覆盖率。该扫地车同时拥有良好的避障能力和一定的自我校正能力，当发生车轮打滑影响闭环控制时可以进行自我校正，使系统工作更加稳定。该扫地机器人能很好的应用于学生寝室。
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等多种的应用软件成为智能终端技术运用的主要发展方向。通过智能终端的实现，可以实现多种业务的操作以及处理，帮助人们实现生活的便捷化，同时促进人们在工作中的移动化，对社会的发展具有重要的意义。
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