嵌入式清洁机器人系统设计与实现【控制理论与控制工程专业优秀论文】 .pdf

硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 摘要 室内地面清洁是一项枯燥乏味的重复性劳动，传统吸尘器工作时需要人的参与，且 操作不便。室内地面清洁机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，结构 灵巧，实现了室内环境的自主清洁，是一种环保、健康、智能型的服务机器人，具有广 阔的应用前景和市场需求。 本文介绍了清洁机器人的研究现状与相关技术，设计并实现了一种全自主清洁机器 人，并对路径规划、自动充电算法进行了研究。具体研究工作包括： l 、根据清洁机器人任务和功能要求，进行了系统总体设计。采用功能丰富、能耗 低的嵌入式处理器作为核心控制器件，系统结构灵巧、紧凑，功能强大，可扩展性强。 2 、分别进行了清洁机器人的机械结构设计、硬件选型与电路设计、底层软件设计 及实现，完成了系统软硬件调试和实验。 3 、根据清洁机器人需要全区域遍历的特点，研究了两种常用的全区域遍历算法 - 井”字形遍历算法和外螺旋算法，并在此基础上进行了进一步的改进和实现，提高了 遍历效率。 4 、根据清洁机器入自动充电的需求，设计并实现了一种基于红外检测、判断的自 动寻找充电器的方法。 5 、初步研究了视觉技术在清洁机器人中的应用。 最后总结了本文的研究成果和不足之处，并对清洁机器人的研究工作进行了展望。 关键词：清洁机器人，嵌入式系统，控制，路径规划，视觉 a b s t r a c t i n d o o rf l o o rc l e a n i n gi sab o r i n ga n dr e p e a t i v ew o r k t r a d i t i o n a lv a c u u i i lc l e a n e r sn e e d t ow o r kw i t hp e o p l ep a r t i c i p a t i o nw h i c hi sn o tc o n v i n i e n tt oo p e r a t e i n d o o rf l o o r - c l e a n i n g r o b o t sc o n l b i n em o b i l er o b o tt e c h n o l o g ya n dc l e a n e rt e c h n o l o g yw i t hs m a r ts t r u c t u r e ，r e a l i z e t h ea u t o n o m yo ft h ei n d o o rf l o o rc l e a n i n d o o rf l o o r - c l e a n i n gr o b o t s ，w h i c ha r e e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y ，h e a l t h ya n di n t e l l i g e n ts e r v i c er o b o t s ，w i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r ew i t h b r o a d m a r k e td e m a n d ak i n do fi n d o o rf l o o r - c l e a n i n gr o b o ti sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o nb a s e do nt h e r e s e a r c ha c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fc l e a n i n gr o b o t s b e s i d e s ，p a t hp l a n n i n gm e t h o da n d a u t o m a t i cc h a r g i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o ni s a s f o l l o w s ： 1 t h ew h o l