智能清扫机器人.doc

摘要总体方案是设计一个自主控机器人，在一个模拟的平面结构内运动，移动机器人本体，完成自主移动、避障功能。尽快遍历每一个角落，完成任务，这个工作受多个因素的影响。其中在现实生活中清洁机器人清理的过程中，利用了机器人自身的传感系统、运动控制系统和自主蔽障系统，自动记录时间系统等。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有：（1） 通过编程来控制小车的速度；（2） 传感器的有效应用；关键词 80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车、舵机一.国内外研究现况 在日本，东日本铁路公司、shinko电器公司和Howa工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人. 机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动. 利用不断旋转的刷子将废弃物扫入白带容器中1日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器人. 可用于各种工厂的清扫工作. 机器人采用光纤陀螺控制方向. 采用编码器和超声波传感器测距. 采用光学探测器探测障碍物 机器人的四周装有橡胶垫. 橡胶垫内部装有触觉传感器. 一旦机器人与人接触. 触觉传感器信号会使机器人停下来1以保证人的安全Br-3这些应用还都是用于工业或者公共的场合. 真正具有里程碑意义的是2002年9月清洁机器人Roomba”美国面市. 这是一款面向家庭的机器人。重约2ky直径为 762mm(30). 具有高度自主能力. 可以游走于房间各家具缝隙间. 灵巧地完成清扫工作. 据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术，应用到了吸尘器上。“Roomba”的动作有点迟缓. 但却能稳定 安全地完成任务 由于能够在完成任务后自动切断电源. 所以可以在外出期间让Roomba”在家进行清扫 英国 法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品 在国内，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划 机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究. 哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等高校，也对清洁机器人进行了大量的研究，并取得了一些成果，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质和技术基础二. 设计思路 为了制作一个能够覆盖全区域的清洁机器人，首先是设计一个移动的平台。为了简便起见，设计了两轮车身，两个后轮做主动轮，主动轮用两个直流电机。从动轮用一个万向轮。清扫装置用一个伺服电机带动一个灰尘刮和一个刷子，产生推动力达到除尘的目的。在车身前部放置一个储存垃圾的箱体。在车身的最后还设计了一个抹地机械手，进一步达到清洁的目的，机械手下带有洒水除尘装置，机械手上面的水箱带有一个用伺服电机控制的门，用来控制洒水量。车身上部安装了一个光电开关，以达到避障的作用。 三电子电路的设计采用一块微处理器STC89C52为控制系统的核心，负责控制电机、障碍检测信号处理、舵机控制、液晶显示等。电机驱动模块采用单片机作为电机的控制单元,使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化,从而实现电机调速。单片机完成控制算法,再将计算结果转化为PWM信号输出到电机,由于单片机系统是一个数字系统,其控制信号的变化完全依靠硬件计数,所以受外界干扰较小。直流电机控制，液晶显示模块和单片机最小系统由一个电源供电。障碍检测模块用于检测小车前进路上的障碍物，如有障碍则进行避让。液晶显示模块用于显示当前小车运行状态。1. 机械方案的设计小车的驱动设计为二轮驱动。而二轮驱动又分为前轮和后轮驱动。后轮驱动的好处是：转向性能得到改善。前轮是转向轮，使得转向时的行驶方向容易控制，不容易出现过度转向的现象，转向安全性也得到提高。2. 车体结构设计为了满足机器人的性能要求，机器人的机械结构应该具有稳定性，运动灵活性和足够强度的特点，同时尺寸要小，容量要大，重量要轻。清扫小车的机械结构组成部分主要有：车体的设计，传感器的安装。为了保证小车良好的直线性，采用双电机驱动左右两轮的方式，在车体的前端装有一个不锈钢万向滚珠，这样可以使小车获取较好的机动性和灵活性。底盘采用铝合金框架，以增大其坚固性，减轻重量。3. 单片机STC89C52的系统设计由于51系列单片机在我国普及的时间比较早，开发和应用的实例比较多，在学习编写程序时有丰富的实例可以参考和借鉴。因此，我选择51系列单片机进行控制。本设计中我选用了STC公司的STC89C52。3.1 STC89C52的特点STC89C52具有以下几个特点：STC89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz33MHz；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式。3.2 STC89C52的功能描述STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有8k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能5。STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于8k，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7V6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。STC89C52芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。3.3 STC89C52引脚功能STC89C52单片机为40引脚芯片如图4-1。图4-1 STC89C52管脚图（1）口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。 