基于Stm32 掃地機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)含3張CAD圖
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要求及原始數(shù)據(jù)（資料）:
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能方面的研究引起了人們大量的關(guān)注，與此同時(shí)智能機(jī)器人的研究也越來越受到人們的重視，其中智能掃地機(jī)器人正逐步進(jìn)入人們的日常生活。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國內(nèi)生活水平的提高及生活節(jié)奏的加快，原本只存在于歐美市場上的智能掃地機(jī)器人開始涌入國內(nèi)，并逐漸地被人們所接受;可以預(yù)見，智能掃地機(jī)器人將會(huì)像普通家電一樣成為每個(gè)家庭必備的幫手，產(chǎn)品也會(huì)向著更加智能化發(fā)展，甚至?xí)诓痪玫膶碇鸩降厝〈斯で鍧?。在智能掃地機(jī)器人步入各種應(yīng)用場所的同時(shí)，對(duì)其性價(jià)比，使用便捷性，可靠性等都提出了新的要求，因此設(shè)計(jì)一款符合理論又能迎合市場要求的智能掃地機(jī)器人具有重大的意義。
基于?STM32F103ZET6?芯片搭建掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)，利用超聲波、紅外等多種傳感器采集信息，通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使掃地機(jī)器人實(shí)現(xiàn)清掃作業(yè)。
在研究和分析現(xiàn)有掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，提出一種穩(wěn)定可靠的路徑規(guī)劃算法，并測試效果。
對(duì)系統(tǒng)硬件如?MPU-6050、超聲波、驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。軟件實(shí)現(xiàn)?PID?控制算法并調(diào)試。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容: 1、設(shè)計(jì)圖樣要求：
設(shè)計(jì)原理正確，運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、查閱相關(guān)手冊(cè)，正確處理好圖、數(shù)字、符號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)等的關(guān)系，圖樣完整準(zhǔn)確?？傮w設(shè)計(jì)完整、圖紙表達(dá)清晰、標(biāo)注采用國家最新標(biāo)準(zhǔn)；完成整機(jī)裝配圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)方案確定最優(yōu)化；完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；完成零件圖設(shè)計(jì)。
2、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書：
設(shè)計(jì)依據(jù)可靠，參數(shù)選用合理，計(jì)算準(zhǔn)確，內(nèi)容完整，中英文摘要與科技論文必須做到準(zhǔn)確無誤。對(duì)主要系統(tǒng)方案進(jìn)行比較和選擇、并可行性論證。對(duì)主要的系統(tǒng)進(jìn)行控制的計(jì)算，可行性的校核。
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書參考文獻(xiàn)15篇以上，原則上所涉及的參考文獻(xiàn)論文資料為近5年出版發(fā)表。
學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）:
設(shè)計(jì)成果要求：提交紙質(zhì)資料（打印和部分手工繪制圖紙）和電子文檔資料。圖紙使用AutoCAD軟件繪制，文件為*.dwg格式。設(shè)計(jì)說明書資料為*.doc格式。
1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告。
2、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書1份，字?jǐn)?shù)2-2.5萬字。按《山西能源學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。
3、圖紙：
(1) 機(jī)器人總裝配圖（A0號(hào)）1張；
(2) 控制系統(tǒng)原理圖（A1號(hào)）1張；
(3) 傳感器零件圖（A3號(hào)）不少于2張；
4、文獻(xiàn)綜述&外文翻譯：按《山西能源學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。
(1)?文獻(xiàn)綜述：字?jǐn)?shù)不少于3000字；
(2)?外文翻譯：外文翻譯必須與畢業(yè)設(shè)計(jì)課題相關(guān)，字?jǐn)?shù)不少于5000字，并標(biāo)明文章出處。
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基于 Stm32 掃地機(jī)器人的控制系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
Control System Design of Sweeping Robot Based on stm32
摘 要
今天,隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,現(xiàn)代化的科學(xué)和技術(shù)正在改變我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)方方面面。因?yàn)槿藗兩畹木薮髩毫Γ瑳]有時(shí)間打掃家務(wù)?；谝陨显蚩梢钥闯觯瑨叩貦C(jī)器人在我們的生活中是一個(gè)必不可少的物品。掃地機(jī)器人的作用是可以幫助我們減少日常繁雜的勞動(dòng)，從而節(jié)省出大部分的時(shí)間去做其他事情，它可以有效的提高我們的生活質(zhì)量。到目前為止，掃地機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，并且具備廣闊的市場前景。清掃機(jī)器人的自動(dòng)化控制是提高其智能化程度、降低生產(chǎn)費(fèi)用的關(guān)鍵,并且具備重大的研究價(jià)值。本文先簡單介紹清掃工業(yè)機(jī)器人的研究發(fā)展背景、國內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀和價(jià)值,之后，逐步講解了掃地機(jī)器人相關(guān)的自動(dòng)化控制的技術(shù)。主控板采用 Stm32f103zet6 作為主控單元芯片、外置紅外傳感器、超聲波傳感器、MPU6050 陀螺儀等器件。本人完成了該掃地機(jī)器人的軟件和驅(qū)動(dòng)程序,而且通過編寫相關(guān)的程序完成了 PID、PWM 控制和路徑規(guī)劃的算法。掃地機(jī)器人的外置紅外傳感器、超聲波傳感器可以從四周的環(huán)境中探測是否需要進(jìn)行清掃,而且路徑規(guī)劃的算法可以通過對(duì)四周環(huán)境不同的變換來給該機(jī)器人規(guī)劃合適的路線,PID 實(shí)時(shí)輸入一個(gè)控制量來自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,保證清掃機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定。最后,制作好了一個(gè)機(jī)器人樣機(jī),并對(duì) PID 參數(shù)做了調(diào)整。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了自動(dòng)化機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理。
關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人：PID 參數(shù)：STM32 單片機(jī)：紅外傳感器
Abstract
Today, with the progress and development of modern science and technology, modern science and technology are changing every aspect of our daily life.The role of sweeping robot is to help us clean the ground, can help us reduce the daily complicated labor, so as to save most of the time to do other things, it can effectively improve the quality of our life. So far, the related technology of sweeping robot has gradually matured, and has a broad market prospect. The automatic control of cleaning robot is the key to improve its intelligence and reduce the production cost, and has great research value. This paper first briefly introduces the research and development background of industrial cleaning robot, the research and development status and value at home and abroad, and then gradually explains the automation control technology related to the sweeping robot. The main control board uses STM32F103ZET6 as the main control unit chip, external infrared sensor, ultrasonic sensor, MPU6050 gyroscope and other components. I completed the sweeping robot software and driver, and through the preparation of related programs to complete the PID, PWM control and path planning algorithm. Sweeping the robot's external infrared sensors, ultrasonic sensors can detect whether from the environment around the need to be clean, and path planning algorithm can through to the surrounding environment of different transformation plan the appropriate route to the robot, the real time input a control PID to automatically control the speed of the generator, ensure the stability of the cleaning robot. Finally, a robot prototype is made, and the PID parameters are adjusted. The design of the automatic robot monitoring system is verified by experiments.
