清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 信息工程學(xué)院 專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 （光機(jī)電一體化方向） 年級班別 2011級（1）班 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2015 年 5 月 摘 要 清潔機(jī)器人結(jié)合了傳感器、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)

2、現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景。 本文首先綜述了清潔機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比較了國內(nèi)外多種典型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出適合中低端用戶使用的清潔機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案。 清潔機(jī)器人系統(tǒng)由清潔機(jī)器人和充電站組成。清潔機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能清掃的主體部分，本文介紹了清潔機(jī)器人的組成部分，并完成了硬件電路的實(shí)現(xiàn)?？紤]到存儲、接口資源及可靠性能等，主控器選擇了STC89C52單片機(jī)，所構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能強(qiáng)、性價(jià)比高，完全滿足控制功能的要求。然后，詳細(xì)設(shè)計(jì)了紅外傳感器，碰撞檢測，電源模塊、充電模塊、鍵盤、液晶顯示以及各種電機(jī)控制等電路。在軟件設(shè)計(jì)方面，

3、采用C51語言編制了控制系統(tǒng)各部分的軟件，包括主控程序以及中斷服務(wù)、紅外、碰撞傳感器檢測等子程序。 最后，綜合設(shè)計(jì)結(jié)果制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，所制作的清潔機(jī)器人能夠完成房間清掃工作，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。 關(guān)鍵詞：清潔機(jī)器人，智能清掃，單片機(jī)系統(tǒng) 注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來源于自選。 專心---專注---專業(yè) Abstract Cleaning robot is a combination of sensors, the key technology of mobile robot technology, and other f

4、ields, the implementation of the indoor environment of semi-automatic or fully automatic cleaning, replacing the traditional manual cleaning, has the very broad market prospect. This article first summarizes the domestic and foreign research present situation of cleaning robot, on the basis of comp

5、rehensive comparison of the various typical products at home and abroad, puts forward overall design scheme suitable for low-end users use cleaning robot. Cleaning robot system consists of a cleaning robot and charging station. Cleaning is the main part of the intelligent cleaning robot, this paper

6、 introduces the part of the cleaning robot, and the realization of the hardware circuit are completed. Considering storage, interface resources and the reliable performance, and the host controller chose STC89C52 single-chip computer, made up of single chip microcomputer application system function

7、is strong and high cost performance, fully meet the requirements of control function. Are designed in detail, and the infrared sensors, collision detection, power supply module, the charging module, keyboard, LCD display and a variety of motor control circuit and so on. In the aspect of software des

8、ign, the use of C51 language to compile the various parts of the control system software, including the main program and interrupt service, infrared and collision sensors DengZi program. Finally, the comprehensive design results made experimental prototype, experiment research. Results show that th

9、e production of the cleaning robot can complete the room cleaning work, achieved the desired design effect. Key words: cleaning robot, intelligent cleaning, MCU system 目 錄 1 緒 論 1.1 題目背景及目的 隨

10、著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)以始料不及的速度迅速地向各個(gè)領(lǐng)域滲透，成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，不斷地改變?dāng)今人們的生活方式。在軍事上，為減少人員傷亡，大規(guī)模的使用智能化機(jī)器人；在搶險(xiǎn)救災(zāi)中，為營造良好的營救時(shí)間，智能機(jī)器人深入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測；在航空領(lǐng)域里，智能機(jī)器人扮演重要角色，幫助人們完成許多具有劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。 兩年前，家庭服務(wù)機(jī)器人的概念還和普通老百姓的生活相隔甚遠(yuǎn)，廣大消費(fèi)者還體會不到家庭服務(wù)機(jī)器人的科技進(jìn)步給生活帶來的便捷。而如今，越來越多的消費(fèi)者正在使用家庭服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品。清潔機(jī)器人作為家庭服務(wù)機(jī)器人的一員，結(jié)合了傳感器、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地面的半自動(dòng)

11、或全自動(dòng)清潔，替代人類完成繁重的清潔工作。 本設(shè)計(jì)的研究旨在開發(fā)一部價(jià)格便宜，方便使用，體積不大，能夠滿足家庭清潔要求的清潔機(jī)器人。使它能夠代替人們完成家庭清掃工作，使科技能夠更好地為人類服務(wù)。 1.1.1 機(jī)器人技術(shù)概述 自50年代第一臺機(jī)器人裝置在美國誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從低級到高級的發(fā)展過程。第一代機(jī)器人是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它們裝有記憶存儲器，由人將作業(yè)的各種要求示范給機(jī)器人，使之記住操作的程序和要領(lǐng)。當(dāng)它接到再現(xiàn)命令時(shí)，則自主地模仿示范的動(dòng)作作業(yè)。第二代機(jī)器人是裝有小型計(jì)算機(jī)和傳感器的離散編程的工業(yè)機(jī)器人，它能感知外界信息并進(jìn)行“思維”，它比第一代機(jī)器人更靈活、

12、更能適應(yīng)環(huán)境變化的需求。第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不但有第二代機(jī)器人的感覺功能和簡單的自適應(yīng)能力，而且能充分識別工作對象和工作環(huán)境，并能根據(jù)人給的指令和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作，是人工智能發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物，也是當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。 機(jī)器人按照智能化程度的高低，可以分為外部受控機(jī)器人、半自主機(jī)器人和全自主機(jī)器人。外部受控機(jī)器人的本體沒有智能單元，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)， 它受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的動(dòng)作。半自主機(jī)器人具有了部分處理和決策功能，能

