清潔機器人系統(tǒng)設計

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1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 本科畢業(yè)設計（論文） 清潔機器人系統(tǒng)設計 學 院 信息工程學院 專 業(yè) 測控技術與儀器 （光機電一體化方向） 年級班別 2011級（1）班 學 號 學生姓名 指導教師 2015 年 5 月 摘 要 清潔機器人結合了傳感器、移動機器人技術等多個領域的關鍵技術，實

2、現對室內環(huán)境的半自動或全自動清潔，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器人的國內外研究現狀，在綜合比較了國內外多種典型產品的基礎上，提出適合中低端用戶使用的清潔機器人整體設計方案。 清潔機器人系統(tǒng)由清潔機器人和充電站組成。清潔機器人是實現智能清掃的主體部分，本文介紹了清潔機器人的組成部分，并完成了硬件電路的實現?？紤]到存儲、接口資源及可靠性能等，主控器選擇了STC89C52單片機，所構成的單片機應用系統(tǒng)功能強、性價比高，完全滿足控制功能的要求。然后，詳細設計了紅外傳感器，碰撞檢測，電源模塊、充電模塊、鍵盤、液晶顯示以及各種電機控制等電路。在軟件設計方面，

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、紅外、碰撞傳感器檢測等子程序。 最后，綜合設計結果制作了實驗樣機，進行實驗研究。結果表明，所制作的清潔機器人能夠完成房間清掃工作，達到了預期的設計效果。 關鍵詞：清潔機器人，智能清掃，單片機系統(tǒng) 注：本設計（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、著科學技術的不斷發(fā)展，智能機器人技術以始料不及的速度迅速地向各個領域滲透，成為人們日常生活的一部分，不斷地改變當今人們的生活方式。在軍事上，為減少人員傷亡，大規(guī)模的使用智能化機器人；在搶險救災中，為營造良好的營救時間，智能機器人深入危險區(qū)域進行探測；在航空領域里，智能機器人扮演重要角色，幫助人們完成許多具有劃時代的發(fā)現。 兩年前，家庭服務機器人的概念還和普通老百姓的生活相隔甚遠，廣大消費者還體會不到家庭服務機器人的科技進步給生活帶來的便捷。而如今，越來越多的消費者正在使用家庭服務機器人產品。清潔機器人作為家庭服務機器人的一員，結合了傳感器、移動機器人技術等多個領域的關鍵技術，實現地面的半自動

11、或全自動清潔，替代人類完成繁重的清潔工作。 本設計的研究旨在開發(fā)一部價格便宜，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。 1.1.1 機器人技術概述 自50年代第一臺機器人裝置在美國誕生以來，機器人的發(fā)展經歷了一個從低級到高級的發(fā)展過程。第一代機器人是示教再現型工業(yè)機器人，它們裝有記憶存儲器，由人將作業(yè)的各種要求示范給機器人，使之記住操作的程序和要領。當它接到再現命令時，則自主地模仿示范的動作作業(yè)。第二代機器人是裝有小型計算機和傳感器的離散編程的工業(yè)機器人，它能感知外界信息并進行“思維”，它比第一代機器人更靈活、

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

13、夠獨立地實現一些諸如軌跡規(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，可以就像一個自主的人一樣獨立地活動和處理問題。全自主移動機器人的最重要的特點在于它的自主性和適應性。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。適應性是指它可以實時識別和測量周圍的物體，根據環(huán)境的變化，調節(jié)自身的參數、調整動作策略以及處理緊急情況。交互性也是自主機器人的一個重要特點，機器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機器人之間進行信息的交流。全自主移動機器人涉及諸如驅動器控制、傳感器數據融合、圖像處理、模式識別、神經網絡等許多方面的研

14、究。 隨著機器人技術的發(fā)展，機器人的用途越來越廣，開始從傳統(tǒng)的工業(yè)領域，向 軍事、公安、醫(yī)療、服務等領域滲透。與此同時，機器人的概念也越來越寬，己從狹義的機器人，開始向機器人技術擴展。 對于己經相當成熟的工業(yè)機器人來說，服務機器人是近年來出現機器人學的一個新領域。包括清潔機器人在內的各種可以直接或者間接為人類服務的機器人都屬于服務機器人的范疇。由于服務機器人涉及的領域很廣泛，因此到目前為止國際上對服務機器人也還沒有一個權威的定義。國際機器人聯合會對服務機器人給出的一個初步定義為：“服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能夠完成有益于人類健康的服務工作，但不包括從事生產的設備”。德國

