毕业设计（论文）-基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计.doc

毕 业 设 计题 目：基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 学院： 电气信息学院 专业：测控技术与仪器 班级：0701学号：200701200110学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 2011年6月 毕业设计（论文）任务书 题目： 基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 姓名 苏树清 学院 电气信息学院 专业 测控技术与仪器 班级 0701 学号 200701200110 指导老师 寻大勇 职称 讲 师 教研室主任 李晓秀 一、 基本任务及要求：本课题要求设计一个基于AS-UII的机器人吸尘器。 通过本系统的研究与设计，完成：研究机器人工作原理与结构，包括机器人计算机系统、传感器系统及执行系统；研究机器人的行走策略并设计算法；设计自动吸尘器的 硬件及软件。 二、 进度安排及完成时间：第1周 讲解课题、分析、领会课题内涵 ，查阅资料 第2周第4周 查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告 第5周第6周 毕业实习、撰写实习报告 第7周第8周 提交需求分析报告 第9周第10周 完成硬件设计 第11周第14周 完成软件设计 第15周 撰写毕业设计说明书 第16周 毕业设计答辩 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 吸尘机器人简介11.1.1 吸尘机器人概述11.1.2 吸尘机器人的特点11.1.3 吸尘机器人的关键技术21.1.4 吸尘机器人发展趋势61.2 能力风暴机器人简介71.3 图形化编程语言（VJC）简介8第2章 系统总体设计方案92.1 概述92.2 主要任务指标92.3 总体设计102.3.1 硬件总体设计102.3.2 软件总体设计13第3章 系统硬件设计143.1 控制系统153.2 移动机构163.3 传感器系统163.4 吸尘系统163.5 电源系统17第4章 系统软件设计19第5章 系统调试分析245.1 硬件调试245.1.1 充电测试245.1.2 程序下载测试245.1.3 机器人自检255.1.4 硬件调试265.2 软件调试265.2.1调试步骤265.2.2 软件调试27结束语28参考文献30致 谢31附 录32 基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计摘要：家用清洁机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。虽然已有很多样机和产品产生，但它们仍有很多的问题需解决：如动态环境中的适应性，它的覆盖率和盖效率及其成本等。吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术，从理论和技术上讲，全自主智能吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性从市场前景角度讲，全自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。 本设计采用广茂达公司的能力风暴机器人AS-UII设计智能吸尘器，完成了对机器人工作原理与结构的研究，设计了机器人的行走策略并设计算法以及设计智能吸尘器的硬件。本设计利用能力风暴机器人设计吸尘器，对吸尘机器人的路径规划和行走策略进行了探究，并注重相应算法的实现。本设计利用能力风暴机器人支持多任务执行的优点，设计出了在同一时刻能执行多种任务的程序，这能大大提高系统的实时性，使机器人能及时处理各种输入信号。关键字：机器人；吸尘器；行走策略；路径规划The research and design of cleaning robot based on AS-UII robotAbstract:Full autonomous cleaner is hot in the field of mobile robot. Though many prototypes and products have been manufactured,they stil1 have many problems to be solved，such as adaptability in dynamic environments,coverage ratioefficiency and its cost. To clean in a room without the help of the hosts,it is a