es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o na n dt a s ko fc l e a n i n gr o b o t s p o w e r f u le m b e d d e dp r o c e s s o rw i t hl o we n e r g yc o n s u m p t i o ni sa d o p t e da st h ec o r e c o n t r o l u n i t t h es y s t e mi ss t r o n g ，s c a l a b l ea n dh a sas m a r ts t r u c t u r e 2 m e c h a n i c a ld e s i g n , h a r d w a r ed e s i g na n dt y p ec h o s e n ，s o r w a r ed e s i g no fo n e k i n do f c l e a n i n gr o b o ta r ea c h i e v e d i tc o n t a i n sh a r d w a r ed r a w i n g ，e x p e r i m e n tc i r c u i t m a k i n g ，s y s t e m i n s t a l l i n g t h ed e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m i sf i n i s h e d 3 c o m p l e t ec o v e r a g e i s i m p o r t a n t f o r c l e a n i n gr o b o t s ，t w oc o m p l e t ec o v e r a g e p a t h - p l a n n i n gm e m o d s _ - 井s h a p e dt m v e r s a la l g o r i t h ma n do u t e rs p i r a la l g o r i t h m a r e d i s c u s s e d ，t h e s et w op a t h - p l a n n i n gm e t h o d s a r ei m p r o v e da n dr e a l i z e dt oi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo ft h et r a v e r s a l 4 d u et ot h ec l e a n i n gr o b o t sn e e dt oc h a r g ea u t o m a t i c a l l y ，am e t h o dt of i n dt h ec h a r g e r b a s e do ni n f r a r e dd e t e c t i o ni sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 5 p r e l i m i n a r ys t u d yo nc o m p u t e rv i s i o ni nc l e a n i n gr o b o t si sm a d e f i n a l l y 。t h er e s e a r c hr e s u l m ，e x p e r i e n c ea n ds h o r t c o m i n g sa r es u m m a r i z e d ，a n ds o m e t o p i c sf o rf u t u r ec l e a n i n gr o b o t r e s e a r c ha r ei n t r o d u e e d k e y w o r d s ：c l e a n i n gr o b o t , e m b e d d e ds y s t e m ，c o n t r o l ，p a t h - p l a n n i n g ，c o m p u t e r v i s i o n 知识水坝为您整理 