一种产线吸尘器机器人及其控制系统

本实用新型涉及吸尘机器人领域，具体涉及一种产线智能吸尘机器人及其控制系统。

背景技术：

随着人们生活水平的日益提高，我国人口的老龄化也越来越明显，吸尘机器人作为服务机器人的一种，能够代替人进行一些简单劳动。同时，在生产线上，生产完产品后，会产生大量的灰尘，仅仅依靠人来清扫，会浪费大量的人力物力。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于，提供一种产线吸尘器机器人，以达到该吸尘器机器人能随着传送带运动并进行吸尘的功能。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种产线吸尘器机器人控制系统，包括传感器模块，控制模块，无线通信模块和电机驱动模块，其中，

所述传感器模块，用于测量温度和湿度，生成温湿度数据；

所述控制模块，用于接收所述传感器模块发出的温湿度数据，比较温湿度数据与预先设定的阈值生成吸尘器启停指令；

所述无线通信模块，用于接收所述传感器模块发出的温湿度数据，可主动生成吸尘器启停指令和/或修改所述控制模块生成的吸尘器启停指令，并发送至控制模块，其优先级高于所述控制模块；

所述电机驱动模块，用于接收并执行所述控制模块发出的吸尘器启停指令。

进一步地，该控制系统还包括显示模块，所述显示模块用于显示温湿度数据和吸尘器启停指令。

进一步地，所述控制系统采用的控制器为stm32微控制器。

一种产线吸尘器机器人，包括电源、离心式风机、充电接头、滤尘袋、吸尘口、扫尘毛刷、托盘、集尘器，还包括上述的产线吸尘器机器人控制系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

该吸尘机器人随着传送带一起运动，向吸尘机器人发出吸尘的请求后，收到请求后，产线吸尘机器人进行吸尘。产线智能吸尘机器人的研发创新性强，操作方便，大大提高了产品的生产效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例中一种产线智能吸尘机器人控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中一种产线智能吸尘机器人的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中dht11电路连接图；

图4为本实用新型实施例中stm32单片机原理图；

图5为本实用新型实施例中一种产线智能吸尘机器人的系统架构框图；

图6为本实用新型实施例中h桥驱动电路原理图；

图7为本实用新型实施例中ld3320系统框图及原理图；

图8为本实用新型实施例中ld3320电路原理图；

图9为本实用新型实施例中一种产线智能吸尘机器人的定位流程图；

图10为本实用新型实施例中一种产线智能吸尘机器人的吸尘流程示意图；

图11为本实用新型实施例中stm32的spi架构图；

图中，1-离心式风机，2-充电接头，3-滤尘袋，4-吸尘口，5-传感器，6-锂电池，7-集尘器，8-托盘，9-扫尘毛刷。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的技术方案为：一种产线吸尘器机器人控制系统，包括传感器5模块，控制模块，无线通信模块和电机驱动模块，其中，

所述传感器模块，用于测量温度和湿度，生成温湿度数据；

所述控制模块，用于接收所述传感器模块发出的温湿度数据，比较温湿度数据与预先设定的阈值生成吸尘器启停指令；

所述无线通信模块，用于接收所述传感器模块发出的温湿度数据，可主动生成吸尘器启停指令和/或修改所述控制模块生成的吸尘器启停指令，并发送至控制模块，其优先级高于所述控制模块；

所述电机驱动模块，用于接收并执行所述控制模块发出的吸尘器启停指令；

所述吸尘器启停指令具体为吸尘的启停，所述吸尘的启停的判断步骤为：

s1、控制模块收发启停命令，电机启动或停止；

s2、电机启动情况下，控制模块收发吸尘命令，电机驱动吸尘装置吸尘；

s3、自动控制：根据传感器模块发出的温湿度数据，与预先设定的阈值比较，判定传送带在该位点是否洁净，判定结果为是，则吸尘装置停止，否则继续吸尘；手动控制：使用者主动发出是否吸尘指令，吸尘装置根据指令吸尘或停止；手动控制优先级高于自动控制。

进一步地，该控制系统还包括显示模块，所述显示模块用于显示温湿度数据和吸尘器启停指令。

进一步地，所述控制系统采用的控制器为stm32微控制器。

一种产线吸尘器机器人，包括锂电池6、离心式风机1、充电接头2、滤尘袋3、吸尘口4、扫尘毛刷9、托盘8、集尘器7，还包括上述的产线吸尘器机器人控制系统。

设计产线智能吸尘机器人的结构：

如图2所示，本实用新型申请的产线吸尘清扫机器人主要由电源、离心式风机、充电接头2、滤尘袋3、吸尘口4、传感器5、扫尘毛刷9、托盘8、集尘器7等组成。产线吸尘清扫机器人，能够将输送带上的残渣扫起，并吸到机器人中。清扫机器人上安装大容量锂电池6，具有很好的持续清扫能力。充电接头2对吸尘机器人进行充电。扫尘毛刷9与地面接触，使地面上的微尘和小纸屑悬浮于空中。离心式风机1产生的风力将残渣及灰尘吸起。集尘器7收集杂物和灰尘集中处理。传感器5是获取自身位姿和环境信息的直接器件。