challenging task for autonomous cleaner because it involves many current AI technologies. In the view of theory and technology,full autonomous eleaner was appied many key technology for mobile robot. They can reduce burden of housework and improve efficiency and are very suitable for using in hotel,hospitallibrary,office and home. Therefore,it is a challenge in scientific research and commerce The design of Intelligent robot vacuum cleaner was based on the Grandar companys ability storm robot AS-UII. It completed works on the theory and the structure of robot and design the robots walking strategyalgorithms and the robots hardware. The vacuum cleaner was designed by using the ability storm robot,and it mainly explores the path planning and walking exploration strategy of cleaning robot and focuses on the realization of the corresponding algorithms.This design uses the robots advantage of supporting the multi-task execution to design the program of processing a variety of missions at the same time. This can greatly increase the systems real-time. Thus the robot can handle a variety of input signals in time.Keywords: robot; vacuum cleaner; walking exploration strategy; path planningII 基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计 第1章 绪论1.1 吸尘机器人简介1.1.1 吸尘机器人概述自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。机器人在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推动了有关学科和技术领域的发展。服务机器人是一个新的机器人研究领域。作为正在发展新研究领域，服务机器人有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供服务。和工业机器人一样，服务机器人基本上包括机器人的所有基本特性。它往往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安全问题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。目前服务机器人成功应用的领域有雕刻、消防、清洗、医疗、焊接等等。从长期来看，服务机器人的应用数量将会超过工业机器人。吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内环境(地面)的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术层面上讲，智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。1.1.2 吸尘机器人的特点吸尘机器人具有如下的特点：（1） 有些吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用性。（2） 吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。（3） 吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护能力。