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除7 ) j i 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 一躲碍弘削叼日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 年f 月母 知识水坝为您整理 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 1 绪论 1 1 概述 清洁机器入是服务机器人的一种，所谓服务机器人是指自主或半自主的、从事非生 产活动、能完成有益于人类健康的服务工作的机器人。家庭清洁机器人集机械、电子、 传感器、计算机、控制、机器入技术、人工智能等诸多学科为一体，能够自动进行房间 地面的家庭卫生服务【。在一些发达国家的很多公共场合已经开始使用清洁机器人，随 着清洁机器人性价比的提高，清洁机器人进入家庭成为可能。 清洁机器人小巧轻便，操作简单，有很好的实用性，它自带电源，对工作环境适应 性好。它的任务是清洁房间地面，主要处理地面的灰尘，对大尺寸的物体不进行处理， 它对家具和人都是安全的，且具备一定得自我保护能力。 处在未知环境中的清洁机器人，需要采用多种传感器来获取不同种类、不同状态的 信息，例如检测楼梯，检测碰撞，寻找充电器，路径规划等等，综合这些信息完成清洁 地面的任务。 ，电源技术在清洁机器人中的地位十分重要，一方面清洁机器人需自主清扫，必须使 用电池作为电源，而使用电源线将阻碍机器人的运动。另一方面电源需要同时满足清洁 机器人的多种能源需要，如为行走机构提供动力，为清洁机构提供能源，为控制电路提 供稳定的电压等。 清洁机器人全区域覆盖路径规划是自主式移动机器人的一项重要研究内容。一般的 路径规划是指在有障碍的前提下，按照一定的标准( 算法或规则库) 规划出一条从起始状 态到目标状态的无碰路径，即“点对点”的路径规划，而清洁机器人所做的工作则是全区 域覆盖的路径规划1 3 】。移动机器人路径的全区域覆盖可以概况为两种：随机式全区域覆 盖和智能式全区域覆盖。随机式全区域覆盖即移动机器人碰到障碍物时就随机旋转一个 角度继续前进，这种方法不需要特殊的算法，传感器的使用也比较简单，而行走区域的 重复率较高，如果给它足够长的时间，覆盖率可以接近1 0 0 ，但是实际上，清洁机器 人使用电池作为电源，时间过长导致机器人多次充放电，既浪费了时间也浪费了能源： 智能式全区域覆盖即给机器人设计一个合理的路径规划算法，使其用最短的时间清扫最 多的区域，且重复率越低越好。 1 2 清洁机器人研究现状 清洁机器入最为典型的例子是美国麻省理工学院人工智能实验室和马萨诸塞州电 子机器人公司联合开发的全自动智能吸尘籼o o m b a ( 如图1 1 所示) 。它是美国麻省理工 硕士论文 学院人工智能实验室主任m rr 0 d n e y b r o o k s 和助手历时1 2 年研究，共制作了3 0 种样机的 基础上开发出来的 9 9 美元。 囝11r o o m b a 清洁机器人 “r o o m b a ，重约2 b ，直径为3 0 英寸，打开吸尘器开关后它就能自主地在房间内吸 尘。它在房间内以螺旋线前进，发现墙壁后沿墙行走，能自动避障，充电后能连续吸尘 9 0 分钟，在吸尘结束、吸尘腔堵塞和电力不足时，能自动停机。传感器采用的是红外线 传感器和碰撞传感器。电源采用了3 a h 的镍氢电池，一次充电时间大概需要8 小时，充 满电以后可以运行太约2 h 时左右。r o o m b a 由2 个电机驱动，采用差速的方式转弯，但 是整个“r o o m b a 一共有5 个电机，2 个用来驱动，1 个用来产生真空，1 个驱动下方的两把 小刷子，用柬清洁墙角的，最后一个是吸尘器电机，作用是将灰尘吸向真空吸口。 最贵的是伊莱克斯的三叶虫清洁机器人，2 0 0 3 年售价在1 6 0 0 0 元左右，它使用了超 声波系统进行导航，能够轻松的避开绝大多数类型的障碍物，同时帮助它测量房间的尺 寸。相比其他清洁机器人，这款最大的不同的是在清扫过程中会建立房间的清扫地图， 并且依此自行设计出在房间中行走的最佳路线，保证最大程度的覆盖清扫。它能够识别 门，不过需要用户放置两个磁条在门上，和r o o m b a 的虚拟墙的概念类似，这些磁条会 阻止机器人走出房间。同样的，在电池耗尽的时候，它会自动移动到充电坞站进行充电， 并在充满点后回到充电前的位置。 