P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。 P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。 P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。 P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1口。P3口的第二功能如表4-1所示。（2）控制口线:PSEN(片外选取控制)、ALE(地址锁存控制)、EA(片外存储器选择)、RESET(复位控制);（3）电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法。3.4 STC89C52复位电路设计89系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部表4-1 P3口的第二功能端口功能各个功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）P3.6（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）件处于确定的初始状态，并从初始状态开始工作。单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现。上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲。只要RST引脚端保持l0ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。图4-2 上电复位电路按键手动复位又分为:按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位相当于按复位键后复位端通过电阻与Vu电源接通;按键脉冲复位利用RC微分电路产生正脉冲在这里，采用按键脉冲复位（如图4-3），当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作很快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以能满足复位的时间要求。图4-3 手动复位电路在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电平要求与单片机的复位要求一致，则可以与之相连。在有些应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路接斯密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境。并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位，在此称其为同步复位电路。4. 电机驱动模块的设计为了使选定的电机在峰值转矩下以最高转速驱动负载，电机的功率估算如下： （4-1）式中：为峰值转矩为最大角速度，本系统为为传动效率，一般为0.80.9由上式求得电机的功率要在21.2瓦以上，对系统的各种性能和参数进行分析后，我们选用功率为35瓦，120转/分的直流电动机作为机器人的行走电机。运动控制器芯片输出PWM (pulse width modulation)信号，电压为脉冲形式，由于输出的电流很小，不能驱动电机。使用电机驱动芯片的目的就是将运动控制器的输出电流放大，从而获得足够大的功率，驱动电机转动。驱动芯片的工作原理非常简单，即利用晶体三极管能放大电流的原理，将基极的电流放大到100倍以上然后从发射极输出。本驱动系统选用的是意法半导体联合公司SGS-Thomson)生产的电机驱动芯片L298N。L298N为含有15个引脚的直插式芯片。L298N具有以下主要性能:(1)体积小:长*宽*高=19.6mm*17.5mm*5mm;(2)操作电压范围大:操作电压范围从4V到46V;(3)抗干扰能力强:低于1.5V的电压均视为低电平，对噪声由较强的抑制作用;(4)配备散热片，减少温度对电子元器件的影响;(5)逻辑电平为十5V;(6)工作效率高:一块L298N可以驱动2台电机，故机器人只需配备一块L298N;(7)输出电流大:L298N可以将电流放大到4A;机器人采用专业驱动芯片L298N为主构成驱动电路。它内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为2A，最大可达4A，Vss电压最小4.5V，最大可达46V。 L298N可以驱动两个二相电机，如图图4-6所示:输出电压最高可达46V，可以直接通过电源来调节输出电压，由于其工作电流在22.5A之间，故满足我们的要求。而且电路简单，使用比较方便。在使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，这样可以节省单片机I/O口的使用，也可以直接用单片机输出时序信号。在电路设计时，检测电阻RS必须考虑以下几种选择因素: 电阻本身可达到的功耗 L298N允许的检测电压为2.3V，超过这一幅度芯片会自动保护。 允许电流和功率限制。图3-4 L298N驱动两个电机假设可能出现的最大电流为IMAX，驱动电源电压为U，采样电阻阻值为RS，由以上条件我们得出：RSIMAX2.3 MAX2 （4-3） （U0.7）IMAX25我们采用的驱动电源为12V，故计算得出RS =1比较合适。机器人的速度的大小采用PWM方法进行控制。PWM控制就是周期T固定不变，根据输入信号的大小，用软件改变脉冲的占空比，即可改变电机的平均电压，从而控制电机的转速，所以也称为脉宽调制。PWM调速通常配合桥式驱动电路对直流电机进行调速，其调速范围也很宽。在本驱动电路中由于开关管存在开通和关断时间，因此造成了上下桥路直通短路的问题，直通短路的存在，容易使开关管发热，甚至导致烧毁，而且电机在正反转切换时存在着死区时间的问题，但在正转启动和反转启动时没有。故解决这一问题可从硬件电路和软件两个方面下手，硬件电路解决较麻烦还存在不稳定因素，因此利用软件解决是最好的办法6。5. 舵机的模块伺服电机简称舵机，是自动装置中的执行元件，它最大的特点是可控。在有控制信号时，舵机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，舵机就会即停止转动。