Keywords：Sweeping robot: PID parameters: STM32 MCU: infrared sensor
IV
目 錄
摘 要 ........................................................ 3
1 緒論 ........................................................ 1
1.1 課題研究背景和意義 ...................................... 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢................................ 2
1.4 掃地機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................ 3
1.5 掃地機(jī)器人的單片機(jī)控制技術(shù)............................. 4
1.6 本文的主要研究內(nèi)容 ...................................... 5
1.7 本章小結(jié) ................................................ 6
第 2 章 硬件電路設(shè)計(jì) .......................................... 7
2.2 電機(jī) .................................................... 7
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ................................................ 8
2.4 編碼器 .................................................. 9
2.5 控制核心.............................................. 11
2.6 外部信息采集.......................................... 12
2.7 MPU6050............................................... 13
2.8 ATK-ESP8266 WIFI 模塊................................. 14
2.9 程序下載電路模塊...................................... 15
2.10 電源管理模塊......................................... 17
2.11 本章小結(jié)............................................. 19
第 3 章 軟件設(shè)計(jì) ............................................ 20
3.1 軟件系統(tǒng)框架.......................................... 20
3.2 傳感器數(shù)據(jù)讀取........................................ 20
3.2.1 超聲波傳感器數(shù)據(jù) ............................... 20
3.2.3 編碼器數(shù)據(jù)讀取.................................. 24
3.3 電機(jī)控制.............................................. 25
3.3.1 PID 控制器...................................... 25
3.3.2 PWM 輸出........................................ 27
3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送.............................................. 28
3.4.1 子模式選擇...................................... 28
3.4.2 WIFI 模塊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置........................... 29
3.5 路徑規(guī)劃.............................................. 29
第 3.5.1 弓字型行走.................................... 30
3.5.2 覆蓋算法一...................................... 31
3.5.3 覆蓋算法二...................................... 32
3.5.4 結(jié)束算法......................................... 33
3.6 本章小結(jié) ............................................... 33
第 4 章實(shí)驗(yàn)與調(diào)試 ............................................. 34
4.1 PID 參數(shù)調(diào)試.......................................... 34
4.1.1 PID 參數(shù)的作用.................................. 34
4.1.2 PID 參數(shù)調(diào)試步驟................................ 35
4.2 巡航算法實(shí)驗(yàn).......................................... 35
4.3 算法 A 的測試......................................... 36
4.4 算法 B 的測試......................................... 37
4.5 綜合測試.............................................. 37
第 5 章 總結(jié)與展望 ........................................... 39
5.1 全文總結(jié).............................................. 39
5.2 研究展望.............................................. 40
致 謝 ....................................................... 41
參考文獻(xiàn) ..................................................... 42
1 緒論
1.1 課題研究背景和意義
今天,隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,現(xiàn)代化的科學(xué)和技術(shù)正在改變我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)方方面面，人們對(duì)于生活質(zhì)量的要求也越來越多，不想將過多的時(shí)間浪費(fèi)在生活的瑣事上。所以目前為止，整個(gè)社會(huì)對(duì)于自動(dòng)化的要求逐步增高，人們需要各種各樣的機(jī)器人來代替人類去服務(wù)生活。與此同時(shí)，機(jī)電工程、自動(dòng)化及其控制、傳感器、計(jì)算機(jī)等也給為人類服務(wù)的全自動(dòng)化機(jī)器人提供了應(yīng)有的知識(shí)體系。在這些全自動(dòng)化機(jī)器人中，掃地機(jī)器人出現(xiàn)的理念和時(shí)間都是最早的一批，它已經(jīng)擁有了足夠成熟的技術(shù)來為人類服務(wù)。掃地機(jī)器人的作用是在室內(nèi)環(huán)境時(shí)，它可以自動(dòng)檢測出地面上的垃圾，然后根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)算法計(jì)算出路線，根據(jù)該路線，將地面上的垃圾、浮塵等污染物清掃進(jìn)自帶的垃圾收納箱中，這樣就完成了地面的清掃工作，徹底的解放雙手，將時(shí)間應(yīng)用到真正需要的地方。在近幾年來，掃地機(jī)器人的銷售額不斷的提升，它已經(jīng)逐漸的變成人們生活中的必需品，成為家庭生活中必不可少的生活助手。