1.1.3 吸尘机器人的关键技术吸尘机器人系统主要由五个部分组成：移动机构、传感器系统、控制系统、吸尘系统和电源模块。对吸尘机器人的研究涉及到机器人的机械结构设计、障碍物检测、自主避障、运动控制以及路径规划、导航定位等多个方面。目前，关于吸尘机器人移动机构、控制系统、吸尘系统等的研究已经具备了良好的基础。要提高清洁机器人的自动化程度和清洁效率，还必须在障碍物检测、自主避障以及路径规划等方面做大量工作。对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：传感器技术、自主避障技术、路径规划技术、吸尘技术等。（1）传感器技术 传感器系统是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。根据采集信息的种类可以分为内传感器和外传感器。内传感器负责采集系统自身状态的信息，包括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部信息,包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。超声波、红外传感器和接触传感器，具有价格低廉、 工作可靠、 速度快的优点，广泛应用于机器人的局部无碰撞导航。 一般吸尘机器人的传感器系统都配备不止一种传感器，而是根据任务要求和非结构化环境特点，选择多种合适的传感器，安装在机器人本体合适的位置，联合构成多源传感器系统。其主要优点就是在同样的探测条件下，可以协调使用多个传感器把分布不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整探测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，从而获得对物体或环境的一致性解释和描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。（2）自主避障技术 移动机器人自主避障技术的研究一直受到广泛关注，到现在已经有多种自主避障方法被提了出来，这些方法总的来说可以分为两类，即全局规划方法和局部控制方法。清洁机器人多在非结构化环境下工作，面对的是未知、复杂的环境，因此，局部控制方法得到了更多的应用。局部控制方法不需要建立环境模型，机器人所要做的也仅仅是一些相对简单的任务。但是，由于机器人没有建立和读取高级环境地图的能力，所以有时候并不能保证百分之百完成任务。在这种情况下，为了保证较高的工作效率和安全系数，需要有更多的探测工具来获取更多的环境信息。 吸尘机器人一般工作在未知、复杂的环境下，对于工作环境中各种静态和动态障碍物，机器人不仅能够识别和避让，还要保证不对自身和障碍物造成伤害。吸尘机器人依靠传感器系统（涉及到多种传感器，如超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等低成本但实用的传感器，以及CCD摄像机、激光雷达等高成本传感器）获得工作环境下的各种静态和动态障碍物信息，然后由控制器对获得的障碍物信息进行判断，再根据避障控制策略和算法做出合适的避障决策以避开障碍物。 如何获取障碍物信息是吸尘机器人自主避障技术研究的主要内容之一。作为家用吸尘机器人，自主避障就是要解决对行走路径上出现的障碍物的自动避让问题，这时需要获得的信息是机器人与障碍物之间的距离和障碍物相对于机器人的方位等等（这里所说的方位是指障碍物相对机器人的位置，比如机器人右侧30度方向）。距离信息可以通过测距传感器（如超声波传感器）获得，方位信息可以通过在机器人周边固定方位按照定性探测传感器（如红外光点传感器）来获取。当然还有其它的方法可以利用，在这里不作讨论。 避障控制策略和算法设计是清洁机器人自主避障技术研究的另一主要内容。吸尘机器人避障行为的成功与否与避障策略和算法的好坏有着莫大的关系。因此，设计避障控制策略和算法时，应尽量采用简单的数学模型，本着简单、可靠和稳定的原则，保证机器人在行走过程中能有效避开障碍物。J. Borenstein, Y. Koren 等人提出势场法避障方案势场法将每一个障碍物都用一个二维的笛卡尔栅格来表示，目标位置对移动机器人产生一种虚拟的吸引力，而障碍物对机器人产生一种虚拟的排斥力，这两种力的合成就决定了移动机器人的运动。然而，势场法有其自身的缺点，如存在陷阱区域，在相近障碍物之间不能发现路径等。吴海彬等人提出基于绕障的避障算法，遇到障碍物时，机器人围绕障碍物行走，每直线行走一段距离后，向障碍物方向转过一定角度，直到回到遇到障碍物之前的行进路线上。该种方法的优点在于机器人在避开障碍物之后，能够回到原来的行进路线上，有力保证了行走路径的规则性，提高清洁效率。但是其对驱动控制的要求很高，数据计算量大，对于不同形状和大小的障碍物，存在一定的误差。 自主避障技术是清洁机器人智能化的重要体现。