13、夠獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)一些諸如軌跡規(guī)劃、簡單的避障等功能，但是還要受到外部的控制。全自主機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問題。全自主移動(dòng)機(jī)器人的最重要的特點(diǎn)在于它的自主性和適應(yīng)性。自主性是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)。適應(yīng)性是指它可以實(shí)時(shí)識別和測量周圍的物體，根據(jù)環(huán)境的變化，調(diào)節(jié)自身的參數(shù)、調(diào)整動(dòng)作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)，機(jī)器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機(jī)器人之間進(jìn)行信息的交流。全自主移動(dòng)機(jī)器人涉及諸如驅(qū)動(dòng)器控制、傳感器數(shù)據(jù)融合、圖像處理、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等許多方面的研

14、究。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的用途越來越廣，開始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，向 軍事、公安、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域滲透。與此同時(shí)，機(jī)器人的概念也越來越寬，己從狹義的機(jī)器人，開始向機(jī)器人技術(shù)擴(kuò)展。 對于己經(jīng)相當(dāng)成熟的工業(yè)機(jī)器人來說，服務(wù)機(jī)器人是近年來出現(xiàn)機(jī)器人學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域。包括清潔機(jī)器人在內(nèi)的各種可以直接或者間接為人類服務(wù)的機(jī)器人都屬于服務(wù)機(jī)器人的范疇。由于服務(wù)機(jī)器人涉及的領(lǐng)域很廣泛，因此到目前為止國際上對服務(wù)機(jī)器人也還沒有一個(gè)權(quán)威的定義。國際機(jī)器人聯(lián)合會對服務(wù)機(jī)器人給出的一個(gè)初步定義為：“服務(wù)機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能夠完成有益于人類健康的服務(wù)工作，但不包括從事生產(chǎn)的設(shè)備”。德國

15、生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化研究所對服務(wù)機(jī)器人給出的定義則為“服務(wù)機(jī)器人是一種可以全自主或者半自主地為人類或者設(shè)備提供有用服務(wù)的機(jī)器人”。中華人民共和國國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》對服務(wù)機(jī)器人的定義為：“智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備”。由于服務(wù)機(jī)器人與普通公眾關(guān)系密切，最近越來越受到人們的關(guān)注，并已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。 1.1. 2 服務(wù)機(jī)器人出現(xiàn)原因 以往的服務(wù)機(jī)器人的研究和開發(fā)主要在大學(xué)和研究所中進(jìn)行，目前，越來越受 到企業(yè)和商業(yè)界的重視，這主要是其所具有廣大市場和巨大利潤所致。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有以下幾個(gè)原因： 第一、由于

16、勞動(dòng)力成本的上升，人們希望能由低成本的服務(wù)機(jī)器人來替代人工 進(jìn)行長時(shí)間高效率地工作。 第二、需要服務(wù)機(jī)器人替代人類從事危險(xiǎn)的工作。機(jī)器人可以檢修危險(xiǎn)的工業(yè)設(shè)備，處理各種危險(xiǎn)物品，巡査核設(shè)施以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸油管道，而在安防系統(tǒng)及搜救行動(dòng)中，機(jī)器人更能充當(dāng)起關(guān)鍵角色。 第三、需要服務(wù)機(jī)器人來照顧老齡人和殘疾人。聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)預(yù)測顯示，目前全球老齡人口總數(shù)己達(dá)6.29億，到2050年，60歲以上的老齡人口總數(shù)將近20億，占總21%。隨著老齡人口的比例上升和殘疾人數(shù)的增多，更多的老人和殘疾人需要照顧，社會保障和服務(wù)的需求也更加緊迫。這就需要大量的陪護(hù)機(jī)器人來幫助老年人和殘疾人能夠更加獨(dú)立地生活，甚至協(xié)

17、助醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、診斷并治療。 第四、由于生活節(jié)奏的加快和工作的壓力，也使得年輕人沒有更多時(shí)間陪伴自己的孩子，而且中國多年的計(jì)劃生育政策之后，己經(jīng)形成了人口倒金字塔結(jié)構(gòu)，使得年輕人沒有更多時(shí)間陪伴自己的孩子，家庭護(hù)理機(jī)器人、玩具機(jī)器人、安控機(jī)器人也成為當(dāng)前社會的需要。 第五、隨著網(wǎng)絡(luò)家電、數(shù)字家庭的普及，市場迫切需要智能機(jī)器人來管理家庭以及輔助安排家庭日常生活。 1.1.3 清潔機(jī)器人特點(diǎn) 吸塵式清潔機(jī)器人一般具有如下的特點(diǎn): 1)吸塵機(jī)器人自帶電源，小巧輕便、操作簡單、自主性強(qiáng)、具有很強(qiáng)的實(shí)用 性。 2)吸塵機(jī)器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于機(jī)場候機(jī)大廳、 展覽館

18、、圖書館等公共場所。環(huán)境的共同特征為有限的封閉空間、平整的地板以及 走動(dòng)的人員，因此可以歸結(jié)為復(fù)雜多變、結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境。所以環(huán)境適應(yīng)性是對 此類機(jī)器人的基本要求。 3)吸塵機(jī)器人的任務(wù)是清掃地面，工作的對象是地面的灰塵、紙屑以及其他 一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為吸塵機(jī)器人的處理對象?？紤]到安全因素， 吸塵機(jī)器人必須對人及家庭物品等不構(gòu)成任何危害，同時(shí)吸塵機(jī)器人還必須具備自我保護(hù)的能力。 1.2 國內(nèi)外研究狀況 1.2.1 國外產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 在國外，美國、日本、韓國、歐洲等對清潔機(jī)器人進(jìn)行大量的研究和推廣。 在德國，由Kaercher 公司生產(chǎn)的RC3000（圖1.1）是

19、世界上第一臺能夠自主清潔地面的家庭清潔機(jī)器人。它的移動(dòng)方式是隨機(jī)的，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，它會隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。其扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床、沙發(fā)、茶幾等家具的下部位置。同時(shí)，它設(shè)置四種不同的清潔方式，根據(jù)地板的清潔狀況，可以選擇合適的清潔方式；內(nèi)置光敏傳感器，在遇到樓梯與臺階時(shí)，能夠自動(dòng)避讓，不會跌落。RC3000具有自動(dòng)返回充電站充電功能，其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。充電站會一直發(fā)射紅外定位和導(dǎo)航信號來指引機(jī)器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務(wù)；同時(shí)能夠根據(jù)用戶設(shè)定的信息來控制機(jī)器人完成相應(yīng)的操作。 圖1.