根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，在最近幾年之內(nèi)中國有關(guān)掃地機(jī)器人方面的銷售額相對(duì)于前幾年來說在成倍的增長。于 2020 年截止前，中國市場上的掃地機(jī)器人的銷
售總額度已超過 569.7 萬臺(tái)，其零售總額已超過 89 億元。相比于別的家用清潔電器而言，在中國內(nèi)的家用掃地機(jī)器人的普及率不足 7%，還沒有達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。由此可以看出，在國內(nèi)，掃地機(jī)器人的市場需求量仍然很大。而且，該機(jī)器屬于消耗品，所以其售后服務(wù)也應(yīng)該跟上發(fā)展的腳步，這樣才能讓更多的消費(fèi)者滿意， 從而達(dá)到宣傳商品的目的。在 2021 年度，國內(nèi)的掃地機(jī)器人的市場規(guī)模巨大，銷
售了 765 萬臺(tái)，銷售額已經(jīng)達(dá)到了 102 億元。銷售規(guī)模增長了 20%。在 2020 年度， 掃地機(jī)器人的市場迎來了新的爆發(fā)點(diǎn)，這主要是由于疫情的催化作用，所以愈來愈多的企業(yè)開始研發(fā)各種各樣的相關(guān)產(chǎn)品。掃地機(jī)器人主要是由控制、移動(dòng)、傳感系統(tǒng)以及真空吸塵的系統(tǒng)所構(gòu)成的。由于需要掃地機(jī)器人的范圍不斷的增多，
9
所以傳感系統(tǒng)控制產(chǎn)品的系統(tǒng)還需要不斷的完善和改進(jìn)，才能讓掃地機(jī)器人適應(yīng)不同的環(huán)境，以便讓其更好的工作。
現(xiàn)在，對(duì)于掃地機(jī)器人而言，問題最大的便是感知系統(tǒng)。目前為止，市場上大部分的掃地機(jī)器人采用的仍然是最普通的最傳統(tǒng)的紅外線躲避障礙系統(tǒng)，它在工作時(shí)，經(jīng)常會(huì)由于沒有檢測到障礙物而向無頭蒼蠅一樣到處亂碰，經(jīng)常會(huì)由于這個(gè)原因而需要檢修。而且，由于算法不夠成熟，所走的路線會(huì)出現(xiàn)部分重復(fù)而部分區(qū)域不能清掃。對(duì)于現(xiàn)在所要求的生活質(zhì)量來說，它已經(jīng)不能滿足人們的所需，急需要改進(jìn)算法來適應(yīng)多變的環(huán)境。而且技術(shù)完善的掃地機(jī)器人就應(yīng)該具有很強(qiáng)的應(yīng)變能力，隨著清掃的面積大、清掃的效率提高、規(guī)劃的路線節(jié)約時(shí)間和電能等的需求。根據(jù)以上的要求，目前的機(jī)器人需要根據(jù)清掃面積的增大對(duì)路徑的規(guī)劃。以上兩種的不同之處在于前者是對(duì)于周遭的環(huán)境只能感知到部分，而后者是對(duì)于周遭的環(huán)境都可以完全的掌握，根據(jù)周圍的環(huán)境，比如所需要躲避的物體所處的位置、大小以及形狀等，設(shè)計(jì)出一條最近且最優(yōu)的路線，完美的路徑規(guī)劃的算法能夠提高掃地機(jī)器人的工作效率以及增大工作面積，所以該算法也是整個(gè)掃地機(jī)器人系統(tǒng)的核心所在，若實(shí)現(xiàn)了該種技術(shù)，便可以在在真正意義上幫助人類節(jié)約時(shí)間、解放雙手，從根源上提高人們的生活質(zhì)量。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
二十一世紀(jì)初期，國外一家名為 ILEX 的公司推出了一款智能三葉蟲機(jī)器人， 是什么導(dǎo)致了對(duì)掃地機(jī)器人概念的顛覆？這款名為“三葉蟲”的機(jī)器人是通過一個(gè)蛋糕外形的設(shè)計(jì)以及一個(gè)塑料外殼來清掃污染物。在一臺(tái)機(jī)器的控制下，下輪可以旋轉(zhuǎn)，因此，通過仿生技術(shù)，根據(jù)蝙蝠的超聲波技術(shù)，從 2003 年開始，iRobot 和 Proscenic 發(fā)布了一系列產(chǎn)品，主要致力于真空吸塵器和碰撞[1]。從國外的
Euromonitor 以及 IFR 的數(shù)據(jù)所表明的來看，從 2019-2021 年掃地機(jī)器人的行業(yè)規(guī)模來看，整個(gè)全球的發(fā)展趨勢都是呈上升趨勢的，從 2020 年開始，國外掃地機(jī)器
人的銷售額度相比于 2019 年來說增長了 43%，整個(gè)行業(yè)的市場規(guī)模為 45 億美金， 對(duì)于滲透率來說，2020 年的為 30%，與 2019 年的相比較而言，增加了 9%。2004
年，重慶大學(xué)的智能與技術(shù)研究所與寧波電業(yè)有限公司共同開發(fā)了一種機(jī)器人用于清潔，這款機(jī)器人可以打掃房間里的墻壁。未來，美國掃地機(jī)器人的發(fā)展或?qū)⒔?jīng)歷由“家庭可選”到“家庭必需”的過程，市場滲透率有望大幅提升[2]。今天， 掃地機(jī)器人不僅適應(yīng)了復(fù)雜的家庭環(huán)境，而且在很大程度上提高了清潔的效果。目前，清理機(jī)器人有幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)支柱，清潔任務(wù)主要分為以下幾個(gè)階段：[3] 首先是傳感器技術(shù)，清潔機(jī)器人在傳感器的測量和控制下，可以向前和遠(yuǎn)處移動(dòng)， 單獨(dú)執(zhí)行清潔任務(wù)；其次是定位功能，掃地機(jī)器人的內(nèi)部系統(tǒng)中有定位的系統(tǒng)， 主定位系統(tǒng)是 RPS 激光定位系統(tǒng)，只要掃地機(jī)器人進(jìn)行了移動(dòng)，其定位系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)行更新，改變位置信息，為掃地機(jī)器人的工作提供提供幫助；然后便是路徑規(guī)劃算法，掃地機(jī)器人感知到垃圾所在的位置后，便通過系統(tǒng)內(nèi)部的算法以及所處周遭環(huán)境中的障礙物，計(jì)算出一條最為合適的路線；最后是真空吸塵技術(shù)，掃地機(jī)器人內(nèi)部裝有機(jī)械裝置，開始工作后便形成巨型空氣渦流進(jìn)行凈化，用于除塵。
1.3 掃地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
在目前，市面上所出現(xiàn)的掃地機(jī)器人分為三級(jí)輥刷式清洗機(jī)和兩級(jí)無輥刷式清洗機(jī)。自動(dòng)清洗機(jī)器人可以自動(dòng)完成內(nèi)角除塵.目前流行的掃氣機(jī)器人具有自動(dòng)掃氣等智能功能，臨時(shí)清潔、智能定位、自動(dòng)充電等。可通過遙控器、手機(jī)或電腦控制。清洗機(jī)器人配有感應(yīng)探頭，房間里有殺菌燈，可以有效地消滅螨蟲，細(xì)菌和病毒在清洗過程中。然而，目前清洗機(jī)器人正處于開發(fā)階段，噪音、灰塵、旋轉(zhuǎn)等問題，需要優(yōu)化和改進(jìn)。
1.4 掃地機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
掃地機(jī)器人非常依賴于他的機(jī)械結(jié)構(gòu)，依次，優(yōu)化它的機(jī)械機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器人的動(dòng)力性能是很重要的。良好的機(jī)器線性性能，可采用左右兩輪電機(jī)，使汽車具有更高的機(jī)動(dòng)性和靈活性。洗滌裝置由兩臺(tái)刷子機(jī)控制，為了在除塵后集中吸塵口制備除塵機(jī)理.除塵器采用急性真空吸塵力形成旋渦除塵器可在機(jī)器人底部安裝清潔布，以清除地面上的細(xì)灰塵。清洗方式可隨機(jī)、點(diǎn)狀、邊緣等；智能導(dǎo)航系統(tǒng)的本質(zhì)在于自動(dòng)路徑規(guī)劃，包括隨機(jī)全局覆蓋和全局覆蓋規(guī)劃；防墜落裝