本课题将从以上两个方面着手，应用模糊控制理论，研究基于多传感器信息的清洁机器人自主避障技术。 （3）路径规划技术 路径规划技术是移动机器人技术的一个基础而重要的问题，目前对这一问题的研究十分活跃。吸尘机器人的路径规划具有“遍历”的特点，在封闭区域内,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，并且实现机器人的行走路径对工作区域的最大覆盖率和最小重复率。吸尘机器人的路径规划方法可以分为两类：无环境模型的规划方法和基于环境模型的规划方法。 （1）无环境模型的规划方法 目前定位和环境建模还处于探索阶段,所以广泛使用无环境模型的规划方式:随机工作式和随机+局部遍历规划的方式。 随机工作方式基于这样的前提:时间足够长的条件下,机器人的行走路径可以完全覆盖工作区域。如韩国LG公司研制的清洁机器人Roboking就是采用随机工作方式。而随机+局部遍历规划的方式是在缺少全局环境地图和全局定位能力的条件下，在局部范围内进行遍历性质的路径规划。这种方式对定位能力和环境建模精度要求低，但是覆盖率较高，重复率较低，浙江大学机械电子研究所在研制清洁机器人时就是采用这样的方式。 （2）基于环境地图的规划方法 在理想条件下,基于环境模型的全局规划方式具有最大的覆盖率和最小的重复率。但是如上所述，定位和环境建模技术还不成熟，所以全局规划的研究还主要处在理论分析阶段。使用的方法主要有以下几种：单元分解法：将工作区域分解成相同形状和尺寸的单元，按照一定的方法确定单元的访问顺序，从而产生一个最优或者近似最优的全局路径。 行为模板法：在环境地图已知的前提下，将机器人的行为划分多种固定的模板,根据实际位置和具体环境特点选择合适的模板，最后实现遍历路径。实验表明覆盖率可以达到85%。 神经网络法：将工作区域分解为神经单元，利用神经网络方法进行全局遍历路径规划以及障碍物周边区域的覆盖问题的研究。 平面扫描法：在工作环境中设置一个工作起始点，机器人由此点开始直线往返行走工作。随着工作的进行，因为障碍物的存在，会出现数个空区域，在这数个空区域内再设置起始点，机器人总是寻找新的起始点，并从此点开始工作，直到把所有区域都遍历。另外还有诸如人工势场法、栅格法等很多路径规划算法。 （4） 吸尘技术吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。目前民用吸尘器主要分为以下几大类：（1） 卧式吸尘器：在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。其特点是外形小巧，存放方便。卧式吸尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”；（2） 立式吸尘器：美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁；（3） 手持式吸尘器：体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。缺点是功率较小，吸力不够强劲；（4） 桶式吸尘器：商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水；（5） 杆式吸尘器：近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便；（6） 机器人吸尘器：高端吸尘器，可自动打扫和充电，但清洁效果有限，适合本来就很干净的家居环境；（7） 中央吸尘系统：高端吸尘器，它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所，如：地下设备层、车库、清理间等，将吸尘管道嵌至墙里，在墙面只留小而美观的吸尘插口，当需要清理时只需将一根软管插入吸尘口，此时系统自动启动主机开关，全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物，甚至客房中的烟味等不良气味，都经过严格密封的管道传送到中央收集站。任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁，确保了最清洁的室内环境。其清洁处理能力是一般吸尘器的5倍，而软管长度可任意选配，该类系统在欧美国家已是必配系统，在国内已有部分高档楼盘采用了此先进技术。吸尘器的原理与结构：（1）吸尘原理 吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。这样不妨与外界形成较高的压差。吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。（2） 吸尘器的原件所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯是用。吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。