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于零，从而达到使舵机精确定位的目的【7】。舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。标准的舵机有三条控制线，分别为电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需要的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）【8】。本设计选用国产的SG-5001型号的舵机。此舵机可以达到控制上的精度而且价格便宜。舵机电源引线三条线中橙色的线是控制线，连到控制芯片上。红色的线是电源正极线，工作电压是5V。黑色的是地线。舵机的工作原理：舵机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms，而低电平时间应在5ms20ms，并不很严格。表4-2表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂在180度范围内转动时与输入脉冲的对应关系。舵机的瞬时运动速度是由其内部的直流电机和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变。单片机可以产生PWM信号，由AT89C51得 P3.1端口输出。输出得PWM信号通过光耦隔离传送到舵机中。方波信号经过光耦传输后剔除干扰，产生标准的PWM方波信号，我在实验过程中发现， 舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流， 若舵机与单片机控制器共用一个电源， 则舵机会对单片机产生较大的干扰【9】。因此，舵机与单片机控制器采用模块化的供电供电方式， 通过光耦来隔离， 并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的电源。为了保证电流我设计的电源模块是用7805构成的单独电源，为指定的负载供电。表4-2 特定周期下正脉冲宽度与输出角度关系输入正脉冲宽度（周期为20ms）伺服电机输出臂位置 0.5ms -90 1.0ms -45 1.5ms -0 2.0ms -45 2.5ms 906. 避障传感器电路模块的设计红外避障传感器原理，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测【10】。我们所使用的红外避障传感器E18-D80NK是一个NPN型的开关量传感器，当没有障碍物时输出高电平；有障碍物时输出低电平。正常工作电流为20mA，最大工作电流可以达到100mA，可以直接驱动5V直流继电器的。红外避障传感器前端增加了透镜，利用其焦距作用，传感器最远探测80cm处的物体。对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。该传感器的输出信号类型为开关量，可以直接和CPU连接。该传感器内部集成了放大，比较，调制等电路。使用该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，使用广泛【11】。本模块主要由单片机STC89C52，红外避障传感器组成，其中红外避障传感器用于检测是否有障碍物，单片机作为本模块的关键器件用于对光电开关检测的信号进行判断和分析，确定出前方障碍的大体情况，并为主控制器提供信号，配合主控制器发出动作指令。7显示模块的设计液晶显示器作为一种低功耗显示器件,广泛应用于计算器、数字式仪表等低功耗系统中。但一般使用的液晶显示器均为七段笔划式,只能显示数字和少量字符,对于较复杂的字符或图形则无能为力。而点阵式液晶显示模块可以显示各种各样的字符(包括简单的汉字),而且点阵显示模块具有可编程能力,与单片机接口方便。由于以上优点,点阵式液晶显示模块获得了广泛的应用。本设计中液晶显示模块选用了JM12864K型液晶显示器与AT89C51单片机的组合使用，用于显示仿生爬虫在运动过程中的状态。JM12864K汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性:电源：VDD 3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)；显示内容：128 列 64 行显示颜色：黄绿显示角度：6：00 钟直视LCD 类型：STN与MCU 接口：8 位或4 位并行/3 位串行配置 LED 背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V电源地(GND)：0V工作温度(Ta)：060(常温) / -2075（宽温）表4-3 12864引脚1VSS模块的电源地2VDD模块的电源正端3V0LCD 驱动电压输入端4RS(CS)并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0数据08DB1数据19DB2数据210DB3数据311DB4数据412DB5数据513DB6数据614DB7数据715PSB并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RET复位低电平有效18NC空脚19LED_A背光源正极（LED+5V）20LED_K背光源负极（LED-OV）8.电源供给模块的设计电源供给模块是机器人系统提供能源的装置，当电池的输出电压发生波动时，及负载电路发生变化时，为了保证数字电路芯片的逻辑电平不受影响，使机器人能正常的工作，要求电源电压尽量保持稳定，有必要使用稳压芯片。我们选用的直流电机使用的是直流12V电源，驱动电路的供电电源为直流12V电源，驱动电路的输入信号采用的是5V系统，单片机系统也采用5V电压供电。为了提供CPU使用5伏的电源采用的是7805芯片，同时在电源的正极与地线之间加上了去耦电容，它可以作为储能元件，它吸收或提供该集成电路内部三极管导通、截止引起的电流变化，从而降低系统噪声。本系统中，为了给数字部分的电路提供5V的稳定电源，我们选用的是美国德州仪器公司生产的芯片：uA7805 。它的输入电压范围是7-25V;输出电压的范围是4.8-5.2V。该芯片除了具有良好的稳压功能外，还包含过载保护电路，散热电路，限流电路等。uA7805变压稳压电路如图4-7所示：图4-7 7805变压稳压电路图四控制系统的主程序程序设计主要有：控制系统的主程序设计、舵机控制的设计、障碍检测子程序的设计、显示