置由距離傳感器測量。機(jī)器人的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)包括清洗、行走和吸塵器.因?yàn)闄C(jī)器人有許多運(yùn)動(dòng)部件.運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不斷變化，因此，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，提高機(jī)器人的動(dòng)力性能是很重要的[4]。良好的機(jī)器線性性能，可采用左右兩輪電機(jī)，使汽車具有更高的機(jī)動(dòng)性和靈活性。洗滌裝置由兩臺(tái)刷子機(jī)控制，為了在除塵后集中吸塵口制備除塵機(jī)理.除塵器采用急性真空吸塵力形成旋渦除塵器可在機(jī)器人底部安裝清潔布，以清除地面上的細(xì)灰塵。清洗方式可隨機(jī)、點(diǎn)狀、邊緣等；智能導(dǎo)航系統(tǒng)的本質(zhì)在于自動(dòng)路徑規(guī)劃，包括隨機(jī)全局覆蓋和全局覆蓋規(guī)劃；在智能安全控制系統(tǒng)下，在垃圾機(jī)器人中安裝了 3 個(gè)超聲波測距傳感器，用于檢測垃圾機(jī)器人途中的障礙物；防墜落裝置由距離傳感器測量。 1.4.1 監(jiān)護(hù)儀網(wǎng)絡(luò)化
隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的高速發(fā)展，國內(nèi)研發(fā)的許多新型號(hào)醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀基本上都可以用網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行連接，通過這種技術(shù)，監(jiān)護(hù)儀隨時(shí)可以將患者的被測數(shù)據(jù)迅速地傳輸給醫(yī)院的儲(chǔ)存器上，醫(yī)院的中央監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)將病人所有的相關(guān)病情資料進(jìn)行匯總，患者及其家屬可以通過網(wǎng)絡(luò)了解患者的患病情況與檢查結(jié)果，醫(yī)生也可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的了解病人的各項(xiàng)生理指標(biāo)，方便醫(yī)生在第一時(shí)間內(nèi)對(duì)患者進(jìn)行救治，極大的節(jié)省了時(shí)間。這種技術(shù)的應(yīng)用，在一定程度上極大的方便了醫(yī)院對(duì)于患者各項(xiàng)指標(biāo)信息的管理。此外，監(jiān)護(hù)儀網(wǎng)絡(luò)化還在一定程度上降低了醫(yī)護(hù)人員的工作強(qiáng)度，方便了醫(yī)護(hù)人員對(duì)病患的管理。尤其是在晚上，醫(yī)護(hù)人員不足的時(shí)候，也可以在同時(shí)監(jiān)測不同的病人，大大提高了醫(yī)護(hù)人員的工作效率，這樣每個(gè)患者都可以得到及時(shí)的救治與護(hù)理。在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)護(hù)儀也推動(dòng)了遠(yuǎn)程治療的發(fā)展，通過網(wǎng)絡(luò)，其他地方的醫(yī)生也可以了解患者的信息，為患者的救治提出方案。
1.5 掃地機(jī)器人的單片機(jī)控制技術(shù)
掃地機(jī)器人是通過采用紅外傳感器、光電傳感器和測距傳感器來完成自我保護(hù)，采用光電編碼器確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，采用 PWM 技術(shù)動(dòng)態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速， 采用單片機(jī)編程，保證移動(dòng)、清洗，防障礙，精確停車控制，存儲(chǔ)檢測和數(shù)據(jù)顯示[5]。掃地機(jī)器人采用了傳感器系統(tǒng)，這相當(dāng)于是機(jī)器人的感知器官，它還主要
是用于清理和收集環(huán)境障礙物及其狀態(tài)的信息，在掃地機(jī)器人工作時(shí)，能將感知系統(tǒng)放在處于工作狀態(tài)的掃地機(jī)器人的旁邊，然后根據(jù)處理系統(tǒng)以及信號(hào)處理額電路，對(duì)收集到的信息進(jìn)行分析和計(jì)算。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用直流電機(jī)，通過寬度調(diào)制控制電機(jī)電樞電壓脈沖，將直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓脈沖序列，通過調(diào)節(jié)電壓脈沖或循環(huán)的持續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的目的。有些單片系統(tǒng)在斷電時(shí)也需要保存重要數(shù)據(jù)，所以可以使用系統(tǒng)，由狗門組成。自動(dòng)充電系統(tǒng)通過充電實(shí)現(xiàn)。對(duì)接充電時(shí)使用紅外信號(hào)，使掃描儀能夠獨(dú)立定位充電樁。
1.6 本文的主要研究內(nèi)容
隨著科技發(fā)展不斷的進(jìn)步，清潔機(jī)器人的智能化水平也在穩(wěn)步提高。但是， 掃地機(jī)器人的研究也遇到了阻礙，比如其高昂的價(jià)格會(huì)使許許多多的普通家庭無力購買。目前市場上所使用的是 iRobot Roomba 980，該機(jī)器人的清掃成本主要取決于激光和視覺導(dǎo)航，因此會(huì)提高掃地機(jī)器人的制作成本。本課題在分析機(jī)器人技術(shù)在國內(nèi)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，研究出了一種算法，它以成本低廉且所規(guī)劃的路線最優(yōu)而取勝。主要研究內(nèi)容如下：
表 1-1 主要內(nèi)容
第一點(diǎn)
基于 STM32F103ZET6 芯片建立清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過超聲波、紅外等傳感器采集信息，用于清潔操作的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。
第二點(diǎn)
在分析現(xiàn)有路徑清理機(jī)器人調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，提出一種穩(wěn)定可靠的路徑規(guī)劃算法。
第三點(diǎn)
設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，包括 6050 微處理器、超聲波檢測模塊和驅(qū)動(dòng)程序， 用于 PID 控制算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試的軟件。
1.7 本章小結(jié)
介紹了研究背景和意義、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)器人傳感器加工技術(shù)的主要功能和應(yīng)用，綜述了機(jī)器人在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有的清洗機(jī)器人具有更智能、更自主的特點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步，它們可以進(jìn)一步發(fā)展，分析掃地機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)、單片控制技術(shù)和傳感器技術(shù)，提供了進(jìn)一步提升智能清洗機(jī)器人的詳細(xì)信息，
最后是寫了文章的主要研究內(nèi)容。
第 2 章 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 硬件系統(tǒng)總體框架