喉管：所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件；电动刷：内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件；圆刷头：也较小吸嘴，可做360度回转，方便清洁家具、精细网织物等；扁吸嘴：又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴，特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方； 扫尘刷：用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。（3）吸尘器的过滤方式尘袋过滤：过滤掉99.99%尺寸低达0.3微米的粒子，使用集尘袋的吸尘器随着使用时间的推移，真空度会下降，导致吸力变小，而且作为使用者来说不可能每次使用完就去更换尘袋，所以螨虫之类的微生物会在尘袋中继续滋生，在清理尘袋时这些螨虫就会对周围的环境产生二次的污染。尘袋过滤器特点：清洁方便，不需要每天清理，适合于工厂、酒店、汽车美容、清洁行业等；缺点是时间长了，尘袋的过滤能力有所下降，布料的毛孔会张开，过滤能力严重下降，需要更换。水过滤：利用水作为过滤媒质使得灰尘和微生物在通过时大部分都会被溶解锁定在水中，剩余的再通过过滤器后被进一步的过滤，使得排出吸尘器时的尾气可能会比吸入时的空气更干净。水过滤吸尘器的过滤效果毋庸置疑，但由于其利用水作为过滤媒质所以对于产品本身的设计和电机防水保护提出了更高的要求，这也是为什么目前市场上水过滤吸尘器质量参差不齐，价格高低悬殊的重要原因。特点：吸力更显著，排出的气体经过水的净化；缺点：每次使用时都需要放水，用完后必须清洗干净，清洗不干净会容易发霉发臭和生锈。适合用于酒店、家庭、办公室等等。1.1.4 吸尘机器人发展趋势清洁机器人有广阔的市场前景，尽管目前市场上已经有了一些样机和产品，进入了实用阶段，但是清洁机器人仍然有许多问题有待解决，在工作效率和自主能力方面还有待提高。清洁机器人自主地在房间内进行清扫而不需主人太多的干预，是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术。从技术上来说，清洁机器人主要智能指标为自主性和适应性。自主性指机器人能根据人下达的工作任务和周围环境情况自己确定工作步骤、工作方式和行走路径。适应性是指机器人通过学习适应复杂多变工作环境的能力，不但能识别周固物体，还能理解周围环境，做出正确判断及反应，因此在技术上还需要进一步解决传感器技术、定位和环境建模技术。在此基础上，自主清洁机器人将来的发展趋势可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。1.2 能力风暴机器人简介能力风暴是广茂达公司开发的对动手操作和实现能力培养的机器人平台，它可以借助于交互式C语言和开放式接口进一步提高机器人的开发潜力。该机器人外形成圆盘状，底盘上有两个主动轮和两个导向轮。自带的传感器有：碰撞传感器、红外传感器、光敏传感器、光电编码器等，同时利用硬件扩展总线ASBUS可以增加红外扩展卡以及其他各种类型的传感器，通过该机器人可以实现设计者所希望的各种动作和任务。从结构上看，能力风暴机器人是由感知系统、大脑决策系统和执行系统三大部分组成：（1）感知系统能力风暴机器人的基本感知系统包括红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、声音传感器、光电编码器等5种12个传感器。机器人通过感知系统能够 “发现”物体、“看到”光线、“听到”声音、感觉“触摸”等。机器人外壳上盖装有红外传感器和光敏传感器，红外传感器包括两个红外发射器和一个红外接收器，安装在上盖的前端，用于感知机器人前方是否有障碍物。两个光敏传感器分别位于红外发射器的外侧，用于感知环境光线的亮度。上盖可以随时拆下。上盖周围有一圈“孔”，是为了增加传感器或改变传感器的位置而做的预留孔，这样有利于灵活改变机器人的视觉范围。碰撞传感器由碰撞环和碰撞开关组成，碰撞环通过弹簧与机器人底盘相连，四个碰撞开关固连在底盘下方碰撞环内侧，用于感知不同方向的碰撞。机器人的声音传感器（小麦克风）位于机器人主板上喇叭的旁边，用于感知周围的声音强度。（2）大脑决策系统能力风暴机器人的大脑决策系统集中在主板上，它是以Motorola公司的M68HC11单片机为核心的主板系统。M68HC11芯片集成了CPU、内存储器、定时器系统、串行口、模拟数字转换器（ADC）、输入输出接口、中断和复位系统等。主板上除了单片机以外，还有外部存储器、稳压与低压复位系统、ASBUS总线、与计算机通讯的串口等，它们与机器人的感知系统和执行系统相连接，指挥各部件协调工作。