20、1 RC3000和充電站 在日本，東日本鐵路公司、富士工業(yè)有限公司Subaru實(shí)驗(yàn)室和JR東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機(jī)器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動(dòng)清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設(shè)定模式”,即將待清洗的面積分為若干個(gè)單位面積,按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機(jī)器人還可利用其傳感器識別和躲避障礙物；另一種叫“路徑地圖模式”，機(jī)器人按照內(nèi)裝的路徑地圖行使，機(jī)器人可存9幅地圖，并可利用IC卡作為外存，在該模式下，機(jī)器人不會避障，僅適用于需要反復(fù)擦洗的指定地段

21、。 2012年5月8日，為了應(yīng)對日本本土自主吸塵器市場的激烈競爭，夏普公司繼東芝公司之后，推出新一代智能吸塵器COCORORO（圖1.2）。COCORORO圓盤狀的外形保證了它在地板上能夠出入各種縫隙，機(jī)身頂部的LED燈能夠顯示不同的顏色變換“心情”，或者根據(jù)遙控操作做出回應(yīng)；同時(shí)它能夠聽懂使用者的簡單日語，并對一些語音命令做出相應(yīng)的動(dòng)作。COCORORO內(nèi)置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過智能手機(jī)遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫面會實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)屏幕上。COCORORO采用超聲波傳感器進(jìn)行避障，所以它在清潔地板時(shí)不會碰到家居和寵物。 圖1.2 夏普公司的COCORORO 在英國，

22、著名的家電廠商伊萊克斯（EIectoIux）于2001 年11 月推出了吸塵器“三葉蟲”，高13mm,直徑為35mm，表面光滑，呈圓形，如圖1.3所示?！叭~蟲”內(nèi)置搜索雷達(dá)，可以迅速地探測到并避開桌腿、玻璃器皿、寵物或任何其它障礙物。同時(shí)，能夠?qū)φ系K物進(jìn)行識別和處理，重新選擇路線，并對整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃。為了限制“三葉蟲”的活動(dòng)范圍，用戶需要在樓梯間或其它沒有天然障礙物的地方，貼上特制的可粘式磁帶?！叭~蟲”每次充電后可以工作一小時(shí)左右，當(dāng)電量不足時(shí)，它會自動(dòng)回到充電卡座自行充電；如果此時(shí)房間還沒有清掃完畢，充好電后它會自動(dòng)回到原處繼續(xù)清掃。 圖1

23、.3 “三葉蟲” 20世紀(jì)90年代，美國就推出了地面清潔機(jī)器人?RoboScrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。2002年９月清潔機(jī)器人＂Roomba”在美國面市，運(yùn)用人工智能運(yùn)轉(zhuǎn)與導(dǎo)航偵測技術(shù)，搭配獨(dú)有的真空吸孔與旋轉(zhuǎn)刷，清潔效果特別好。它具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作。只要按下開關(guān)，Roomba就會全自動(dòng)在指定的區(qū)域吸塵打掃，碰到障礙物會自動(dòng)躲避，遇到樓梯或臺階也會自動(dòng)偵測而不會掉下去。同時(shí)，Roomba會自主規(guī)劃路線對家庭地面進(jìn)行清潔。由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以在外出期間可以讓Roomba在家進(jìn)行清掃

24、。如圖1.4所示。 圖1.4 iRobot公司的Roomba 1.2.2 國內(nèi)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等也對清潔機(jī)器人進(jìn)行大量的研究并取得了一些成果。對清潔機(jī)器人相關(guān)技術(shù)，如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機(jī)器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機(jī)器人 鉸

25、制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。 浙江大學(xué)于1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座

26、補(bǔ)充電力。 目前國內(nèi)的科沃斯、?，斕亍⒑柕裙疽呀?jīng)相繼推出他們的清潔機(jī)器人產(chǎn)品?，F(xiàn)在市場上，海爾公司的SWR-C1清潔機(jī)器人在功能上相對比較健全。它具有五大功能：定時(shí)預(yù)約清掃、智能遠(yuǎn)程操控、虛擬墻分區(qū)清掃、智能防跌撞、智能回歸充電。它能夠設(shè)定時(shí)間對清掃區(qū)域進(jìn)行清掃，同時(shí)可以通過配置紅外線虛擬器，阻止機(jī)器人進(jìn)行無需清掃區(qū)域，實(shí)現(xiàn)清掃的目的。如圖1.5所示。 圖1.5 海爾公司的SWR-C1 1.3 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 本文主要內(nèi)容是清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要完成了控制部分軟硬件的設(shè)計(jì)，其中包括硬件控制電路的設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的軟件程序的編制、調(diào)試。 主要內(nèi)容安排如下： 第一

27、章闡述了智能清潔機(jī)器人的相關(guān)概念，分析了清潔機(jī)器人國內(nèi)外的研究 動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢，提出了課題的研究背景、意義和主要內(nèi)容。 第二章對清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案比較以及對總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明，包括整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。 第三章對清潔機(jī)器人的硬件控制電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及主要控制芯片的介紹等。 2 清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì)方案比較論證? 方案一：采用組合邏輯電路控制清潔機(jī)器人運(yùn)行? 利用數(shù)字電路知識用各種邏輯電路搭建出清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對車速和車