在本文所描述的內(nèi)容中，主要的研究內(nèi)容是針對(duì)的最為傳統(tǒng)普通的掃地機(jī)器人，在日常的工作中，該機(jī)器人所使用的避障系統(tǒng)主要是通過紅外線以及超聲波來感知周遭的環(huán)境的，而且，在遇到障礙物需要躲避時(shí)，這款機(jī)器人是通過 mpu6050 運(yùn)動(dòng)傳感器來規(guī)劃路線，在規(guī)劃的路線中，可以詳細(xì)到遇到某障礙物時(shí)，機(jī)身需要旋轉(zhuǎn)多少度來躲避，在最大程度上實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。掃地機(jī)器人的兩個(gè)車輪的動(dòng)力由兩個(gè)直流減速電機(jī)提供。他的速度和兩個(gè)車輪之間的距離可以通過測量編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)計(jì)算得出。若果想要得到具有時(shí)效性的傳感器數(shù)據(jù)以及將電流傳輸給逆變器，那么就需要一個(gè) wife 模塊，并且在你的電腦中安裝相關(guān)控制軟件， 實(shí)現(xiàn)與 WLAN 模塊通信。還有極其重要的一塊就是掃地機(jī)器人的能源問題了，我們?yōu)樗峁┝?12V 電壓的電池組，當(dāng)電容為 9000 毫安時(shí)，穩(wěn)壓后為驅(qū)動(dòng)和控制單元供電。掃地機(jī)器人的控制是通過對(duì) stm32f103zet6 這個(gè)主控元件的控制實(shí)現(xiàn)的， 可以將家務(wù)清掃清掃分為機(jī)械運(yùn)動(dòng)，多傳感器的信息相互融合這兩個(gè)主要部分。
2.2 電機(jī)
掃地機(jī)器人的兩個(gè)車輪的動(dòng)力由兩個(gè)直流減速電機(jī)提供，在掃地機(jī)器人的底盤上，對(duì)于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪來說，其相對(duì)速度應(yīng)保持一致并且呈差速減速，當(dāng)掃地機(jī)器人走到墻角位置時(shí)，需要掃地機(jī)器人進(jìn)行相當(dāng)于在平面直角坐標(biāo)系中半徑為零的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可以保持它兩個(gè)車輪速度相等，方向相反就可以完成此運(yùn)動(dòng)[6]。直流發(fā)電機(jī)比較適合應(yīng)用于中小型的掃地機(jī)器人。直流發(fā)電機(jī)中的電流為直流，因而可以將電池做為電源。將電池作為電源，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)所供給的動(dòng)力不夠大， 轉(zhuǎn)矩較小，為了克服這個(gè)困難，我們一般可以在掃地機(jī)器人的發(fā)電機(jī)和車輪之間裝一個(gè)減速器，這個(gè)減速器可以減小車輪的轉(zhuǎn)速，提高車輪的轉(zhuǎn)矩[7]。很多汽車廠商在發(fā)動(dòng)機(jī)工廠都有不同的減速比可供選擇，然后根據(jù)我們實(shí)際的需要，在設(shè)
計(jì)某款掃地機(jī)器人時(shí)，我們可以可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ睾退俣?。掃地機(jī)器人的兩個(gè)車輪的動(dòng)力由兩個(gè)直流減速電機(jī)提供，在掃地機(jī)器人的底盤上，對(duì)于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪來說，其相對(duì)速度應(yīng)保持一致并且呈差速減速，當(dāng)掃地機(jī)器人走到墻角位置時(shí)，需要掃地機(jī)器人進(jìn)行相當(dāng)于在平面直角坐標(biāo)系中半徑為零的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可以保持它兩個(gè)車輪速度相等，方向相反就可以完成此運(yùn)動(dòng)[6]。直流發(fā)電機(jī)比較適合應(yīng)用于中小型的掃地機(jī)器人。直流發(fā)電機(jī)中的電流為直流，因而可以將電池做為電源。將電池作為電源，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)所供給的動(dòng)力不夠大，轉(zhuǎn)矩較小，為了克服這個(gè)困難，我們一般可以在掃地機(jī)器人的發(fā)電機(jī)和車輪之間裝一個(gè)減速器， 這個(gè)減速器可以減小車輪的轉(zhuǎn)速，提高車輪的轉(zhuǎn)矩[7]。很多汽車廠商在發(fā)動(dòng)機(jī)工廠都有不同的減速比可供選擇，然后根據(jù)我們實(shí)際的需要，在設(shè)計(jì)某款掃地機(jī)器人時(shí)，我們可以可以根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)呐ぞ睾退俣取?
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的電流是比較大的，單個(gè)單片機(jī)中的電流不足以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，需要一個(gè)獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)[8]。想要驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，那么必須使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，我們這里采用的是 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片。H 橋驅(qū)動(dòng)芯片是由法半導(dǎo)體公司研發(fā)制作的一款芯片，它的名稱是 L298N 驅(qū)動(dòng)芯片，此芯片性能優(yōu)越，可以用單片機(jī)直接控制電機(jī)的直流電流的功率，方向。
表 2-1 電機(jī)功能模塊表
驅(qū)動(dòng)器控制芯片:
l298n 雙橋或H 橋直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的通用
驅(qū)動(dòng)器控制芯片
驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍 Vs：
＋5V～＋12V ；板內(nèi)取電時(shí)，則供電范圍 Vs：+6V～+12V 3.驅(qū)動(dòng)部分峰值
電流 Io：2A
邏輯部分端子供電范圍 Vss：
4＋5V～＋7V（可板內(nèi)取電＋5V）
邏輯部分工作電流范圍:
5. 0～36mA
控制信號(hào)輸入電壓范圍（IN1 IN2 IN3 IN4）：
低電平：－0.3V≤Vin≤1.5V 高電平： 2.3V≤Vin≤Vss
使能信號(hào)輸入電壓范圍（ENA ENB）：
低電平：－0.3≤Vin≤1.5V（控制信號(hào)無效） 高電平：2.3V≤Vin≤Vss（控
制信號(hào)有效）
最大功耗：
20W（溫度 T＝75℃時(shí)）
存儲(chǔ)溫度：
－25℃～＋130℃
驅(qū)動(dòng)板尺寸:
55mm*Ⅰ45mm*33mm(包括固定銅柱和散熱片高度)
它的缺點(diǎn)就是，盡管使用 l298n 這個(gè)驅(qū)動(dòng)板已經(jīng)能夠個(gè)同時(shí)連續(xù)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流高壓發(fā)電機(jī)，但是如果長一段時(shí)間的連續(xù)工作于較大的低功率電壓狀態(tài)下,則很有可能會(huì)直接導(dǎo)致這個(gè)驅(qū)動(dòng)板可能產(chǎn)生電壓過熱、燃燒板等異常情況。為了不斷改善軟硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性,我們需要合理安排掃地機(jī)器人的工作時(shí)間。
圖 2-1 L298N 模塊電路連接圖
2.4 編碼器