（3）执行系统能力风暴机器人底盘下部连接着主要的执行部件：驱动电机及轮子、减速齿轮、电池等。机器人底部的驱动部件主要有驱动两个主轮的驱动电机、可充电电池及两个导向轮。为了改变机器人运动速度和扭矩，两个驱动电机分别通过减速器与驱动主轮连接，使机器人不仅可以自由地前进、后退、转弯，而且还有一定的载重及爬坡能力。两个导向轮具有万向轴的功能，既可辅助机器人转向，又可以保持机器人的平衡。1.3 图形化编程语言（VJC）简介图形化交互式C语言（简称VJC）是用于能力风暴智能机器人系列产品的软件开发系统，具有基于流程图的编程语言和交互式C语言（简称JC）。VJC为开发智能机器人项目、程序与算法、教学等提供了简单而又功能强大的平台。VJC操作简便，有活泼明快的图案和简短的文字说明，可以使用形象化的模块，由顶向下搭建流程图，搭建流程图的同时，动态生成无语法错误的JC代码，流程图搭建完毕，程序就已经编写完成，可以立即下载到机器人中运行。也可以直接在JC代码编辑环境中编写程序，还可以边写边试，发现错误，校正修改，十分方便。（1）图形化编程用常规的计算机编程语言（如C、FORTRAN、JAVA）编程，需要输入复杂的程序代码，并且编写的程序还要符合特定的语法。而流程图编程不需要记忆计算机语言的语法，不需要使用键盘输入程序代码，只需要按照“先作什么，后作什么”的设想，就可以编出程序。VJC正是按这个思想设计的。VJC的模块包括：执行器模块（蓝色矩形）、单功能传感器模块（紫色平行四边形）、带判断功能的传感器模块(紫色菱形)、控制模块（红色菱形）和程序模块（黄色矩形或椭圆形）五种。VJC流程图支持多任务程序、子程序调用、浮点数和整数、全局变量、简单表达式、复合条件判断以及循环嵌套等。（2）JC语言交互式C语言（简称JC）是用于能力风暴智能机器人的专用开发语言。JC由两部分组成：编译环境和能力风暴操作系统ASOS。JC不直接编译生成针对特定处理器的机器代码，而是先编译生成基于堆栈虚拟机的伪代码。然后这种伪代码由能力风暴操作系统解释执行。JC这种不寻常的编译方式有以下优点：（1）解释执行，允许检查运行错误。例如：JC在运行时，数组下标的检查；（2）代码更精简，伪代码比机器代码更简短；（3）多任务。由于伪代码是完全基于堆栈的，进程状态完全由它的堆栈和程序计数器所决定，因此只需要装载新的堆栈指针和程序计数器就可以方便地实现任务切换。第2章 系统总体设计方案2.1 概述作为家用的吸尘机器人主要用于室内，很多时候是在无人看护情况下，完成对家居环境的清洁任务。 因此，吸尘机器人需要能够自动避开工作环境下静态和动态的障碍物，且能够最大限度地对房间的地面进行清扫。 在吸尘机器人的总体设计方案中，设计适合非结构化环境的外形，构建适应性好、性能可靠的传感器系统，提出程序设计简单、可执行度好的控制策略和算法，都应该得到足够的关注和重视。最终的目标的是形成一个结构合理、性能优异、成本低廉、智能化程度较好的机电一体化应用产品。 在工作过程中，吸尘机器人依靠多传感器系统获得障碍物信息；以单片机为核心的控制系统对获得的信息进行分析判断，并根据避障控制策略和算法做出相应的避障决策；移动机构在控制器的指令控制下，实现机器人的行走和避障行为；吸尘系统则对经过的路径进行清扫；机载电源模块为所有功能部件提供必需的电力。从以上简单的分析可以知道，吸尘机器人的五个主要子系统为：传感器系统、控制系统、移动机构、吸尘系统和电源模块。 2.2 主要任务指标 总结目前国内外相关研究现状，结合本课题的研究目的，提出吸尘机器人样机的主要技术参数和性能指标如下： （1）主要参数：圆盘形外形，直径34cm，高9cm；系统最大功率不超过40w；两轮独立驱动； （2）通用编程接口：可方便修改系统程序，对不同的避障策略和路径规划算法进行在机实验，可实现自动、手动、遥控等多种操作方式，满足课题研究的需要； （3）机载可充电电源：实现无缆行走，以适应非结构化复杂环境； （4）行走速度：行走速度可调，直线行走最大速度不超过30cm/s，最小速度不低10cm/s； （5）自动避障：依靠多传感器系统获得障碍物信息，应用模糊控制原理，设计避障策略，使清洁机器人自动避开各种动态和静态障碍物； （6）局部路径规划方案：自由行走即漫游模式。 2.3 总体设计本节进行吸尘机器人的总体设计，主要从硬件和软件两方面进行研究和设计，结合系统设计的要求，给出软件框架、硬件框架上的设计。2.3.1 硬件总体设计整个吸尘机器人的硬件系统原理如图 2.1 所示。吸尘风机主控制器M68HC114只碰撞传感器2只红外传感器2只光敏传感器2只光电编码器1只麦克风ASBUS总线喇叭驱动各种外部扩展卡稳压与低电压复位系统2只直流电机（左、右轮）1只直流电机（万向轮）LCD喇叭电机驱动电机驱动单向开关芯片串口通讯PC机起尘、清扫电机BUS 图2.1 硬件系统原理图 硬件系统中需用到一些传感器，主要如下：（1）碰撞传感器AS-UII机器人使用有感知碰撞环上的碰撞信息的传感器，在机器人的左前、右前、左后、右后设置有四个碰撞开关(常开)，它们与碰撞环共同构成了碰撞传感器。