28、的行進(jìn)方向進(jìn)行控制，再利用紅外對管實(shí)現(xiàn)避障和對臺階的檢測，以及利用邏輯電路控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到并實(shí)現(xiàn)題目要求和發(fā)揮。這種方案下，所有控制電路都要手工制作，非常復(fù)雜，規(guī)模大不易實(shí)施，而且這種控制電路精度不高，反應(yīng)不夠靈敏，可行性差。? 方案二：采用智能控制器控制清潔機(jī)器人運(yùn)行? 利用控制芯片作為智能小車的核心控制系統(tǒng)，例如單片機(jī)、FPGA和DSP等等。用控制芯片控制清潔機(jī)器人的系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，適應(yīng)科技先進(jìn)性，而且各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 因此，采用方案二作為智能小車的控制系統(tǒng)。? 2.2 核心模塊方案設(shè)計(jì) 控制

29、系統(tǒng)的核心模塊也就是控制器，是小車的大腦，主要用于傳感器信號的接收、辨認(rèn)和處理、以及對電機(jī)控制等。下面列出三種控制器的選擇方案：? 方案一：采用先進(jìn)的FPGA編程控制器件。? FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。由檢測模塊輸出的信號并行輸入FPGA，F(xiàn)PGA通過程序設(shè)計(jì)控制小車作出相應(yīng)的動(dòng)作，但由于本設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬

30、件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。? 方案二：采用DSP編程控制器件。? DSP因?yàn)閿?shù)字處理與通信領(lǐng)域的空前發(fā)展而近顯火爆，應(yīng)用面很廣泛，DSP主要是面對數(shù)字信號方面的處理，其針對性有速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是，而DSP強(qiáng)調(diào)的是較大的數(shù)據(jù)處理能力,如在運(yùn)行控制,圖像處理等方面，占有較大優(yōu)勢，而在這個(gè)智能車小系統(tǒng)中則沒有必要使用如此精確的控制器件，而且價(jià)格方面也不低，固不宜采用。? 方案三：采用單片機(jī)編程控制器件。? 用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，單片機(jī)也叫單片微型計(jì)算機(jī)，在控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，具有多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格、大存

31、儲容量、強(qiáng)I/O功能及較好的結(jié)構(gòu)兼容性等優(yōu)點(diǎn)，是小型控制系統(tǒng)的首選。而且單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。? 本系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，用單片機(jī)作為控制芯片非常合適，因此采用方案三。 2.3 避障模塊方案設(shè)計(jì) 方案一：采用超聲波傳感器。? 利用超聲波的特性實(shí)現(xiàn)對障礙墻壁的測量和有效規(guī)避，超聲波傳感器波的發(fā)射角小，檢測靈敏度高，但是超聲波傳感器使用成本不低，而且不能體現(xiàn)設(shè)計(jì)才能，不宜采用。? 方案二：采用激光傳感器。? 通過測量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來確定目標(biāo)距離，這在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)含量十分豐富，具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色

32、性好等許多優(yōu)點(diǎn)。激光測距雖然原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單，但是因?yàn)榧す鉁y距傳感器售價(jià)太高，不適合自主設(shè)計(jì)使用。? 方案三：采用紅外對管傳感器。? 用紅外對管傳感器采集信息，以紅外線為介質(zhì)測量判斷障礙，從而達(dá)到避障的效果。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾，提高了靈敏度，制作也比較簡單。 因此，方案三在小系統(tǒng)中非常適用，采用方案三。 2.4 清潔機(jī)器人系統(tǒng)的整體構(gòu)架 整體設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示 圖2.1 清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 各模塊的組成和功能介紹如下： （1） 控制器（單片機(jī)）：主要由單片機(jī)STC89C52RC組成，它的主要功能是完成主控程序?qū)δK接口的控制，是程序運(yùn)行的

33、載體并實(shí)現(xiàn)對整個(gè)機(jī)器人的控制。 （2） 傳感器：主要由紅外避障傳感器、紅外防跌倒傳感器、碰撞傳感器組成，這些傳感器用來控制小車的行走方向以及實(shí)現(xiàn)避障、防跌倒功能。 （3） 電源模塊：將充電電池的7.2V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電壓供單片機(jī)、傳感器以及其他模塊使用。 （4） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：主要由行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)、毛刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)和吸塵電機(jī)驅(qū)動(dòng)組成，其中行走電機(jī)主要控制左右行走輪從而帶動(dòng)清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，毛刷電機(jī)和吸塵電機(jī)負(fù)責(zé)清潔除塵工作。 3 清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 3.1 STC89C52單片機(jī)介紹 本設(shè)計(jì)采用常用的STC89C52作為主控芯片，具備編程

34、簡單，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，而且在電動(dòng)小車的領(lǐng)域中使用廣泛。以下是對該單片機(jī)進(jìn)行簡單的介紹。 3.1.1 STC89C52的主要性能 STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 （1）標(biāo)準(zhǔn)功能 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)

35、器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz，6T/12T可選。 （2）主要特性 1）8K字節(jié)程序存儲空間； 2）512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間； 3）內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間; 4）可直

36、接使用串口下載； （3）器件參數(shù) 1）增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和12 時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051. 2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V 單片機(jī)） 3） 工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051 的0～80MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá)48MHz 4）用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié) 5）片上集成512 字節(jié)RAM 6）通用I/O 口（32 個(gè)），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻 7

37、）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 8） 具有EEPROM 功能 10）共3 個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2 10.外部中斷4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 11）通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART 12）工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級） 13）PDIP封裝 3.1.2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng) STC8