15、生產技術與自動化研究所對服務機器人給出的定義則為“服務機器人是一種可以全自主或者半自主地為人類或者設備提供有用服務的機器人”。中華人民共和國國務院發(fā)布的《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》對服務機器人的定義為：“智能服務機器人是在非結構環(huán)境下為人類提供必要服務的多種高技術集成的智能化裝備”。由于服務機器人與普通公眾關系密切，最近越來越受到人們的關注，并已經成為一個研究熱點。 1.1. 2 服務機器人出現原因 以往的服務機器人的研究和開發(fā)主要在大學和研究所中進行，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。服務機器人的出現主要有以下幾個原因： 第一、由于

16、勞動力成本的上升，人們希望能由低成本的服務機器人來替代人工 進行長時間高效率地工作。 第二、需要服務機器人替代人類從事危險的工作。機器人可以檢修危險的工業(yè)設備，處理各種危險物品，巡査核設施以及偏遠地區(qū)的輸油管道，而在安防系統(tǒng)及搜救行動中，機器人更能充當起關鍵角色。 第三、需要服務機器人來照顧老齡人和殘疾人。聯合國統(tǒng)計預測顯示，目前全球老齡人口總數己達6.29億，到2050年，60歲以上的老齡人口總數將近20億，占總21%。隨著老齡人口的比例上升和殘疾人數的增多，更多的老人和殘疾人需要照顧，社會保障和服務的需求也更加緊迫。這就需要大量的陪護機器人來幫助老年人和殘疾人能夠更加獨立地生活，甚至協

17、助醫(yī)生進行遠程監(jiān)護、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間陪伴自己的孩子，而且中國多年的計劃生育政策之后，己經形成了人口倒金字塔結構，使得年輕人沒有更多時間陪伴自己的孩子，家庭護理機器人、玩具機器人、安控機器人也成為當前社會的需要。 第五、隨著網絡家電、數字家庭的普及，市場迫切需要智能機器人來管理家庭以及輔助安排家庭日常生活。 1.1.3 清潔機器人特點 吸塵式清潔機器人一般具有如下的特點: 1)吸塵機器人自帶電源，小巧輕便、操作簡單、自主性強、具有很強的實用 性。 2)吸塵機器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于機場候機大廳、 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 走動的人員，因此可以歸結為復雜多變、結構化的動態(tài)環(huán)境。所以環(huán)境適應性是對 此類機器人的基本要求。 3)吸塵機器人的任務是清掃地面，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器人的處理對象。考慮到安全因素， 吸塵機器人必須對人及家庭物品等不構成任何危害，同時吸塵機器人還必須具備自我保護的能力。 1.2 國內外研究狀況 1.2.1 國外產品研究現狀 在國外，美國、日本、韓國、歐洲等對清潔機器人進行大量的研究和推廣。 在德國，由Kaercher 公司生產的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器人。它的移動方式是隨機的，當遇到障礙物時，它會隨機轉動一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物。其扁平的設計使其能夠清潔床、沙發(fā)、茶幾等家具的下部位置。同時，它設置四種不同的清潔方式，根據地板的清潔狀況，可以選擇合適的清潔方式；內置光敏傳感器，在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會跌落。RC3000具有自動返回充電站充電功能，其相應的充電站有紅外發(fā)射、工作時間設定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個功能。充電站會一直發(fā)射紅外定位和導航信號來指引機器人回到充電站完成充電和垃圾處理的任務；同時能夠根據用戶設定的信息來控制機器人完成相應的操作。 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實驗室和JR東方設施管理有限公司聯合研制了車站地面擦洗機器人，該機器人工作時一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。機器人中的感知系統(tǒng)采用光纖陀螺和超聲波傳感器，自動清洗系統(tǒng)有兩種，一種是“面積設定模式”,即將待清洗的面積分為若干個單位面積,按照其存儲器中的單位面積識別其行使路線，機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”，機器人按照內裝的路徑地圖行使，機器人可存9幅地圖，并可利用IC卡作為外存，在該模式下，機器人不會避障，僅適用于需要反復擦洗的指定地段