當(dāng)光柵電動(dòng)機(jī)高速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),光柵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤和驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以進(jìn)行一個(gè)同步高
速旋轉(zhuǎn),檢測控制設(shè)備同時(shí)輸出若干個(gè)高速脈沖控制信號(hào)。通過對(duì)信號(hào)編碼器前端輸入的高壓脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)可以進(jìn)行直接計(jì)算,即我們可以直接得到一臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作運(yùn)行里程。編碼器將通過兩路高頻脈沖調(diào)制信號(hào)分別輸出一個(gè)之間相位角度誤差為 90 度的高頻脈沖信號(hào),從而可以使一個(gè)用戶電機(jī)可以更加簡單地準(zhǔn)確地來判斷其高速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方向]。光電脈沖編碼器主要是一種同時(shí)具有系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜原理簡單、平均測量計(jì)算器和機(jī)械軸的使用壽命長,抗干擾能力、可靠性好等多大優(yōu)點(diǎn)的光電脈沖編碼器,它主要是一種通過進(jìn)行光電脈沖轉(zhuǎn)換把數(shù)字信號(hào)從一端輸出機(jī)械軸上的計(jì)算機(jī)械軸向幾何上的位移進(jìn)行測量后再轉(zhuǎn)換后作為光電脈沖或者圖像是其他數(shù)字信號(hào)測量的一種信號(hào)處理傳感器。由于它的操作精確度比較高、性能穩(wěn)定以及合理的使用價(jià)格,成為廣泛應(yīng)用的一種傳感器。這種傳感器通過對(duì)信號(hào)編碼器前端輸入的高壓脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)可以進(jìn)行直接計(jì)算,即我們可以直接得到一臺(tái)高壓電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作運(yùn)行里程。編碼器將同時(shí)輸出一個(gè)脈沖相位時(shí)間誤差為 90 度的兩路電機(jī)脈沖相位信號(hào),從而可以使每個(gè)用戶電機(jī)可以更加方便準(zhǔn)確地快速判斷其同軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。光電信號(hào)編碼器主要具有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜原理簡單、平均具有機(jī)械性和使用壽命長,抗干擾能力和工作可靠性好等幾大特點(diǎn)。
光電信號(hào)編碼器的基本設(shè)計(jì)和技術(shù)選型主要目的是為了考慮其工作精度以及
是否達(dá)到能夠直接達(dá)到國家規(guī)定的技術(shù)要求,本文的研究課題主要選擇了 de38s6 型通用增量式射頻光電雙向旋轉(zhuǎn)信號(hào)編碼器,具備兩個(gè) a 相、b 相的信號(hào)輸出。其中它每圈的高速脈沖輸出次數(shù)已經(jīng)完全達(dá)到了 600,即一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)超過一圈后就已經(jīng)會(huì)連續(xù)輸出 600 個(gè)高速脈沖,精度大約為 0.6 度,完全已經(jīng)能夠充分滿足這個(gè)高速實(shí)驗(yàn)的實(shí)際需要,其中每個(gè)脈沖輸出次數(shù)的精度定義具體如下:
脈沖數(shù)：
600 電源電壓：
表 2-2 脈沖次數(shù)定義
19
1
消耗電流：
+5V 加減 5％
信號(hào)高電平：
≥2.5V
信號(hào)低電平：
≤0.5V
上升下降時(shí)間：
≤100ns
響應(yīng)頻率：
100KHz
2.5 控制核心
主控上位芯片模塊是用于掃地電動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制處理系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)核心, 完成了各個(gè)控制器對(duì)系統(tǒng)的大量遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集處理和邏輯運(yùn)算的完成任務(wù),主要芯片功能原理包括:通過使用它的 兩個(gè)模塊直接同時(shí)實(shí)現(xiàn)與主控上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊,讀取外部超聲波、紅外、 等各種環(huán)境傳感器的相關(guān)信息,根據(jù)所有的需要及時(shí)獲取的各種外部環(huán)境條件信息對(duì)其信號(hào)進(jìn)行邏輯計(jì)算,再以 超聲波的組合方式將各個(gè)控制器的信號(hào)直接送入主控輸出端并給予一臺(tái)掃地電機(jī)的電源驅(qū)動(dòng),控制一臺(tái)掃地電動(dòng)機(jī)器人的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由此可見其各主控控制單元的驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)控制單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有非常大的重要技術(shù)意義。本課程研究課題需要選擇的接口是一個(gè)"stm32f103zet6" 作為 MCU,它所需要具備的基本特點(diǎn)也就是所需要擁有的特殊接口技術(shù)軟件資源:
表 2-3 stm32f103zet6 的資源接口
64kbsram
512kbflash
2 個(gè)高級(jí)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器
4 個(gè)普通基礎(chǔ)定時(shí)器
2 個(gè)高級(jí)基礎(chǔ)定時(shí)器
2 個(gè)大的 dma 串口控制器(共 12 個(gè)數(shù)字通道)
3 個(gè)小的 spi
2 個(gè) spiic
5 個(gè)數(shù)字串口：1 個(gè) USB 個(gè) 、1 個(gè) USCAN 、3 個(gè) 12 位的 SDCA 、1 個(gè) 12 位的 SDCA
1 串口接口
1 接口
112 個(gè)國際通用接口。
2.6 外部信息采集
為了掃地機(jī)器人識(shí)別周圍的環(huán)境以及準(zhǔn)確找到充電基地，給它配備了兩種傳感器當(dāng)作它的“感官”。超聲波傳感器可以使它探測周圍環(huán)境中的障礙物距離掃地機(jī)器人的位置，紅外傳感器可以令它識(shí)別充電基地的紅外坐標(biāo)信號(hào)（）。但是，通過測試，在掃地機(jī)器人實(shí)際工作的時(shí)候，超聲波傳感器并不能 360 度無死角全方面覆蓋，總是會(huì)存在幾個(gè)超聲波傳感器檢測不到的盲區(qū)，因此我們給它的周圍裝上了接觸器傳感器，這種接觸器傳感器可以解決超聲波傳感器所產(chǎn)生的問題，當(dāng)掃地機(jī)器人快碰到障礙物時(shí)，接觸器傳感器的裝置會(huì)將信號(hào)發(fā)給掃地機(jī)器人的主控單片機(jī)，使其作出反應(yīng)。
表 2-4 超聲波模塊電路結(jié)構(gòu)
名稱
作用
５個(gè)管腳
VCC
接 5V 電源
GND
地線
TRIG
觸發(fā)控制信號(hào)輸入， 回響信號(hào)輸出
OUT
作為開關(guān)量輸出（當(dāng)報(bào)警模塊使用）
模塊采用 IO 口 觸發(fā)測距，超聲波模塊發(fā)出信號(hào)到接收信號(hào)，通過計(jì)算回響信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，就能計(jì)算出掃地機(jī)器人與障礙物之間的距離。 與 分別起電平
轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大作用。
2.7 MPU6050