38、9C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖3.1所示。 圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng) （1）復(fù)位電路 為使單片機(jī)正常工作，必須保證良好的復(fù)位。本系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。上電復(fù)位是指單片機(jī)在接通電源時(shí)對MCU自動(dòng)復(fù)位。按鍵復(fù)位由復(fù)位按鍵產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平到復(fù)位引腳RST對MCU復(fù)位。當(dāng)電源剛接通時(shí)，電容C3對下拉電阻開始充電，由于電容兩邊的電壓不能突變，所以RST端維持高電平，實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的上電復(fù)位，即接通電源就完成對系統(tǒng)的初始化。在此基礎(chǔ)上加上一個(gè)開關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。 （2）振蕩電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，

39、它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。 3.2 電源轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 電源是任何一個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，本設(shè)計(jì)采用以LM7805CV穩(wěn)壓芯片為核心設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源，其工作原理為：當(dāng)兩節(jié)3.7V干電池串聯(lián)后通過P4端輸入，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM7805CV轉(zhuǎn)換后輸出穩(wěn)定的5V電壓。為了使運(yùn)行穩(wěn)定，單片機(jī)和電機(jī)的供電系統(tǒng)采用獨(dú)立供電的方法。所以該電源模塊設(shè)計(jì)為兩路穩(wěn)壓5V輸出。其電路原理圖如圖3.2所示。 圖3.2 5V穩(wěn)壓電源

40、模塊 3.3 L298N驅(qū)動(dòng)芯片的介紹 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是:工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H 型全橋式驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的

41、四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。L298N芯片如圖3.3所示： 圖3.3 L298N芯片原理圖 3.3.1 L298N的工作原理 L298N內(nèi)部電路如圖3.4所示。 圖3.4 L298N內(nèi)部電路 其工作原理是： L298N內(nèi)部集成了兩個(gè)由四只NPN型三極管組成的H橋電路（A、B）。ENA與內(nèi)部編號為“1”的與門相連和其下面的與門相連。ENA常處于高電位（5V）。信號輸入端IN1直接與“1”與門相連與“1”與門下方的與門取反后相連。當(dāng)從IN1輸入高電位時(shí)“1”與門輸出高電平，它下面的與門輸出低電平，故處于上面的三極管導(dǎo)通下面的一只截止，OUT1端口輸出高

42、電平。信號輸入端IN2直接與“2”與門相連與“2”與門下方的與門取反后相連。當(dāng)從IN2輸入高電位時(shí)“2”與門輸出高電平，它下面的與門輸出低電平，故處于上面的三極管導(dǎo)通下面的一只截止，OUT2端口輸出高電平。同理當(dāng)IN1與IN2分別輸入低電平時(shí)OUT1與OUT2分別輸出低電平。在這兩種情況之下由于OUT1與OUT2的點(diǎn)位相同故不能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。只有當(dāng)IN1、IN2其中一個(gè)輸入高電平另一個(gè)輸入低電平信號時(shí)才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)且IN1、IN2的高低還可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（即IN1=H、IN2=L與IN1=L、IN2=H驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的）。IN3、IN4、OUT3、OUT4與IN1、IN2、OUT

43、1、OUT2的原理完全相同。 3.4 左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路設(shè)計(jì) 圖3.5是本模塊設(shè)計(jì)的電路原理圖，整個(gè)模塊由兩部分組成，分別為L298N和保護(hù)電路部分。 以下是對保護(hù)電路部分的介紹： 如圖J1和J2是兩個(gè)輸出端口是接電機(jī)線圈，勢必就會產(chǎn)生反電勢，對L298N 形成沖擊，易造成損壞，特別是對于大于電源電壓和負(fù)電壓更容易損壞L298N，所以在每根線上都加上2個(gè)二極管1N4007進(jìn)行保護(hù)。工作過程是這樣：當(dāng)反電勢為正，超過電源+0.7V時(shí)，下端二極管導(dǎo)通，這樣輸出線就被限位在電源電壓+0.7V 上，不會超過這個(gè)數(shù)值（對電源充電）。當(dāng)反電勢為負(fù)，低于-0.7V時(shí)，上端二極管導(dǎo)通，這樣輸出線

44、就被限位在-0.7V上，不會低于-0.7V了。這兩個(gè)二極管是作為箝位使用，使得輸出線上電壓（或叫電位）被箝位在-0.7V~+Vcc+0.7V之間。保護(hù)電路部分的主要構(gòu)成為八只1N4007整流二極管組成。 1N4007主要具有以下特性： (1)較強(qiáng)的正向浪涌承受能力為30A； (2)最大正向平均整流電流為1A； (3)最高的反向耐壓為1000V； (4)較低的反向漏電流，為5uA（最大值）； (5)正向?qū)▔航禐?V。 因?yàn)檫@種二極管具有高耐壓、高承受電流、低反向電流等特性而且它價(jià)格便宜容易得到，因此采用它來搭建保護(hù)電路。 3.5 清潔機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 清潔機(jī)構(gòu)的邊刷電機(jī)和吸

45、塵電機(jī)都是由繼電器驅(qū)動(dòng)的，單片機(jī)的I/O口只需給出一個(gè)控制信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，常開端口閉合就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。具體電路見圖3.6所示，此種驅(qū)動(dòng)方式簡單實(shí)用。 因?yàn)榍鍜唠姍C(jī)和吸塵電機(jī)并不需要對速度進(jìn)行控制，同時(shí)也不需要經(jīng)常的停啟。故將模塊的輸入端口接一個(gè)低電平電壓（電源地）來控制繼電器吸和就行。 3.6 紅外傳感器 3.6.1 紅外避障傳感器模塊 該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時(shí)信號輸出接口輸出數(shù)字信