21、。 2012年5月8日，為了應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，機身頂部的LED燈能夠顯示不同的顏色變換“心情”，或者根據遙控操作做出回應；同時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的動作。COCORORO內置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過智能手機遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫面會實時顯示在手機屏幕上。COCORORO采用超聲波傳感器進行避障，所以它在清潔地板時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”內置搜索雷達，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，能夠對障礙物進行識別和處理，重新選擇路線，并對整個房間做出重新判斷與計算，以保證房間的各個角落都被清掃。為了限制“三葉蟲”的活動范圍，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左右，當電量不足時，它會自動回到充電卡座自行充電；如果此時房間還沒有清掃完畢，充好電后它會自動回到原處繼續(xù)清掃。 圖1

23、.3 “三葉蟲” 20世紀90年代，美國就推出了地面清潔機器人?RoboScrub，該機器人配有激光導航系統(tǒng)，采用超聲波測距和避障，用光碼條實現定位。2002年９月清潔機器人＂Roomba”在美國面市，運用人工智能運轉與導航偵測技術，搭配獨有的真空吸孔與旋轉刷，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，Roomba就會全自動在指定的區(qū)域吸塵打掃，碰到障礙物會自動躲避，遇到樓梯或臺階也會自動偵測而不會掉下去。同時，Roomba會自主規(guī)劃路線對家庭地面進行清潔。由于能夠在完成任務后自動切斷電源，所以在外出期間可以讓Roomba在家進行清掃

24、。如圖1.4所示。 圖1.4 iRobot公司的Roomba 1.2.2 國內產品研究現狀 在國內，哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等也對清潔機器人進行大量的研究并取得了一些成果。對清潔機器人相關技術，如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力驅動等技術的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質基礎和技術基礎。 哈爾濱工業(yè)大學于90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人 鉸

25、制結構，實現硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構可實現吸塵腔路的自動轉換，提高了吸塵效率。 浙江大學于1999年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習：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獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結合的策略產生高效的清掃路徑；清掃結束以后，自行回到充電座

26、補充電力。 目前國內的科沃斯、?，斕亍⒑柕裙疽呀浵嗬^推出他們的清潔機器人產品?，F在市場上，海爾公司的SWR-C1清潔機器人在功能上相對比較健全。它具有五大功能：定時預約清掃、智能遠程操控、虛擬墻分區(qū)清掃、智能防跌撞、智能回歸充電。它能夠設定時間對清掃區(qū)域進行清掃，同時可以通過配置紅外線虛擬器，阻止機器人進行無需清掃區(qū)域，實現清掃的目的。如圖1.5所示。 圖1.5 海爾公司的SWR-C1 1.3 論文構成及研究內容 本文主要內容是清潔機器人系統(tǒng)設計，主要完成了控制部分軟硬件的設計，其中包括硬件控制電路的設計，以及相應的軟件程序的編制、調試。 主要內容安排如下： 第一

27、章闡述了智能清潔機器人的相關概念，分析了清潔機器人國內外的研究 動態(tài)和發(fā)展趨勢，提出了課題的研究背景、意義和主要內容。 第二章對清潔機器人的設計方案比較以及對總體設計進行了說明，包括整個機電系統(tǒng)的結構組成和工作原理。 第三章對清潔機器人的硬件控制電路進行了詳細的設計，包括單片機系統(tǒng)、傳感器器系統(tǒng)、電機驅動電路以及主要控制芯片的介紹等。 2 清潔機器人的總體設計 2.1 總體設計方案比較論證? 方案一：采用組合邏輯電路控制清潔機器人運行? 利用數字電路知識用各種邏輯電路搭建出清潔機器人的控制系統(tǒng)，對車速和車

28、的行進方向進行控制，再利用紅外對管實現避障和對臺階的檢測，以及利用邏輯電路控制電機驅動，從而達到并實現題目要求和發(fā)揮。這種方案下，所有控制電路都要手工制作，非常復雜，規(guī)模大不易實施，而且這種控制電路精度不高，反應不夠靈敏，可行性差。? 方案二：采用智能控制器控制清潔機器人運行? 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、FPGA和DSP等等。用控制芯片控制清潔機器人的系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，適應科技先進性，而且各類功能易于實現，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 核心模塊方案設計 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、辨認和處理、以及對電機控制等。下面列出三種控制器的選擇方案：? 方案一：采用先進的FPGA編程控制器件。? FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，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)模實時系統(tǒng)的控制核心。由檢測模塊輸出的信號并行輸入FPGA，FPGA通過程序設計控制小車作出相應的動作，但由于本設計對數據處理的速度要求不高，FPGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬

30、件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。? 方案二：采用DSP編程控制器件。? DSP因為數字處理與通信領域的空前發(fā)展而近顯火爆，應用面很廣泛，DSP主要是面對數字信號方面的處理，其針對性有速度快，精度高等優(yōu)點，但是，而DSP強調的是較大的數據處理能力,如在運行控制,圖像處理等方面，占有較大優(yōu)勢，而在這個智能車小系統(tǒng)中則沒有必要使用如此精確的控制器件，而且價格方面也不低，固不宜采用。? 方案三：采用單片機編程控制器件。? 用ATMEL公司生產的AT89S52單片機作為系統(tǒng)控制器，單片機也叫單片微型計算機，在控制領域應用非常廣泛，具有多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存

31、儲容量、強I/O功能及較好的結構兼容性等優(yōu)點，是小型控制系統(tǒng)的首選。而且單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現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 避障模塊方案設計 方案一：采用超聲波傳感器。? 利用超聲波的特性實現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，而且不能體現設計才能，不宜采用。? 方案二：采用激光傳感器。? 通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離，這在檢測領域中的應用十分廣泛，技術含量十分豐富，具有方向性強、亮度高、單色

32、性好等許多優(yōu)點。激光測距雖然原理簡單、結構簡單，但是因為激光測距傳感器售價太高，不適合自主設計使用。? 方案三：采用紅外對管傳感器。? 用紅外對管傳感器采集信息，以紅外線為介質測量判斷障礙，從而達到避障的效果。它的優(yōu)點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 清潔機器人系統(tǒng)的整體構架 整體設計方案的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示 圖2.1 清潔機器人硬件系統(tǒng)結構原理圖 各模塊的組成和功能介紹如下： （1） 控制器（單片機）：主要由單片機STC89C52RC組成，它的主要功能是完成主控程序對模塊接口的控制，是程序運行的

33、載體并實現對整個機器人的控制。 （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現避障、防跌倒功能。 （3） 電源模塊：將充電電池的7.2V電壓轉換為穩(wěn)定的5V電壓供單片機、傳感器以及其他模塊使用。 （4） 電機驅動：主要由行走電機驅動、毛刷電機驅動和吸塵電機驅動組成，其中行走電機主要控制左右行走輪從而帶動清潔機器人的運動，毛刷電機和吸塵電機負責清潔除塵工作。 3 清潔機器人的硬件設計 3.1 STC89C52單片機介紹 本設計采用常用的STC89C52作為主控芯片，具備編程

34、簡單，價格便宜的特點，而且在電動小車的領域中使用廣泛。以下是對該單片機進行簡單的介紹。 3.1.1 STC89C52的主要性能 STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 （1）標準功能 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時

35、器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），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、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率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)數據存儲空間； 3）內帶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 1）增強型8051單片機，6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期可以任意 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）/3.8V～2.0V（3V 單片機） 3） 工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051 的0～80MHz，實際工作 頻率可達48MHz 4）用戶應用程序空間為8K字節(jié) 5）片上集成512 字節(jié)RAM 6）通用I/O 口（32 個），復位后為：P0/P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻 7

37、）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），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，數秒即可完成一片 8） 具有EEPROM 功能 10）共3 個16 位定時器/計數器。即定時器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），還可用定時器軟件實現多個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單片機最小系統(tǒng) STC8

38、9C52單片機的最小系統(tǒng)電路如圖3.1所示。 圖3.1 單片機最小系統(tǒng) （1）復位電路 為使單片機正常工作，必須保證良好的復位。本系統(tǒng)復位電路采用上電復位和按鍵復位。上電復位是指單片機在接通電源時對MCU自動復位。按鍵復位由復位按鍵產生一個持續(xù)時間大于兩個機器周期的高電平到復位引腳RST對MCU復位。當電源剛接通時，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，實現對單片機的上電復位，即接通電源就完成對系統(tǒng)的初始化。在此基礎上加上一個開關，就能實現按鍵復位。 （2）振蕩電路 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器，