产线产线智能吸尘机器人的控制系统：

机器人控制系统的主要任务是根据传感器5和编码器等反馈回来的数据，控制机器人进行吸尘机构，完成各种控制动作。设计合适的人机接口，在lcd上显示机器人状态和运行时间。因此，机器人控制系统包括传感器模块，电机驱动模块，无线通信模块、led指示灯和液晶显示模块，控制系统相互关系图如图1所示。

传感器模块采用dht11测量空气的温度湿度，dht11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器5，其温度测量范围是0-50℃，精度±2℃，湿度测量范围是20-90％rh，精度±5％rh。如图3所示。

产线智能吸尘机器人的主控芯片作为整个控制系统的大脑，对于完成信息采集，分析处理、决策以及协调完成各个任务至关重要。stm32因为价格便宜、功耗低、性能强劲等优点而被选择作为主控芯片，stm32单片机原理图如图4所示。它是以cortex-m3为内核，由st研制的一款32位的微控制器。cortex^tm-m3处理器是最新一代的嵌入式arm处理器，它为实现mcu的需要提供了低成本的平台、缩减的引脚数目、降低的系统功耗，同时提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。arm的cortex^tm-m3是32位的risc处理器，提供额外的代码效率，在通常8和16位系统的存储空间上发挥arm内核的高性能，其系统架构如图5所示。stm32的优异性体现如下：

①stm32最大的优势是以8位机的价格获得32位机，拥有良好的功耗控制，每个外设都有单独的时钟开关，能够通过相应外设时钟的控制来降低功耗。

②优越的实时性能，16级可编程优先级和84个中断，而且所有的引脚都可以作为中断输入；开发成本低，不需要昂贵的仿真器只要一个串口便可下载代码。

③丰富的片上资源，12个快速io口，11个定时器，包含基本定时器、通用定时器、系统滴答时钟定时器、高级定时器和看门狗定时器；13个通信接口，包括i2c、i2s、spi、can、usb、usart、sdio；12通道的dma控制器，支持adc、sdio、i2c、定时器、dac、i2s、usart和spi之间的传输。

④定时器的功能强大，每个都有四个独立的通道，能设置单脉冲输出方式，同时也能输出可调的pwm波形；内部带有一个16位的预分频器，一个自动加载递加/递减的16位计数器、此外都有具备独立的dma请求机制。

⑤具有72mhz的工作频率，flash高达512k，sram为64k，此外还具有丰富的i/o端口，多为单周期指令，包括乘法和硬件除法等。

⑥st公司为开发者提供了库函数和寄存器两种开发方式，库函数开发对于初学者入门特别容易，能够不管底层寄存器的操作只需调用库函数就轻松实现应用程序开发，大大的缩短了开发周期且开发难度降低。

本实用新型主要采用了两个电动机，两个电机应用于各自所需要的位置。第一个电动机的选择：在本次设计的电机应用于离心式风机1，其电压为9v，转数为400转。这样就满足了整个吸尘器的吸尘动力。第二个电动机的选择：由于这个电机是应用于起尘毛刷，而起尘毛刷又直接和电动机的轴相连，所以只要电动机能够达到毛刷旋转速度的要求，能够让地面的微尘和纸屑离开地面就满足要求。因此只要直接选择电动机的转数能满足上述要求就可以。而且，尽量使应用的电源能够相同，便于管理和更换，于是原则了第二个电动机即电压为9v，转数为300转。这样就满足了起尘毛刷的起尘效用。电动机采用h桥电机驱动电路，该电路的形状类似字母h，因此被称为“h桥驱动电路”。h桥电机驱动电路由四个场效应管和一个直流电机组成。要使电机运转，必须使对角线上的一对场效应管导通。当t5场效应管和t8场效应管同时导通时，电流将驱动直流电机沿着一个方向转动。当另一对场效应管t7场效应管和t6场效应管同时导通时，电流将驱动直流电机导通与截至，就可以实现控制电机转动和停止的目的。h桥电机驱动电路原理如图6所示。

吸尘机器人采用语音识别完成无线通信模块，语音识别部分采用ld3320语音识别芯片。该芯片是一颗基于非特定人语音识别芯片，芯片上集成了高精度的a/d接口和d/a接口，不再需要外接辅助的flash和ram即可以实现语音识别功能，并且识别的关键词语列表可以动态编辑。因此，其语音识别率比较稳定，准确率也比较高。智能语音识别模块系统及其工作原理如图7所示。在本设计中，ld3320芯片采用并行方式直接与stm32f407单片机相接，并均采用1k电阻上拉。在图8中，a0用于判断是数据段还是地址段控制信号。rdb、wrb、csb、stb以及中断返回信号intb与stm32f407直接相连，为了辅助系统稳定工作，均采用10k电阻上拉。ld3320芯片内部的语音识别原理是：将通过mic输入的声音进行频谱分析；提取语音特征，通过以上2步后将得到语音的特征信息；将关键词语列表中的数据与特征信息进行对比匹配；找出得分最高的关键词语作为识别结果输出，进而控制清洁机器人执行相应的语音动作。