2 0 0 9 年国内可以买到伊莱克斯的三叶虫二代t r i l o b i t e ，如图i2 所示，2 0 0 9 年4 月其售 价在2 3 0 0 0 元左右。高度为1 3 e m ，直径为3 5 c m ，它可以在家具空间中自由穿梭打扫卫生。 其探测使用超声波，自动探测需要清洁的目标，如同蝙蝠夜行的方式，可以敏捷迅速地 觉察出障碍物并绕开。启动时，它会寻找最近的墙壁，并开始沿着房间的周界进行记忆、 扫描和吸尘。当扫描结束后，t r i l o b i t e 会根据房间的面积计算所需的清洁时间。当遇到 障碍物时，它会实时计算新的路线，直至全个房间清洁干净为止。电线及地毯对t r i l o b i t e 并不构成任何障碍，因为其滑辘有避震装置，而底部利用了独特专利设计的吸尘滚筒， 以容许t r i l o b i t e 在地毯及电线间自由穿梭。和第一代相比，第二代主要多了开机时间设 硬_ e 文嵌八式清洁机器人系统设计与实现 定的功能，可以设定一星期里任何一个时间让三叶虫自动开机吸尘 圈l3h a l l z e nv c - r e 7 0 v 韩国电信运营商k t f 发布了一款清洁机器人c w l 0 0 ，如图14 所示，这款机器人产品 可以采用3 g 手机进行控制，是由k t f 与m i c r o b o t 合作推出的，这是一个“智能”真空吸尘 器，看上去和r o o m b a 吸尘机器人很像。c w l 0 0 智能清洁机器人采用自带的视频摄像头 将现场看到的实时图片传递到用户的手机上，这时候用户可以通过手机键盘来遥控 c w l 0 0 清洁机器人，从而达到远程清洁屋内地板的目的。2 0 0 9 年c w l 0 0 智能清洁机器人 的售价约为2 5 0 0 元。 硕诧文 圈14c w l 0 0 清洁机器 至于国内清洁机器人的研究起步较晚。哈尔滨工业大学太曾经与海尔合作从事这 个项目的开发，但由于种种因素的限制，项目未获成功；目前，苏州秦怡凯与浙江大学 仍在合作研制，但进展缓慢：珠海德豪润达也开始涉及这个领域，但困难重重。目前国 内虽新全力出击的是深圳银星智能电器有限公司生产的k v 8 智能清洁机器人，各款都相 继推出，功能也在不断的完善，虽然在反映灵敏有些不如美国r o o m b a ，但价格上具有 较大的优势州。 k v 8 二代保洁机器人具有智能计算机系统、自动螺旋导航系统和1 8 个感应头，如图 i5 所示。它町以对房b j 做出测量，自动清洁房间的每个角落、记录理想设置，躲避墙壁 和楼梯，即使把它放到桌子上面它也不会掉下来。配备的虚拟墙发射器可以有效地阻止 它进入你不想让它进入的地方。它还配有大容量的垃圾箱。超强活性炭可以净化室内空 气，吸附有害物质，有效地提高空气质量。超静音的吸尘箱和超强的吸附能力，可以轻 松地清洁地面上的各种杂质，粉尘净化率达到9 6 。圆牒式外观设计，使其轻松到达桌 子下面，家具底下，沙发下面清扫房间的每个角落。功率：机器2 3 w ，充电器8 w 。 充电电池为镍铬的，外观材料a b s z 程塑料。 图16 是k v 8 的第三代产品，2 0 0 9 年4 月价格在8 0 0 元左右。它有自救功能，在使用第 二代或者第一代保洁机器人的时候，它有可能会卡在某个角落，怎么也出不来，直到电 池耗尽，而第- - f 4 产品的智能自救系统，可以彻底的把这种情况消除在什么情况都不 会被卡住。 论文 嵌 式清洁机g 系统设计与实现 图1 5 第二代k v 8 保洁机器人图1 6 第三代k v 8 保沽机器人 1 3 清洁机器人发展趋势 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 的发展趋势可蚍向着商瘦智能化、多功能集成、低成本的方向发展口】。 1 4 本课题主要研究内容 本文开发了一种清洁机器人系统，完成了机械结构的设计与制作、硬件电路的设计 及实现、底层软件的编写以及系统调试，且研究了两种目前常用的全区域遍历算法，并 在此基础上进行了改进，给出了改进的“井”字形算法。同时研究了机器人自动充电方法， 给出一种利用两个红外一体化接收头来寻找充电器的方法。最后初步研究了视觉摄像技 术在清洁机器人中的应用。 本文内容安排如下： 第一章介绍了清洁机器人的概念和相关技术，介绍了国内外清洁机器人的发展现状 和研究动态，明确了课题研究的基本方法和内容。 