39、它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。 3.2 電源轉換電路的設計 電源是任何一個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件，本設計采用以LM7805CV穩(wěn)壓芯片為核心設計的穩(wěn)壓電源，其工作原理為：當兩節(jié)3.7V干電池串聯后通過P4端輸入，經過穩(wěn)壓芯片LM7805CV轉換后輸出穩(wěn)定的5V電壓。為了使運行穩(wěn)定，單片機和電機的供電系統(tǒng)采用獨立供電的方法。所以該電源模塊設計為兩路穩(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驅動芯片的介紹 L298N是ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是:工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內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。直流電機驅動電路使用最廣泛的就是H 型全橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的

41、四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。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內部電路如圖3.4所示。 圖3.4 L298N內部電路 其工作原理是： L298N內部集成了兩個由四只NPN型三極管組成的H橋電路（A、B）。ENA與內部編號為“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。當從IN1輸入高電位時“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。當從IN2輸入高電位時“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通下面的一只截止，OUT2端口輸出高電平。同理當IN1與IN2分別輸入低電平時OUT1與OUT2分別輸出低電平。在這兩種情況之下由于OUT1與OUT2的點位相同故不能驅動電機轉動。只有當IN1、IN2其中一個輸入高電平另一個輸入低電平信號時才能驅動電機轉動且IN1、IN2的高低還可控制電機的正反轉（即IN1=H、IN2=L與IN1=L、IN2=H驅動電機的轉動方向是相反的）。IN3、IN4、OUT3、OUT4與IN1、IN2、OUT

43、1、OUT2的原理完全相同。 3.4 左右輪驅動電機電路設計 圖3.5是本模塊設計的電路原理圖，整個模塊由兩部分組成，分別為L298N和保護電路部分。 以下是對保護電路部分的介紹： 如圖J1和J2是兩個輸出端口是接電機線圈，勢必就會產生反電勢，對L298N 形成沖擊，易造成損壞，特別是對于大于電源電壓和負電壓更容易損壞L298N，所以在每根線上都加上2個二極管1N4007進行保護。工作過程是這樣：當反電勢為正，超過電源+0.7V時，下端二極管導通，這樣輸出線就被限位在電源電壓+0.7V 上，不會超過這個數值（對電源充電）。當反電勢為負，低于-0.7V時，上端二極管導通，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。保護電路部分的主要構成為八只1N4007整流二極管組成。 1N4007主要具有以下特性： (1)較強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)正向導通壓降為1V。 因為這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格便宜容易得到，因此采用它來搭建保護電路。 3.5 清潔機構電機驅動電路 清潔機構的邊刷電機和吸

45、塵電機都是由繼電器驅動的，單片機的I/O口只需給出一個控制信號，經三極管放大后驅動繼電器，常開端口閉合就可以驅動電機工作。具體電路見圖3.6所示，此種驅動方式簡單實用。 因為清掃電機和吸塵電機并不需要對速度進行控制，同時也不需要經常的停啟。故將模塊的輸入端口接一個低電平電壓（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)境光線適應能力強，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，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數字信

46、號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調節(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節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、避障小車、流水線計數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。當傳感器前方沒有物體時，其輸出高電平，有物體時輸出為低電平。使用時不需要再外接元件，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，比較適用于機器人地盤用于臺階的檢測。

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

48、原理 脈沖寬度調制（PWM）是一種通過利用一系列脈沖的寬度對信號進行控制的技術，目的是為了等效地獲得所要求的波形，包括頻率和幅值，實現了對模擬信號電平進行數字編碼。其實現方式主要是通過使用高分辨率計數器，調制方波的占空比或者頻率來完成非一個具體模擬信號的控制。 PWM控制技術是隨著全控型電子產品的出現和快速發(fā)展，才得到真正的廣泛應用，技術也越來越成熟。最常見的應用是在逆變電路中，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，實現方案多，技術比較成熟，容易控制

49、模擬信號。 SPWM法是根據PWM控制技術的中的一個重要的理論為基礎，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，其輸出會達到相同的效果，對應的波形基本重合，達到同步的控制效果。實驗結果證明窄脈沖在沖量相同，形狀不同時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的窄脈沖設置為單位脈沖函數。 圖4.1 不同形狀的窄脈沖 當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時，其輸出響應波形如圖4.2所示。它們輸出波形盡管在高頻率的時候有所

