扫地机器人控制器硬件的设计与实现文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

现阶段自主设计的扫地机器人控制器大都采用以STM32为核心处理器的方式^[1][2]。

STM32是基于ARM Cortex-M3内核的，但是不是属于ARM。STM32使用cortex-m架构，而cortex-m是arm7的增强改进型，所以也可以算是属于arm的一个分支。STM32的内核是ARM推出的基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32是ARM7架构中的一员。tm32开发难度介于ARM7跟ARM9之间，功能比一般的ARM7强，跟ARM9相比主要是性价比高，外设多接口方便，还有功耗低^[3]。STM32有超前的体系结构：高性能、低电压、低功耗和创新的内核以及外设。Cortex-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-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了ARM 内核的高性能。

STM32芯片的下载接口使用J-LINK下载器，并且预留ST-LINK下载器接口，增加开发过程下载接口的便利性，也可以供给二次开发。

扫地机器人的电池采用额定电压为15V左右的锂电池供电，为了减少稳压功耗采用从高电压到5V,再从5V到3.3V的稳压方式^[4]。从高电压到5V采用DC-DC变换电路，并接入5V稳压芯片。从5V到3.3V直接接入3.3V稳压芯片。稳压芯片采用AMS3.3和AMS5.0作为3.3V和5.0V的稳压芯片。为了减少电压的纹波，可以并联电容。并接入发光二极管作为工作指示灯观察稳压部分是否正常。

扫地机器人的动力系统有两个直流电机和一个万向轮。通过控制两个直流电机的差速可实现转向。动力控制系统就是要对两个直流电机进行控制。扫地机器人的动力控制系统可采用驱动芯片IR2104s和MOS管搭建的H桥^[5]。通过STM32输出PWM信号，根据占空比来控制驱动部分的输出电压。来控制两个直流电机转速，从而实现机器人前进、左转、右转。负载为直流电机，电流大，电流的变化率相对也大。对电机等大功耗的设备，如果发生了短路，电机电源的大电流对于微控制器、传感器这种信号级的电路有很大破坏力。为了避免这种隐患，电路设计时需要遵循功率输出和信号输出电隔离的原则。光隔离即光电耦合器，基本原理可以概括为“电生光，光传播，光生电”，一边电路有电信号出现，触发发光器件发光，感光器件收到光信号，又产生电信号，其中发光器件和感光器件均封装在芯片内部，不占太多体积，而光实际上也是在空气中传播，即将两端电路用空气隔离，故隔离度也不错。可以采用光耦隔离^[6]。

图1扫地机器人底盘

为了减少对PCB空间的占用也可以采用驱动芯片以满足扫地机器人系统的电气要求。可采用TI公司的DRV8800驱动芯片或者ST公司的专用电机驱动IC L298N。芯片的外围电路可根据芯片手册和需求搭建外围电路。采用驱动芯片可以减少占用PCB空间布局更加合理。如果驱动部分发生故障，驱动芯片的故障引脚会输出电平报警，保护电路安全^[7]。

对于传感器信号的采集电路。传感器的原理是将其他信号转化为电信号，STM32通过D/A转换来读取传感器的数据。STM32内有12bit逐次比较性ADC，可用于测量红外传感器模块输出的模拟电压。ADC的供电端和参考端上任何的干扰噪声都会对ADC的采集结果发生影响，增加软件上对采集结果处理复杂度，应该采用合适的滤波元件减少噪声。可采用三段子电容对高频段达到较好的静噪效果，结合铁氧体磁珠，把高频噪声转化为热能。

对于PCB板的布局也很重要。原理图正确设计是保证逻辑功能性正常的前提，后期PCB布局布线设计也会影响到系统整体的性能，有时甚至会影响功能使用。，STM32具有5组电源引脚均匀分布在四周，为了达到电源去耦的效果，首先去耦电容应该均匀的分布在负载：占片的电源引脚上并尽量靠近放置；另外不同容值的电容，去耦半径也不同，小电容有效去耦半径小，应该优先靠近引脚放置^[8]。其余供电设备的去耦电容也都是就近放置^[9]。

参考文献：

[1] 王瑾. 基于STM32扫地机器人的设计与实现[J]．国外电子测量技术,2018,11：100-103

[2] 曹凯凌. 基于STM32单片机的寝室扫地机器人[J]．电子制作,2018,9：3-5

[3] 刘伟. 扫地机器人硬件电路与搭载监控系统的设计与实现[D]. 中国科学技术大学, 2018.

[4] 柴剑. 智能扫地机器人技术的研究与实现[D]. 西安电子科技大学, 2013.

[5] 唐琳. 基于STC15的智能清洁机器人设计[J]．科技风,2017,5：1671-7341

[6] Evaluation Platform for Testing Fault Tolerance Properties: Soft-core Processor-Based Experimental Robot Controller. 2018 21st Euromicro Conference on Digital System Design (DSD), Digital System Design (DSD), 2018 21st Euromicro Conference on, DSD. 2018:229. doi:10.1109/DSD.2018.00051.

[7]晶体管技术编辑部，马杰译，小型直流电机控制电路设计[J]．北京：科学出版社，2012．

[8]于争．信号完整性揭秘：于博士sI设计手记[J]．中国科技信息，2013(24)：238．

[9] Hendriks, B., Meerbeek, B., Boess, S., Pauws, S., amp; Sonneveld, M. (2011). Robot Vacuum Cleaner Personality and Behavior. INTERNATIONAL JOURNAL OF SOCIAL ROBOTICS, (2), 187.