led指示灯和液晶显示模块起到及时反馈吸尘机器人工作状态的作用。按键采用贴片两脚幵关，通过中断的方式启动或停止清洁器。显示模块由lcd1602和两个0805的指示灯组成，字符型lcd1602内部固化了产生字符的存储器，当向此存储器写入字符代码时，字符码从英文字母、希腊字母、阿拉伯字母等约个字符图形中选出对应的字符显示出来，另外它还具有个用户自定义的字符产生器事先用子模软件提取汉字子模后可用于显示汉字。根据实际需要，选择内置子模就能够直观形象的显示机器人的运行时间、环境温度。指示灯指示，比如电路板上的电源是否正常，是否吸尘完毕,电量情况。

产线智能吸尘机器人的定位：

为了提高航位推算定位的准确性，降低单一传感器5随机误差的影响，采用卡尔曼滤波算法将光电编码器和mpu6050进行数据融合定位。卡尔曼滤波是一种采用线性系统状态方程，通过预测和校正两个过程，对系统状态进行最优估计的算法，广泛用于数据融合、导航、计算机图像处理以及导弹追踪等。预测过程是指依据前一时刻的最优估计值和建立的时间更新方程对当前状态进行先验估计，推算出当前时刻的状态值及其误差协方差；校正的过程是指依据观测值和先前得到的当前状态预测值，通过状态更新方程得到当前状态的最优估计。卡尔曼滤波适用于线性、离散或有限维系统，对于非线性系统一般采用扩展卡尔曼滤波。扩展卡尔曼滤波的是将非线性过程线性化，然后以卡尔曼滤波算法实现，扩展卡尔曼滤波是一个递推过程，依据此算法可以完成对任何时刻的状态变量最优估计。采用光电编码器和mpu6050传感器5对吸尘机器人定位，利用扩展卡尔曼滤波实现定位的最优估计，减小随机误差。根据光电编码器的输出信息估计机器人位姿的预测值，同时当前时刻机器人的位姿观测值由mpu6050获取，然后依据观测值对得到的位姿预测值更新校正，获得位姿的最优估计，详细流程如图9所示。

实现产线智能吸尘机器人的吸尘功能：

吸尘部分主要由起尘、吸尘、集尘三部分构成。此次智能吸尘机器人的吸尘部分是由离心式风机1单独行使吸尘部分。此功能利用一个电源来给离心式风机1提供动力。当电源为离心式风机1提供动力时，离心式风机1自动旋转并加速，利用自身产生强大的旋转气流，在离心式风机1机口处产生能够足以吸起微尘和小纸屑的风力。然后当机体行使到需要清扫之处时，利用风力并通过集尘管道将微尘和纸屑吸入离心式风机1空腔之内。在微尘和小纸屑进入离心式风机1体内后，离心式风机1利用机体内自带的叶片将微尘和小纸屑排送到吹风口。然后在由离心式风机1自身产生的输送气流将吸上来的微尘和小纸屑通过吹风口连接的另一个输送管道将微尘和小纸屑输送到自制的集尘箱内，将其收集。在需要清扫的整个过程结束之后，将集尘箱取下，倒掉集尘箱中的灰尘和杂物。

在离心式风机1行使吸尘作用的同时，将会有另一个电动机来提供动力。此动力将提供给一个滚动毛刷，利用其高速旋转的转速，带动毛刷与地面强烈摩擦。毛刷与地面接触，使地面上的微尘和小纸屑悬浮于空中。然后，再利用离心式风机1产生的风力将其吸起。

人机接口设计：

考虑系统需求,选用按键和lcd作为输入和输出接口。lcd在系统中负责显示机器人的运行时间，同时,还有led灯用来显示机器人状态电量情况。编写基于互联网的产线智能吸尘机器人系统，实现远程无线控制产线智能吸尘机器人，首先，无线器收发发送吸尘命令，无线器收发接到吸尘命令后，检测传送带上是否是洁净的，如果是的话，就不需要吸尘，反之，对传送带进行吸尘，吸尘主程序流程图如图10所示。

mcu通过spi接口控制以太网控制器并与web服务器通信，stm32的spi架构图如图11所示。web服务器将吸尘机器人的ip存储在数据库中。当用户在浏览器上登录服务器时，发出控制信息，此时的控制信息将通过互联网发送到吸尘机器人，吸尘机器人接收到信号后根据信息进行相应的操作，从而实现用户的远程控制。当需要吸尘机器人独立完成吸尘任务而不需要人工控制时，可以将系统设置为自动模式以进行无人控制。此时mcu为ip地址固定的客户端。发送信息前，mcu发送arp请求以获取服务器dns地址，实现upd连接，同时发送http请求。web服务器设计用mysql语言实现，主要处理mcu发起的连接请求，以不同的ip地址区分不同设备的数据包，提取信息并存储。服务器控制界面有用户登录界面、吸尘模块电池使用情况、吸尘进度实时监测等。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。