MPU6050 是九軸移動(dòng)處理的運(yùn)動(dòng)傳感器的開山之作。為了大大減少系統(tǒng)的內(nèi)存功耗,它分別使用了 1024 字節(jié)的先出后進(jìn)入和打開后入后出的存儲(chǔ)器(FIFO)。通過 400khz 的兩個(gè) I2C 接口和全部的用于設(shè)備數(shù)據(jù)寄存器之間可以進(jìn)行實(shí)現(xiàn)信號(hào)高速傳輸,對(duì)于大量的業(yè)務(wù)，需要直接實(shí)現(xiàn)信號(hào)高速傳輸?shù)脑O(shè)備應(yīng)用， 20MHz 的SPI 接口可以直接實(shí)現(xiàn)用于設(shè)備寄存器之間信號(hào)的高速讀寫和傳輸中斷。此外,在兩個(gè)芯片上也分別重新嵌入了一個(gè)只用于能夠同時(shí)產(chǎn)生±1%的溫度變動(dòng)的微振蕩器和一個(gè)溫度傳感器。這種運(yùn)動(dòng)傳感器的芯片非常小，長為 4mm，寬為 4mm，厚度僅有 0.9 毫米。用無線方盒封裝，極其堅(jiān)固。
運(yùn)動(dòng)處理傳感器能夠提供 2.5V 上下 5%、3.0V 上下和 3.3V 下 5%的器件內(nèi)部的工作電壓范圍。此外，運(yùn)動(dòng)處理傳感器的引腳 VLOGIC 是專門為 I2C 接口供給邏輯電壓的。邏輯電壓可以是 1.8±5%或器件內(nèi)部的工作電壓。數(shù)字推進(jìn)處理器（DMP）：數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的接收和處理陀螺儀數(shù)據(jù)，加速度計(jì)和外部傳感器，并可以從數(shù)據(jù)
管理平臺(tái)寄存器讀取處理結(jié)果。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)可以使用外部電機(jī)保護(hù)裝置（MPU） 按鈕創(chuàng)建故障。
圖 2-2 MPU6050 電路原理圖
模塊 ATK-MPU6050，連接 VCC、GND、IIC Sun SDA、IIC Sun SCL、MPU UY INT 和 MPU Sun AD0，帶外部張力電阻器 4.7K，MPU YIC SCL 帶外部張力電阻器，MPU YAD 帶 10K 拉伸電阻器。默認(rèn)情況下，IIC（0x68）.MPU6050\SCL 和 IIC\SDA 地址分別連接到 STM32 I2C SCL 接口和 SDA 數(shù)據(jù)庫，VCC 連接到 3.3V 和 GND 開發(fā)板。如果控制地址來自 AD0，MPU6050 的 2C 地址是 0x68.因?yàn)檫@個(gè)主題不需要中斷，所以
MPU\int 輸出按鈕的輸出中斷是移動(dòng)
圖 2-3 MPU6050 電路連接圖
2.8 ATK-ESP8266 WIFI 模塊
ATK-ESP8266 是深圳安信可科技有限公司研發(fā)制作的一款優(yōu)質(zhì)的 WiFi 模塊， 一般的串行設(shè)備使用這個(gè) WiFi 模塊只需要傻瓜操作，串行端口配置
圖 2-4 ATK_ESP8266 電路原理圖
2.9 程序下載電路模塊
表 2-5 電路模塊功能
STA 模式
ESP8266 模塊主要是通過一個(gè)移動(dòng)路由器將
Internet 連接起來,實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶的一臺(tái)移動(dòng)平板電腦或者也就是他的電子信箱郵件通過一個(gè) Internet 連接進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和數(shù)
據(jù)管理的。
AP 模式
模塊默認(rèn)的熱點(diǎn)模式為 ATK_ESP8266 模塊設(shè)備可以直接充當(dāng)無線熱點(diǎn),使得任何智能手機(jī)移動(dòng)電話終端或平板電腦設(shè)備能夠直接與該熱點(diǎn)模塊設(shè)備進(jìn)行無線通信,構(gòu)建一個(gè)無線局域網(wǎng)后它就可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)局域網(wǎng)
的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視。
ATK_ESP8266 WIFI 模塊的硬件連接方式如圖所示,在本研究課題中我們只是根據(jù)需求選擇了一個(gè)模塊的四個(gè)引腳。VCC 連接到該開發(fā)板的模塊上帶有 3. 3v 的電源,并且可以用于為該模塊提供電, GND 接地,串口 TXD 和 RXD 連接到 STM32 芯片的 RXD 和 TXD ,實(shí)現(xiàn)了串口的通信。
圖 2-5 ATK_ESP8266 模塊電路連接圖
圖 2-6 CH340G 模塊電路原理圖
STM32 芯片常用的下載程序串口下載連接模式主要分為有長的JTAG 下載模式、
SWD 格式模式和短的 USB 無線轉(zhuǎn)四種串口下載模式,為了幫助使用者方便地通過無線移動(dòng)電話或者移動(dòng)計(jì)算機(jī)直接下載連接到這些應(yīng)用程序,本文的研究課題主要建議用戶選擇使用 usb 無線轉(zhuǎn)這種串口下載模式,只要你需要一根短的 usb 數(shù)據(jù)線, 就已經(jīng)完全可以直接通過移動(dòng)計(jì)算機(jī)上直接下載這些應(yīng)用程序。電路設(shè)計(jì)工作過程原理基本結(jié)構(gòu)如電路圖所示, CH340G 電路是一個(gè)基于 USB 總線的直接輸入轉(zhuǎn)換器串口芯片,實(shí)現(xiàn)兩個(gè) usb 總線變換器的總線轉(zhuǎn)接口和串口。其中兩個(gè)標(biāo)號(hào) parxd 和標(biāo)號(hào) txd 分別認(rèn)為是 usbm3 轉(zhuǎn)換為數(shù)字寫入串口的 2 個(gè)原始數(shù)據(jù)寫入輸出口(對(duì)于 sch340g 來說),而標(biāo)號(hào) pa9(txd)和標(biāo)號(hào) pa10(rxd)則分別認(rèn)為是對(duì) ustm32 的兩個(gè)數(shù)字寫入串口 1(即在無法重新寫入復(fù)用的特殊功能下)兩個(gè)新的數(shù)據(jù)寫入輸出口。連接收集到一起后,實(shí)現(xiàn)了 sstm32 的所有應(yīng)用程序免費(fèi)下載。
2.10 電源管理模塊
電源控制管理功能模塊主要就是用于向一個(gè)電子控制系統(tǒng)個(gè)別的電路功能模塊芯片提供電源供電,由于燃料電池的輸出電壓一般固定為 12v,主控系統(tǒng)芯片的電源供電輸出電壓一般固定為 3.3v,不能直接向單個(gè)主控系統(tǒng)芯片模塊提供電源
供電,同時(shí)部分外部的電源功能模塊也通常需要 5v 輸出電壓才能進(jìn)行電源供電,因此本文的研究課題特別設(shè)計(jì)了一個(gè)具有電源降壓整流電路、電壓自動(dòng)輸出選擇穩(wěn)壓電路和 3.3v/5v 的電源輸出穩(wěn)壓電路,可以完全能夠滿足所有單個(gè)控制管理系統(tǒng)的電源供電的實(shí)際需求。dc_in 也是用于外部高壓直流電源的送出輸入,范圍一般指的是介于 dc6~24v,輸入輸出電壓通常指的是經(jīng)過 4vmp2359 芯片轉(zhuǎn)換成 5v 直流電源時(shí)的輸出,其中 d4 是用于防反接二極管,避免外部高壓直流電源的輸出極性電路弄錯(cuò)的一種情況而有時(shí)候,燒壞了電源控制器的輸出電路。
圖 2-7 MP2359 穩(wěn)壓芯片電路原理圖
電壓的選擇控制電路由總開關(guān) k2 和 ams1117 -3.3 穩(wěn)壓芯片兩部分組成, ams1117 -3.3 穩(wěn)壓芯片能夠可以同時(shí)輸出 3. 3v 的電壓,這樣進(jìn)行電壓的選擇控制電路就可以同時(shí)提供 3. 3v 和 5v 的電源。電壓的選擇電路也是一種,它可以直接通過使用 usb 來作為輸入,并且在系統(tǒng)中進(jìn)行電源的選擇,當(dāng)我們使用 usb 來下載應(yīng)用程序的時(shí)候,就可以不需要再連接到電池,方便了實(shí)驗(yàn)性的開發(fā)。 f1 為1000ma 的自修復(fù)保險(xiǎn)絲,用來保護(hù) usb 。
表 2-6 輸出電路結(jié)構(gòu)
VOUT1：
3.3V 電源輸出接口