46、號（一個(gè)低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場合。其電路原理圖如圖3.7所示： 圖3.7 紅外傳感器避障模塊電路 3.6.2 紅外臺階檢測傳感器 紅外臺階檢測使用集成的紅外傳感器，如圖3.8所示。當(dāng)傳感器前方?jīng)]有物體時(shí)，其輸出高電平，有物體時(shí)輸出為低電平。使用時(shí)不需要再外接元件，只需要給其提供+5V的電源就可以工作，但有效檢測距離較近，比較適用于機(jī)器人地盤用于臺階的檢測。

47、機(jī)器人地盤上在前進(jìn)方向共使用了兩個(gè)集成的紅外傳感器，分別安裝在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的前端，這樣只要其中任意一個(gè)傳感器檢測不到地面（遇到有臺階情況），輸出即為高電平，單片機(jī)檢測到這個(gè)高電平就立即停止前進(jìn)，防止跌落。 3.7 碰撞傳感器 在實(shí)際應(yīng)用中，紅外避障傳感器探測的范圍存在盲區(qū)，因此在機(jī)器人前端設(shè)計(jì)了一個(gè)約120度的碰撞板。在碰撞板的左右兩側(cè)各裝有一個(gè)碰撞傳感器，考慮到要求的可靠性高，所以采用機(jī)械式的碰撞傳感器，其原理就是一個(gè)行程開關(guān)，外形和引腳如圖3.9所示。當(dāng)沒有發(fā)生碰撞時(shí)，輸出為高電平；發(fā)生碰撞時(shí)，輸出信號為高電平。這樣就達(dá)到了對碰撞的檢測。 4 脈沖調(diào)制技術(shù) 4.1 PWM技術(shù)

48、原理 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種通過利用一系列脈沖的寬度對信號進(jìn)行控制的技術(shù)，目的是為了等效地獲得所要求的波形，包括頻率和幅值，實(shí)現(xiàn)了對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼。其實(shí)現(xiàn)方式主要是通過使用高分辨率計(jì)數(shù)器，調(diào)制方波的占空比或者頻率來完成非一個(gè)具體模擬信號的控制。 PWM控制技術(shù)是隨著全控型電子產(chǎn)品的出現(xiàn)和快速發(fā)展，才得到真正的廣泛應(yīng)用，技術(shù)也越來越成熟。最常見的應(yīng)用是在逆變電路中，獲得了空前的發(fā)展，常見的方法可以總結(jié)為8種：等脈寬PWM法、SPWM法、線電壓控制PWM、電流控制PWM、空間電壓矢量控制PWM法等等。本課題采用的方法是目前使用廣泛的SPWM法，實(shí)現(xiàn)方案多，技術(shù)比較成熟，容易控制

49、模擬信號。 SPWM法是根據(jù)PWM控制技術(shù)的中的一個(gè)重要的理論為基礎(chǔ)，即把沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在同一慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出會達(dá)到相同的效果，對應(yīng)的波形基本重合，達(dá)到同步的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明窄脈沖在沖量相同，形狀不同時(shí)輸出的波形傅立葉分析，在低頻率基本重合，只在高頻率是有所差異。圖4.1中的A、B、C表示是三種形狀不同但是面積相同的窄脈沖，即沖量都等于1，但是A代表矩形脈沖，B代表三角形脈沖，C代表正弦半波脈沖，圖中D的窄脈沖設(shè)置為單位脈沖函數(shù)。 圖4.1 不同形狀的窄脈沖 當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)波形如圖4.2所示。它們輸出波形盡管在高頻率的時(shí)候有所

50、不同，但在低頻率的時(shí)候是重合的，其效果是基本相同的。適合用于哪些載波頻率工作在較低頻率場合的系統(tǒng)。 圖4.2輸出波形 SPWM法是根據(jù)上述的理論，把脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律變化，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波，屏蔽高頻率段的波形，使其輸出的脈沖電壓的沖量和需要輸出的正弦波的沖量相等，就能輸出與正弦波等效的PWM波形。常見的具體實(shí)現(xiàn)SPWM的方法是面積法。等面積法就是根據(jù)SPWM法的控制原理，通過控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，產(chǎn)生等幅不等寬的矩形脈沖電壓與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)時(shí)間區(qū)間內(nèi)等效，那就可以通過計(jì)算矩形脈沖的頻率和幅值，并存入微處理器里，構(gòu)成PWM信號的控制單元。因此PWM單元就能

51、輸出逆變電路所需脈沖電壓的頻率和幅值，輸出的波形也很接近正弦波。 4.2 PWM技術(shù)產(chǎn)生 根據(jù)PWM的基本原理，常用兩種產(chǎn)生PWM信號方法：一種方式是在占空比不變的情況下產(chǎn)生頻率不同的脈沖，稱作脈沖調(diào)制；另一種是在頻率不變的情況下產(chǎn)生占空比不同的脈沖；稱作脈寬調(diào)制。第一種方法需要產(chǎn)生很多不同頻率的脈沖，條件相對苛刻，不容易實(shí)現(xiàn)，還會是電機(jī)振動(dòng)或發(fā)出噪聲。因此本課題中使用的是第二種方法脈沖調(diào)制，輸出在頻率恒定下改變占空比的PWM脈沖，意味著在整個(gè)過程中改變的僅僅是PWM的占空比，至于其他參數(shù)，尤其是脈沖頻率保持不變，通過調(diào)整工作周期在基本周期內(nèi)的長短來控制輸出波形。 4.3 PWM控壓