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移，触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。把来自四周的碰撞分为8个方向，如图2.2所示。图2.2 机器人碰撞传感器位置各个方向发生碰撞时返回值对应关系如表2.1所示。表2.1 碰撞位置与返回值的关系表碰撞位置返回值无0左前1右前2左后4右后8（2）红外传感器AS-UII机器人使用2只红外发射管（970nm）和一只红外接收模块构成红外传感系统，主要用来检测前方、左前方和右前方的障碍，检测距离范围为1080 cm。可以通过调节两个电位器来调节左右两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，检测距离远，逆时针红外发射弱，检测距离近。逆时针将电位器旋转到底时将关闭红外线发射管。主板中的XT2为38kHz的晶体，它将红外光发射的调制频率固化在38kHz左右，这是红外接收模块中带通滤波器的中心频率。红外接收模块集成了红外接收管、前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器、整前电路和输出放大电路，灵敏度高。有时从红外管侧面和后面漏出的红外光也会被接收模块探测到，在能力风暴智能机器人上，两个红外发射管和一个红外接收器都是先装在套管里再固定在外壳上的，有效的避免了这种情况的发生。红外传感器是靠发射并接收由障碍物反射回来的红外光来判断是否有障碍。各个方向有障碍时返回值对应关系如表2.2所示。表2.2 障碍位置与返回值的关系障碍位置返回值无障碍0左方1右方2前方4（3）光敏传感器能力风暴智能机器人上有2只光敏传感器，它可以检测到光线的强弱。光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。能力风暴智能机器人所用的光敏电阻的阻值在很暗的环境下为几百千欧，室内照度下几千欧，阳光或强光下几十欧。 光敏传感器在能力风暴智能机器人里表现出的光越暗，数值越大，光越强，数值越小。（4）光电编码器光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，它由光电编码模块及码盘组成。能力风暴智能机器人有2只光电编码器，运用反射式红外发射接收模块。反射器是黑白相间的铝合金制成的圆片，66等分。当码盘随轮子旋转时，黑条和白条交替经过光电编码器，反馈的信号状态不同，即构成一个脉冲。因此360度共产生33个脉冲，每个脉冲的分辨率约为10.91度，轮子直径为65mm，则周长方面的分辨率约为6.19mm。光电编码器原理上也是靠发射与接收红外光来工作的。能力风暴智能机器人上用的光电编码器芯片集成了发射与接收功能。光电编码器电路如图2.3所示。图2.3 光电编码器电路图本课题开发的吸尘机器人样机实物如图2.4所示。图2.4 吸尘机器人样机 2.3.2 软件总体设计主程序转弯子程序判断障碍子程序扫描子程序避障碍物子程序软件系统主要由转弯子程序、判断障碍子程序、避障碍物子程序、扫描子程序构成。它们之间的关系如图2.5所示。图2.5 软件系统关系图第3章 系统硬件设计整个吸尘机器人硬件系统被划分为五个主要子系统：移动机构、传感器系统、控制系统、吸尘系统和电源系统。这些功能模块受微处理器系统的统一管理，通过彼此的协调工作，使整个系统按照要求完成既定得工作任务。移动机构是清洁机器人的主体，它决定吸尘机器人的运动空间，移动机构一般采用轮式机构，即两轮独立驱动，万向轮作为第三轮随动。传感器系统是机器人的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息，它是清洁机器人的重要组成部分，由超声波传感器、红外光电传感器和接触传感器等多传感器及相关控制电路组成。控制系统是整个清洁机器人系统的核心，包括微处理器系统、相关功能电路和系统软件等。吸尘系统是清洁机器人执行清洁任务的工作机构，主要由起尘部件、吸尘部件和滤尘部件三部分组成。电源系统在清洁机器人中的地位十分重要,它是清洁机器人的生命源，承担起吸尘机器人系统各功能部件的电力供应任务。图 3.1 和图 3.2 为吸尘机器人的整体结构示意图。本课题开发的吸尘机器人外形为圆盘形，直径 34cm，图中底盘为系统各子系统的载体， 所有功能模块都安装在该底盘上， 形成清洁机器人整体。 图3.1 吸尘机器人正面图3.2 吸尘机器人底面3.1 控制系统 控制系统包括微处理器系统、相关功能电路和系统软件几部分。其中，微处理器系统以经济、实用、性能优异的M68HC11单片机为核心，负责处理吸尘机器人系统工作过程中全部数据信息和动作指令。