50、不同，但在低頻率的時候是重合的，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法是根據上述的理論，把脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律變化，在經過適當的濾波，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。常見的具體實現SPWM的方法是面積法。等面積法就是根據SPWM法的控制原理，通過控制逆變電路中開關器件的通斷時刻，產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時間區(qū)間內等效，那就可以通過計算矩形脈沖的頻率和幅值，并存入微處理器里，構成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技術產生 根據PWM的基本原理，常用兩種產生PWM信號方法：一種方式是在占空比不變的情況下產生頻率不同的脈沖，稱作脈沖調制；另一種是在頻率不變的情況下產生占空比不同的脈沖；稱作脈寬調制。第一種方法需要產生很多不同頻率的脈沖，條件相對苛刻，不容易實現，還會是電機振動或發(fā)出噪聲。因此本課題中使用的是第二種方法脈沖調制，輸出在頻率恒定下改變占空比的PWM脈沖，意味著在整個過程中改變的僅僅是PWM的占空比，至于其他參數，尤其是脈沖頻率保持不變，通過調整工作周期在基本周期內的長短來控制輸出波形。 4.3 PWM控壓

52、調速原理 本課題使用的是直流電機，直流電機自身構造復雜，成本較高，維修困難，但是其效率高，轉速快，小巧，穩(wěn)定而用途廣泛。直流電機最大的優(yōu)點就是易于調速，非常適合本系統(tǒng)對電機的快速控制要求。直流電機的轉速與加在電機兩端的電壓成正比，而電機兩端的電壓又與控制波形PWM的占空比成正比，可見電機的速度與輸出波形的占空比成正比，占空比越大，電機兩端的電壓越高，電機轉得越快，相反，占空比越小，電機兩端的電壓越低，電機轉得越慢。從而完成PWM單元對智能清潔機器人的調速過程。 根據SPWM法可知，在同一個周期里，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的電壓等效，輸出的頻率和幅值相等。因

53、此假設在時間T內，脈沖寬度時間是，幅值為。 圖4.3 PWM脈沖 由圖4.3可知時間T內，等效的脈沖直流電壓為： （4-1） 設，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間即開關管導通的時間與時間周期的比值。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，但是實際系統(tǒng)中實時改變脈沖幅值是比較困難的，容易導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定

54、，因此一般是設置為恒定的數值，通常改變占空比來控制等效直流電壓在0~U之間調節(jié)，從而實現STC89C52RC芯片對直流電機的控制。 5 清潔機器人軟件設計 5.1 行走電機控制程序 5.1.1 電機正反轉控制 清潔機器人左右輪分別有一直流電機驅動，需要實現差速驅動。 在本設計中，主控單片機主要負責對電機進行控制及響應避障傳感器檢測到的信號。其中，其中具體L298N 控制電機運轉的真值表如表5.1（只選取一路電機）。 表5.1 L298N 控制電機運轉的真值表 ENA IN1

55、 IN2 運轉狀態(tài) 0 X X 停止 1 1 0 正轉 1 0 1 反轉 1 1 1 剎車 1 0 0 停止 其中，“1”代表單片機輸出高電平；“0”代表單片機輸出低電平。當單片機的兩個控制IO 口同時為高電平或同時為低電平時電機都不能轉動。只有當一個IO口輸出高電平而另外一個輸出低電平

56、時直流電機才能轉動。而且輸出的高電平與電平順序不一樣直流電機的轉動方向也會不一樣。 例如，要使小車前進就必須使兩個電機同時正轉，其程序如下： void go()//前進 { IN1=1;IN2=0; IN3=1;IN4=0; zkb1=25;zkb2=25; } 同理，只需改變電機驅動芯片的輸入信號，便可控制小車的動作方向。 5.1.2 電機轉速控制 清潔機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方式可以將電機的轉速控制在一個穩(wěn)定的低速狀態(tài)。 PWM波的產生可以采取延遲和定時器兩種方式實現。采用延遲法太占系統(tǒng)資 源，所以選擇用定時器