52、調(diào)速原理 本課題使用的是直流電機(jī)，直流電機(jī)自身構(gòu)造復(fù)雜，成本較高，維修困難，但是其效率高，轉(zhuǎn)速快，小巧，穩(wěn)定而用途廣泛。直流電機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)就是易于調(diào)速，非常適合本系統(tǒng)對電機(jī)的快速控制要求。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與加在電機(jī)兩端的電壓成正比，而電機(jī)兩端的電壓又與控制波形PWM的占空比成正比，可見電機(jī)的速度與輸出波形的占空比成正比，占空比越大，電機(jī)兩端的電壓越高，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，相反，占空比越小，電機(jī)兩端的電壓越低，電機(jī)轉(zhuǎn)得越慢。從而完成PWM單元對智能清潔機(jī)器人的調(diào)速過程。 根據(jù)SPWM法可知，在同一個(gè)周期里，加在慣性環(huán)節(jié)兩端的PWM脈沖與沖量相等的直流電加在直流電機(jī)的電壓等效，輸出的頻率和幅值相等。因

53、此假設(shè)在時(shí)間T內(nèi)，脈沖寬度時(shí)間是，幅值為。 圖4.3 PWM脈沖 由圖4.3可知時(shí)間T內(nèi)，等效的脈沖直流電壓為： （4-1） 設(shè)，則上式可化為： (為脈沖幅值） （4-2） 式4-2中為脈沖的占空比。 如果PWM 脈沖為周期性的矩形脈沖，周期時(shí)間為T，如圖4.4所示，則和此脈沖的等效直流電壓為： (為矩形脈沖占空比) （4-3） 圖4.4 周期性PWM矩形脈沖 占空比通常表示工作時(shí)間即開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與時(shí)間周期的比值。由上式可知等效直流電壓的大小有脈沖的幅值和占空比決定的，但是實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)時(shí)改變脈沖幅值是比較困難的，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定

54、，因此一般是設(shè)置為恒定的數(shù)值，通常改變占空比來控制等效直流電壓在0~U之間調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)STC89C52RC芯片對直流電機(jī)的控制。 5 清潔機(jī)器人軟件設(shè)計(jì) 5.1 行走電機(jī)控制程序 5.1.1 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制 清潔機(jī)器人左右輪分別有一直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，需要實(shí)現(xiàn)差速驅(qū)動(dòng)。 在本設(shè)計(jì)中，主控單片機(jī)主要負(fù)責(zé)對電機(jī)進(jìn)行控制及響應(yīng)避障傳感器檢測到的信號。其中，其中具體L298N 控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的真值表如表5.1（只選取一路電機(jī)）。 表5.1 L298N 控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的真值表 ENA IN1

55、 IN2 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎車 1 0 0 停止 其中，“1”代表單片機(jī)輸出高電平；“0”代表單片機(jī)輸出低電平。當(dāng)單片機(jī)的兩個(gè)控制IO 口同時(shí)為高電平或同時(shí)為低電平時(shí)電機(jī)都不能轉(zhuǎn)動(dòng)。只有當(dāng)一個(gè)IO口輸出高電平而另外一個(gè)輸出低電平

56、時(shí)直流電機(jī)才能轉(zhuǎn)動(dòng)。而且輸出的高電平與電平順序不一樣直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向也會不一樣。 例如，要使小車前進(jìn)就必須使兩個(gè)電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)，其程序如下： void go()//前進(jìn) { IN1=1;IN2=0; IN3=1;IN4=0; zkb1=25;zkb2=25; } 同理，只需改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入信號，便可控制小車的動(dòng)作方向。 5.1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 清潔機(jī)器人在完成清潔過程中，并不需要很高的行走速度，因此，通過PWM方式可以將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)穩(wěn)定的低速狀態(tài)。 PWM波的產(chǎn)生可以采取延遲和定時(shí)器兩種方式實(shí)現(xiàn)。采用延遲法太占系統(tǒng)資 源，所以選擇用定時(shí)器

57、來產(chǎn)生PWM波。這里我們提出一種只使用一個(gè)定時(shí)器便能產(chǎn)生多組PWM波的新方法。其原理是設(shè)定一個(gè)周期時(shí)間為T, 將這一個(gè)周期時(shí)間等分成N份，如圖5.1所示，每一小段時(shí)間為t，t為定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。在定時(shí)中斷程序中，PWM1和PWM2都先賦高電平，根據(jù)需要的占空比，如PWM1為30%、PWM2為50%時(shí)，PWM1在三個(gè)定時(shí)中斷后變?yōu)榈碗娖?，而PWM2繼續(xù)為高電平，直到5個(gè)定時(shí)中斷后才轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑?0 個(gè)定時(shí)中斷為一個(gè)周期，這樣循環(huán)就產(chǎn)生了兩個(gè)占空比不同的PWM波。利用這個(gè)原理可以產(chǎn)生多組并行的PWM波。 圖5.1 多組并行PWM波產(chǎn)生原理圖 按照上述原理就可以產(chǎn)生兩組可變占空比的PWM

58、波，分別賦給ENA和ENB,就可以控制兩直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。具體流程見圖5.2，t為一臨時(shí)變量，zkb1、 zkb2分別為ENA和ENB的占空比，取值0?50之間。 圖5.2 兩組PWM波產(chǎn)生程序流程圖 具體的程序設(shè)計(jì)如下： //初始化定時(shí)器 中斷 void init() { TMOD=0x01; TH0=0xFF; TL0=0xF6; EA=1; ET0=1; TR0=1; } //中斷函數(shù)+脈寬調(diào)制 void timer0() interrupt 1 { TH0=0xFF; //恢復(fù)定時(shí)器初始值 TL0=0xF6; t++;