控制系统需要完成以下几方面的任务： （1）接收各种传感器的反馈信号；（2）对来自于各传感器的信息进行分析，获取机器人周边障碍物信息；（3）向移动机构驱动系统发出行走控制指令； （4）实现信息通讯数据的发送、接收及存储； （5）做出避障决策并执行系统避障和路径规划算法； （6）向吸尘系统发出控制信号。 AS-UII机器人通过微控制器来思维，它采用的是Motorola公司生产的M68HC11，它有8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。 M68HC11原理结构如图3.3所示。 运行模式控制器晶振时钟逻辑中断逻辑EEPROM 512BRAM 256BM68HC11 CPU时钟系统端口A总线扩展地址 地址/数据握手选通并行I/O端口B端口C端口控制器SPI模块A/D转换器端口E端口D端口控制器周期中断脉冲累加器SCI模块图3.3 M68HC11原理结构图3.2 移动机构移动机构一般由电机和机械装置构成。AS-UII机器人的执行器有：两只高性能直流电机，一只声音响亮的喇叭，一个216字符的显示器。因此，AS-UII智能机器人是一个融合了微电子技术、传感器、通讯技术和计算机技术的光、机、电一体化自动控制系统。AS-UII机器人的执行部分是指机器人执行具体功能时所要用到的部件，包括扬声器、LCD、主动轮和从动轮、直流电机等。3.3 传感器系统传感器是一种与人的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉相对应，能代替人定量地测出感知对象的信息量，并能把被测的信息量转换成电脑能够识别、判断的电信号的装置，因此又称为“电五官”，传感器大多由半导体器件制成。AS-UII机器人有红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、光电传感器、麦克风等4种十几个传感器，还可扩展，对环境的感知能力相当强。3.4 吸尘系统吸尘系统是吸尘机器人实现清洁功能的执行机构，主要包括吸尘电机、风机、起尘机构、清扫刷、集尘室、过滤器和挡尘盖等主要部件，以及吸嘴、导管等附件。目前采用的吸尘技术主要由两种：真空吸尘和气流滤尘。采用真空吸尘技术的吸尘系统是由吸尘电机驱动风机高速运转在机体内形成真空从而产生强大的气流,将尘埃和脏物通过吸口吸入机体内的滤尘袋内。吸尘电机一般为高速直流电机（电压12V或24V），转速每分钟高2000025000转；风机是吸尘系统产生负压的部件，一般由离心式叶轮、导轮、风罩等组成。风机的叶轮由电机直接驱动，导轮固定在机壳上，当叶轮以每分钟2000025000转的速度旋转时，叶轮附件的空气被带动一起旋转，叶轮中心处的空气因受到离心力的作用，被甩向叶轮边缘，在中心处形成负压，于是吸入口处的空气在压力差的作用下，不断流入，补充到叶轮中心处，吸入口附近的灰尘、纸屑等垃圾随着气流一起被“吸”入，在滤尘器的隔阻下沉积到集尘室。导轮的作用是将被甩向叶轮边缘的气流的动压能转换为静压能，将气体从排气口排出。因气体经过电机时被加热，所以排出的气体是热的。 采用气流滤尘技术的吸尘系统的吸尘部是一个全封闭系统,既无外部气体吸入，也无内部气体排出，其原理是利用附壁效应去形成低压涡流气体，最后将沉渣截留于吸尘器内的涡流腔内。 在本课题中，清洁机器人吸尘系统在原理上和普通真空吸尘器基本一样，但是在结构设计和吸尘效率两个方面有所改进。在结构设计上更多考虑结构尺寸、集成度以及一些辅助机构合理布置和利用，在吸尘效率上主要考虑如何对主要吸尘部件如电机、风机等进行改进，以达到最佳的吸尘效果。吸尘系统结构如图3.4 所示。图3.4 吸尘系统结构 3.5 电源系统 电源模块是清洁机器人系统的生命源，一般情况下，都是采用无线缆的机载可充电电池作为直流电源，如铅酸电池、镍氢电池、锂锰电池、镍镉电池、锂离子电池和聚合物电池等。清洁机器人电能消耗主要表现在以下两个方面：一是机器人驱动和控制电路的消耗，二是吸尘系统工作时的消耗。耗能部件所需的电压、电流以及对电源的稳定性要求等都存在一定的不同，在设计电源模块的供电方案时，需要分别加以考虑。在选择合适的直流电源时需要重点考虑以下两个方面的因素： （1）额定电压和容量：根据耗能部件对电压、电流的要求大致确定机载电源的额定电压和容量等参数；（2）质量和体积：吸尘机器人系统机载电源的质量应尽可能轻，体积应尽可能小，以节约电能消耗并便于安装。第4章 系统软件设计本设计最主要的部分是软件设计，也就是如何通过算法实现机器人对地面的扫描。设计要求机器人能尽可能的将整个区域扫描完全，并且能够在有一定要求的障碍物的情况下扫描场地。所谓有一定要求的障碍物，是指障碍物的边界是直线的，其位置要求在区域的边界处。机器人扫描开始和结束的标志是检测到强光源或检测到地面有特殊颜色标记。软件设计具体流程如图4.1所示。图4.1 场地扫描流程图对于有一定规定的障碍物的场地，首先让机器人检测它所处的位置，即它的左边是边界还是右边是边界，以便在后面扫描中能辨别方向。其次要对周围环境进行判断