57、來產生PWM波。這里我們提出一種只使用一個定時器便能產生多組PWM波的新方法。其原理是設定一個周期時間為T, 將這一個周期時間等分成N份，如圖5.1所示，每一小段時間為t，t為定時器的定時時間。在定時中斷程序中，PWM1和PWM2都先賦高電平，根據需要的占空比，如PWM1為30%、PWM2為50%時，PWM1在三個定時中斷后變?yōu)榈碗娖剑鳳WM2繼續(xù)為高電平，直到5個定時中斷后才轉變?yōu)榈碗娖剑?0 個定時中斷為一個周期，這樣循環(huán)就產生了兩個占空比不同的PWM波。利用這個原理可以產生多組并行的PWM波。 圖5.1 多組并行PWM波產生原理圖 按照上述原理就可以產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動電機的轉速。具體流程見圖5.2，t為一臨時變量，zkb1、 zkb2分別為ENA和ENB的占空比，取值0?50之間。 圖5.2 兩組PWM波產生程序流程圖 具體的程序設計如下： //初始化定時器 中斷 void init() { TMOD=0x01; TH0=0xFF; TL0=0xF6; EA=1; ET0=1; TR0=1; } //中斷函數+脈寬調制 void timer0() interrupt 1 { TH0=0xFF; //恢復定時器初始值 TL0=0xF6; t++;

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

60、一段距離，而后原地中心旋轉一個角度，繼續(xù)前行，避開臺階和樓梯。 程序設計如下： //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 主動回避障礙是清潔機器人的一個基本的安全運動要求，也是機器人能否實現自主作業(yè)的關鍵。 5.3.1 未知環(huán)境探測 清潔機器人被置于一個未知環(huán)境下

61、，對環(huán)境一無所知，不存在任何先驗信息， 包括環(huán)境大小、形狀、障礙物位置等等，而且環(huán)境中不存在如路標等人為設定的參照物。這就需要避障系統(tǒng)首先要求對清潔機器人四周環(huán)境進行探測，顯然，單一傳感器是不能滿足要求的。考慮到傳感器價位和技術水平的實際情況，用紅外傳感器和碰撞傳感器組成傳感器網絡對周圍環(huán)境進行探測是較好的選擇，紅外傳感器有一定的預瞻能力，機械式碰撞傳感器性能可靠。關于這兩種傳感器在第三章已有詳細介紹，此處不再贅述。利用紅外傳感器可以及早地發(fā)現遠處存在的障礙物，再綜合碰撞傳感器的探測情況，依據一定的算法，對傳感器給出的不確定信息融合，可以得出較為真實的環(huán)境狀況，從而有利于機器人做出正確的判斷。

62、 5.3.2 實時避障方法的實現 在室內環(huán)境中，不僅障礙物形狀復雜、擺放零亂，而且由于人員的走動等經常會帶來運動的障礙物，這樣，為保證機器人能夠在室內環(huán)境中及時、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)方法的改進出現，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器人行為，不需要機器人到達精確的目標位置，因此本文給出的是實際應用中一種簡單有效的基于多傳感器的反應式實時避障策略，它具有快速、實時、高效的特點，特別適合在未知動態(tài)環(huán)境中進行避障。 部分程序設計如下： 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 論 本文在分析了目前國內外清潔機器人的研究現狀后，設計了一種室內智能清潔機器人。對清潔機器人的硬件控制電路進行了設計，完成了該機器人的硬件制作工作，并編制了相應的控制軟件，進行了實驗研究，達到了預期的設計要求。 采用了STC89C52單片機作為機器人核心控制芯片，使用了差速轉向式三輪機械結構及紅外、碰撞傳感器，使得機器人結構簡單，功能完善，并且成本相對較低。 主要完成了以下幾個方面的工作： (1)簡要介紹了智能家庭清掃機器人的發(fā)展現狀進行了比較和分析，說明了 本課題研究內容的優(yōu)勢。 (2)在電路硬件設計方面，分別從主控系統(tǒng)、驅動電機部分、傳感器部分和電源部分幾大功能模塊說明了設計思想，方案論證和具體電路的實現。硬件電路模塊化的設計思想，有效地提高了工作效率，同時為后續(xù)軟件設計工作提供硬件開發(fā)平臺。 (3)在軟件設計方面，使用KEIL公司的C51uVisio