可以通過主控板給外部功能模塊提供 3.3V 和 5V 電源，功率最大
1000mA。
VOUT2：
5V 電源輸出接口
D6 和 D7
TVS 管
可以有效避免 VOUT
外接負(fù)載不穩(wěn)的時(shí)候， 對(duì)主控板造成損壞。
2.11 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容是簡單介紹一下掃地自動(dòng)機(jī)器人的一些軟硬件操作系統(tǒng),首先我們是簡單介紹一下掃地自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)的一些總體硬件結(jié)構(gòu)。然后對(duì)各種電子器件的總線工作電路原理、選型、技術(shù)參數(shù)及其它相關(guān)電子硬件集成電路的總線連接工作方式等模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹,其中主要包括電子計(jì)算機(jī)、電動(dòng)機(jī)的主驅(qū)動(dòng)、編碼器、主控控制芯片、紅外輻射傳感器、超聲波輻射傳感器、wifi 六個(gè)模塊、mpu6050 運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理電路傳感器、程序上載和下載控制電路六個(gè)模塊及其它相應(yīng)的通用電源流量管理電路模塊。
第 3 章 軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件系統(tǒng)框架
3.2 傳感器數(shù)據(jù)讀取
3.2.1 超聲波傳感器數(shù)據(jù)
掃地機(jī)器人的超聲波傳感器就相當(dāng)于他的眼睛，可以測出距離與前方是否有障礙物，在掃地機(jī)器人的前方與兩側(cè)都各自安裝著一個(gè)超聲波傳感器，可以同時(shí)識(shí)別三個(gè)方向的環(huán)境信息。因?yàn)槌暡òl(fā)出的信號(hào)波有可能會(huì)與返回的信號(hào)波發(fā)生碰撞而導(dǎo)致接收到的信號(hào)發(fā)生偏差，所以超聲波的采集周期要有大量的實(shí)驗(yàn)證明，最終將采集周期定位 65ms。
25
2
在控制端 (管腳接收到觸發(fā)信號(hào)后，模塊內(nèi)部電路發(fā)出 8 位 40khz 脈沖，超聲波返回端輸出回響信號(hào)，檢測返回端管腳的電平變化確定回響信號(hào)的時(shí)間，而障礙 物 的 距 離 與 回 響 信 號(hào) 的 持 續(xù) 時(shí) 間 成 比 列 ， 計(jì) 算 公 式 為 ： 距離＝回響信號(hào)時(shí)間＊聲速（340m/s）/2。
圖 3-1 超聲波模塊程序流程
4
.1.
3.2.2 MPU6050 數(shù)據(jù)讀取控制
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)處理傳感器 MPU-6050 的作用是檢測自身在運(yùn)動(dòng)過程中的狀態(tài)， 系統(tǒng)采用檢測機(jī)器人行走過程中自身的各種狀態(tài)：
對(duì)于 MPU-6050 模塊，首先對(duì)模塊進(jìn)行初始化， MPU-6050 使用的關(guān)鍵在于相關(guān)初始化，各初始化步驟如下：
①所以我們需要先對(duì) IIC 完成初始化，編碼如下：
1. void HmcIICInit(void) 2. {
3. /*GPIO 初 始 化 */
4. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 5. /* 配置硬件 IIC 需要的變量 */
6. I2C_InitTypeDef I2C_InitStructure; 7.
8. /* 使能與 I2C1 有關(guān)的時(shí)鐘 */
9. RCC_APB2PeriphClockCmd (RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE );
10. RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1,ENABLE);
11.
12. /* PB6-I2C1_SCL 、 PB7-I2C1_SDA*/
13. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7; 14. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
15. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD; 16. GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
17.
18. /*IIC 外設(shè)初始化*/
19.
20. /* I2C 配 置 */
21. I2C_InitStructure.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C ; // 配 置 為 普通 IIC 模式
22. //I2C_InitStructure.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2; 23. //I2C_InitStructure.I2C_OwnAddress1 = SlaveAddress; 24. I2C_InitStructure.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable; //使能自動(dòng)應(yīng)
答 25. I2C_InitStructure.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
26. I2C_InitStructure.I2C_ClockSpeed = 50000; //5K 的 速 度
27.
28.
29. /* I2C1 初 始 化 */
30. I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStructure);
31.
32. /* 使 能 I2C1 */
33. I2C_Cmd (I2C1,ENABLE);
34. /*允許應(yīng)答模式*/
35. I2C_AcknowledgeConfig(I2C1, ENABLE);
②． 復(fù)位于 MPU-6050 這一步讓 MPU-6050 內(nèi)部所有寄存器恢復(fù)到默認(rèn)值， 通過電源管理器實(shí)現(xiàn)。
③設(shè)置加速度傳感器的最大量程與最小量程與陀螺儀的量程。
④設(shè)置其他參數(shù)；
⑤配置系統(tǒng)時(shí)鐘源，代碼實(shí)現(xiàn)如下：
1. u8 MPU_Init(void) 2. {
3. u8 res;
4. IIC_Init();// 初 始 化 IIC 總 線
5. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X80); // 復(fù) 位MPU6050
6. delay_ms(100);
7. MPU_Write_Byte(MPU_PWR_MGMT1_REG,0X00); // 喚 醒MPU6050
8. MPU_Write_Byte(MPU_INT_EN_REG,0X00); // 關(guān) 閉 所 有中斷
9. MPU_Write_Byte(MPU_USER_CTRL_REG,0X00); //I2C
主模式關(guān)閉
10 MPU_Write_Byte(MPU_FIFO_EN_REG,0X00); // 關(guān) 閉FIFO
11. MPU_Write_Byte(MPU_INTBP_CFG_REG,0X80); //INT
引腳低電平有效
12. res=MPU_Read_Byte(MPU_DEVICE_ID_REG);
13. return 0;
14. }
15. //設(shè)置 MPU6050 陀螺儀傳感器滿量程范圍
16. //fsr:0,±250dps;1,±500dps;2,±1000dps;3,±2000dps
17. //返回值:0,設(shè)置成功
18. // 其他,設(shè)置失敗
上述即 MPU-6050 初始化函數(shù)。
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