基于ARM处理器的吸尘机器人硬件设计（2） 机器人, 处理器, 传感器, 硬件, 测量

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　　2.3 传感器模块
　　主要包括3部分：用于测量和感知障碍物的超声模块、红外和碰撞传感器，用于状态检测的传感器（检测电池电量、尘桶、电机堵转悬空）。传感器模块使机器人对周围环境做出正确判断，为顺利完成任务提供智能决策。
　　（1）超声波测距传感器模块
　　室内吸尘机器人由于工作环境的原因，必须具备检测各种大小、高低、颜色的障碍物，超声波是一种非接触式的检测技术，在空气中传播不受光线、烟雾、电磁场等外界因素的干扰，与红外传感器相比，超声传感器感应距离更远，可靠性高，且成本低。因此，使用高精度的超声波测距系统可以有效地完成障碍物的检测。
　本文选用的是US-100 超声波测距模块可实现0~4.5 m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5 V的宽电压输入范围，静态功耗低于2 mA,自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO,串口等多种通信方式，工作稳定可靠。在机器人的前后各安装两个超声波传感器，处理器产生40 kHz的脉冲经I/O口输出，再经过与非门以及三极管放大形成极性相反的两路脉冲输入超声波发射头的两个引脚，探头便可发出一连串40 kHz的超声波，遇障碍物后返回给接收电路，处理器同时控制门电路，以实现发射波的间断如图3所示。超声波接收端通过压电转换的原理，把经障碍物反射回的信号转换为电信号经过低噪声放大和带通滤波，再比较产生中断给处理器进行时间测量，从而做出障碍物的距离判断，如图4所示。




（2）红外和碰撞传感器模块
　　本吸尘机器人在工作时对于远距离障碍物主要利用超声波测距，但是超声波对近距离障碍物不敏感，所以增设红外模块进行近距离检测，根据能量反射法设计红外测量模块。机器人前后安装两组红外传感器，每组由多达14组红外发射接收管组成，在机器人的上面和底盘各安装14个，每上位和下位的2个红外发射和接收管并联并且指向同一个方向构成一组，每一组电路可分为高频脉冲信号产生、红外发射调节与控制、红外发射驱动、红外接收等几个部分。通过38 kHz晶振和非门电路得到一个38 kHz的调制脉冲信号；利用三极管驱动红外发射管（TSAL6200）的发射。发射管发出的红外光经物体反射后被红外接收模块接收，通过接收头（HS0038B）内部自带的集成电路处理后返回一个数字信号，输入到微控制器的I/O口，如图5所示。


　　接收头如果接收到38 kHz的红外脉冲就会返回输出低电平，否则就会输出高电平。通过对I/O口的检测，便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向，覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测，前进后退都能工作，这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m,并且还能够在球非常近的范围内（10 cm内）读取障碍物距离结果（没有溢出）。
　　在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关（常开），通过采集模拟口上电压值的变化，判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合，从而检测出哪个方向有碰撞发生。
　　2.4 人机交互模块
　　（1）液晶显示和键盘输入：两者配合使用可以设置机器人各种参数，如自主启动、设置工作时间等。
　　（2）无线遥控模块：红外遥控使机器人的使用更加方便简单，发射距离超过10 m,能满足需要。