第二章进行了系统总体设计，主要包括：功能设计、软硬件框架、机械结构的设计 及电机、电池的选型。 i 绪论 硕士论文 第三章完成了硬件系统设计，包括机械结构及硬件电路的设计。 机械结构方面，根据机器人的功能需求，进行了机器人机械结构的分析与设计，主 要包括：轮系的选型与设计、底盘设计、各种配件设计、材料的选用。 硬件电路设计包括：液晶及各种传感器的选型，嵌入式控制系统、电源系统、电机 系统、显示系统、通信系统等各模块相关硬件电路的设计与实现。 第四章进行了软件系统设计。给出了系统软件的总体结构与流程，讨论了机器人的 运动定位系统，对于底层软件给出了电机闭环调速模块、无线通信模块、l c d 模块等软 件流程及核心代码。对全区域遍历算法、自动充电方法进行了研究，比较了几种现行的 算法，并在此基础上给出了改进的“井”字形遍历算法及一种基于红外检测的自动充电方 法。 第五章进行了系统调试。给出了硬件和软件的调试结果。 第六章总结了本文的研究成果和不足之处，并对清洁机器人的研究工作进行了展 望。 6 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 2 系统总体设计 本章进行清洁机器人的总体设计，主要从机械结构、硬件结构、软件结构三个方面 进行研究和设计。 2 1 清洁机器人系统组成 清洁机器人需要完成的任务是能够在房间中自动清洁地面。工作时，利用各种传感 器测得环境信息，并做出决策，实现边行走边打扫，完成预定的任务。典型的清洁机器 人主要由以下几个模块组成： ( 1 ) 信息采集模块 ( 2 ) 决策模块 ( 3 ) 运动控制模块 ( 4 ) 清扫模块 这四个部分构成了完整的清洁机器人系统，如图2 1 所示。信息采集模块返回当前 清洁机器人的位置信息，如是否碰到障碍物、是否遇到楼梯等，然后把这些信息送给决 策模块进行决策，控制运动控制模块，使机器人转弯或者后退等，在机器人运动的同时 让清扫模块进行清扫，完成打扫地面的任务。 图2 1 清洁机器人系统典型组成示慈图 2 1 1 信息采集模块 清洁机器人在工作时需要实时检测自身状态信息和收集外界环境信息，以控制自身 状态，进行路径规划，同时判断电池电量是否不足并自动充电等。 根据清洁机器人的工作需要，清洁机器人传感器的选择有以下要求：质量轻、体积 小、安装方便可靠；精度好；稳定性好、可靠性高；抗干扰能力强；经济性好。 2 1 2 决策模块 这个模块是整个系统的核心所在，相当于人的“大脑”。决策模块接收信息采集模块 传送过来的环境信息，进行相应的分析判断，做出最佳的决策，再将做出的运动决策传 送给运动控制模块，保证机器人执行相应的动作。目前清洁机器人常用的是8 位和1 6 7 2 系统总体设计硕士论文 位单片机，随着功能和要求的提高，并逐渐向3 2 位处理器发展。 2 1 3 运动控制模块 这个模块是机器人运动的核心部分，其性能直接关系到整个机器人的运动能力。它 的功能就是根据决策系统的指令，使机器人的执行机构实现相应的动作，这个模块设计 的关键在于控制电机的硬件电路设计和控制算法的设计。 2 1 4 清扫模块 清扫模块的功能是在清洁机器人行走的同时完成清扫的工作，一般只需完成吸尘功 能，这时需要设计一个小型吸尘器装在机器人上，也有一些清洁机器人设计成既可吸尘 又可擦地，需要擦地时可在机器人底部放上棉布。 2 2 清洁机器人系统总体设计 2 2 1 清洁机器人功能设计 本文要研制一台结构小巧灵活，便于操作，能够自动避障且路径规划智能度较高的 清洁机器人。除了一般清洁机器人系统的典型组成部分之外，还要有良好的人机接口， 如红外遥控、l c d 显示等。详细的功能如下： ( 1 ) 自动避障 清洁机器人的任务是在室内清洁地面，房间的环境信息对于机器人是未知的，在清 洁机器人移动的过程中可能会碰撞到诸如家具、宠物之类的物体，这时清洁机器人需要 感知前面碰撞到了物体；当清洁机器人被卡在了一个小空间内时它要来回移动找到出 口，这时它需要感知前后左右各方面的碰撞信息。基于此类考虑，本文设计的清洁机器 人采用4 个碰撞传感器，分别安装在机器人的左前、左后、右前、右后方。 ( 2 ) 全区域遍历清洁 这是清洁机器人最核心最重要的功能，全区域遍历时间越少覆盖率越高越好，目前 常见的几种全区域遍历算法有：“井”字形遍历算法、内螺旋遍历算法、外螺旋遍历算法、 随机遍历算法。