59、 if(t>=50) {t=0;} if(t<=zkb1) //當(dāng)小于占空比值時(shí)輸出低電平 {ENA=0;} //高于時(shí)是高電平，從而實(shí)現(xiàn)占空比的調(diào)整 else {ENA=1;} if(t<=zkb2) {ENB=0;} else {ENB=1;} } 5.2 臺階檢測 清潔機(jī)器人在執(zhí)行清潔工作時(shí)，由于對環(huán)境沒有認(rèn)知性，在臺階和樓梯邊上有可能會跌倒，而損壞本身電子元件。為了更好地保護(hù)清潔機(jī)器人，本設(shè)計(jì)在清潔機(jī)器人的底盤前方設(shè)置了兩個(gè)紅外傳感器器來檢測臺階，當(dāng)其中一個(gè)傳感器檢測到有信號輸入，單片機(jī)會做出反應(yīng)，使行走電機(jī)停止，然后后退

60、一段距離，而后原地中心旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，繼續(xù)前行，避開臺階和樓梯。 程序設(shè)計(jì)如下： //臺階檢測 void step_deal() { if(tj_1==1||tj_2==1) { delay(5); if(tj_1==1||tj_2==1) { back(); delay(5); turn(); delay(5); } } } 5.3 避障處理 主動(dòng)回避障礙是清潔機(jī)器人的一個(gè)基本的安全運(yùn)動(dòng)要求，也是機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)的關(guān)鍵。 5.3.1 未知環(huán)境探測 清潔機(jī)器人被置于一個(gè)未知環(huán)境下

61、，對環(huán)境一無所知，不存在任何先驗(yàn)信息， 包括環(huán)境大小、形狀、障礙物位置等等，而且環(huán)境中不存在如路標(biāo)等人為設(shè)定的參照物。這就需要避障系統(tǒng)首先要求對清潔機(jī)器人四周環(huán)境進(jìn)行探測，顯然，單一傳感器是不能滿足要求的?？紤]到傳感器價(jià)位和技術(shù)水平的實(shí)際情況，用紅外傳感器和碰撞傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)對周圍環(huán)境進(jìn)行探測是較好的選擇，紅外傳感器有一定的預(yù)瞻能力，機(jī)械式碰撞傳感器性能可靠。關(guān)于這兩種傳感器在第三章已有詳細(xì)介紹，此處不再贅述。利用紅外傳感器可以及早地發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處存在的障礙物，再綜合碰撞傳感器的探測情況，依據(jù)一定的算法，對傳感器給出的不確定信息融合，可以得出較為真實(shí)的環(huán)境狀況，從而有利于機(jī)器人做出正確的判斷。

62、 5.3.2 實(shí)時(shí)避障方法的實(shí)現(xiàn) 在室內(nèi)環(huán)境中，不僅障礙物形狀復(fù)雜、擺放零亂，而且由于人員的走動(dòng)等經(jīng)常會帶來運(yùn)動(dòng)的障礙物，這樣，為保證機(jī)器人能夠在室內(nèi)環(huán)境中及時(shí)、安全、有效的避障顯得尤其重要。 對于避障問題的研究，每年都有許多新的方法或者對傳統(tǒng)方法的改進(jìn)出現(xiàn)，比較常見的方法有勢場法、柵格法等。由于本文所涉及到的機(jī)器人行為，不需要機(jī)器人到達(dá)精確的目標(biāo)位置，因此本文給出的是實(shí)際應(yīng)用中一種簡單有效的基于多傳感器的反應(yīng)式實(shí)時(shí)避障策略，它具有快速、實(shí)時(shí)、高效的特點(diǎn)，特別適合在未知?jiǎng)討B(tài)環(huán)境中進(jìn)行避障。 部分程序設(shè)計(jì)如下： void bizhang() { if(from==1&&left==

63、1&&right==1&&p_left==1&&p_right==1) //沒有障礙 物 { go(); } if(p_left==0) //左邊碰撞傳感器有信號 { delay(5); if(p_left==0) { back(); delay(5); turn_R(); delay(5); } } if(p_right==0) //右邊碰撞傳感器有信號 { delay(5); if(p_right==0) {

64、 back(); delay(5); turn_L(); delay(5); } } if(from==0&&left==0) //前、左紅外傳感器有信號 { delay(5); if(from==0&&left==0) { back(); delay(5); turn_R(); delay(5); } } if(from==0&&right==0) //前、右紅外傳感器有信號 { delay(5); if(from==0&&

65、right==0) { back(); delay(5); turn_L(); delay(5); } } if(from==0)//前方有障礙物 { delay(5); if(from==0) { turn(); delay(5); } } if(left==0) //左方有障礙物 { delay(5); if(left==0) { turn_R(); delay(5); } } if

66、(right==0) //右方有障礙物 { delay(5); if(right==0) { turn_L(); delay(5); } } } 結(jié) 論 本文在分析了目前國內(nèi)外清潔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀后，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)智能清潔機(jī)器人。對清潔機(jī)器人的硬件控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成了該機(jī)器人的硬件制作工作，并編制了相應(yīng)的控制軟件，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。 采用了STC89C52單片機(jī)作為機(jī)器人核心控制芯片，使用了差速轉(zhuǎn)向式三輪機(jī)械結(jié)構(gòu)及紅外、碰撞傳感器，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，并且成本相對較低。 主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： (1)簡要介紹了智能家庭清掃機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了比較和分析，說明了 本課題研究內(nèi)容的優(yōu)勢。 (2)在電路硬件設(shè)計(jì)方面，分別從主控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)部分、傳感器部分和電源部分幾大功能模塊說明了設(shè)計(jì)思想，方案論證和具體電路的實(shí)現(xiàn)。硬件電路模塊化的設(shè)計(jì)思想，有效地提高了工作效率，同時(shí)為后續(xù)軟件設(shè)計(jì)工作提供硬件開發(fā)平臺。 (3)在軟件設(shè)計(jì)方面，使用KEIL公司的C51uVisio