本文采用改进的“井”字形遍历算法和外螺旋算法，根据用户自己的需要 可以任选一种，采用红外测距传感器，分别装在机器人的右前、右后、正前方。 ( 3 ) 楼梯检测 清洁机器人可以检测楼梯或者自身正处于高处，进行相应的后退或者转弯，以免跌 落损坏。本文采用红外避障传感器，分别装在两个轮子的前方，向下检测距离，如果比 预定的距离大则认为已处在楼梯边沿，进行后退。 ( 4 ) 自动充电 清洁机器人采用电池作为系统电源，如果打扫的房间过大，在打扫过程中可能电池 8 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 欠压，这时它需要自己找到充电器进行充电。首先，它要判断电池是否欠压，如果是则 关掉微型吸尘器，节约电量，然后根据自动寻找充电器的算法找到充电器。本文采用 h t 7 0 3 3 作为电压检测传感器，两个一体化红外接收头来寻找充电器。 ( 5 ) 远程遥控 清洁机器人可以自主清洁，如果对它的清洁效果不满意，还可以利用远程遥控，让 它着重在某一处进行打扫。 ( 6 ) 自身状态显示 清洁机器人在打扫或者充电时，可以把自身状态显示在l c d 上，良好的界面可以 更方便使用。 ( 7 ) 视觉处理接口 方便研究机器视觉在清洁机器人中的应用。 ( 8 ) 移动灵活，结构小巧 清洁机器人需要钻到家具下面打扫，这就要求机器人的高度不能太高，有时机器人 需要原地转圈，这就要求它的机械结构要灵活。本文采用两轮差速控制，前后各装一个 万向轮支撑，可以达到原地转弯的要求。 2 2 2 清洁机器人硬件框架 i 信息采集模块l 二二二： l 运动控制模块 之乡 l ”， d b 7 d b 0 的数据被写到瓜或d r 6 e ( s c l k ) 使能信号 7 1 4d b o - d b 7 三态数据线 1 5 p s b h ：并口方式，l ：串口方式 1 6n c空脚 1 7 r e s e t复位脚，低电平有效 1 8 v o u t 负压输出 3 硬件系统设计 硕士论文 l c d 接口电路采用了7 4 l s 2 4 5 三态数据缓冲器，该芯片有缓冲电流和提高驱动能 力的作用，引脚i ( d i r ) 为高电平时数据从a 口到b 口。这里一共用了2 片，分别用来 驱动l c d 的控制信号和数据信号。具体电路如图3 3 3 所示。 图3 - 3 3 液晶显示模块接口电路 3 2 1 2自动充电系统设计 自动充电功能对清洁机器人来说也是十分重要，由于机器人自带的充电电池容量有 限，不一定能保证完成清扫工作，这就需要机器人能自动寻找充电器充电。当电压检测 芯片检测到电源电压低于一定值时，清洁机器人将自动寻找充电座进行充电。 首先机器人需要能够检测到什么时候需要充电，一种方法是监测电源的电压或者限 制机器人的运行时间，另一种方法是精确测量使用的电能，通过对电源的监测，机器人 能够预测何时需要充电。其次机器人从当前位置移动到充电座需要导航行为，在可能面 临障碍物的情况下，机器人如何从当前位置运动到充电座，机器人系统必须具有导航、 避障和路径规划能力【2 0 】【2 l 】。 本系统采用电压检测芯片h t 7 0 3 3 来检测电压。h t 7 0 x x 系列具有接口简单，低功 耗，低温度系数，高精度，参考源稳定性高，成本低等特点，h t 7 0 x x 系列的输入输出 特性曲线如图3 3 4 所示，对于h t 7 0 3 3 ，v d 旷3 3 v ，实线表示检测电压从高到低变化， 虚线表示检测电压从低到高变化，当输入电压降到3 3 v 时h t 7 0 3 3 的输出值迅速降到 低电平。 3 2 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 d 鼬b v k f 嘲i t o 一 s 翻h - v m 细r n t i 砷l o v m 图3 3 4h t 7 0 x x 系列输入输出特性 电源电压是1 2 v ，需要在电源电压低于l o v 时检测到电池欠压，h t 7 0 x x 系列最大 可检测电压是7 v 。有两种方法可以使芯片检测高电压，一种是分压器法，通过电阻分 压，使电压检测芯片的检测电压变小；一种是串接二极管法，即在电压检测芯片的输入 引脚串接几个二极管，二极管的正向压降可按o 7 v 计算，但由于电压检测器的工作电 流甚小( 1 3 衅) ，使二极管工作在特性的弯曲部分，其实际正向压降要比o 7 v 小。所以 计算值与实际值有一定差值。第一种方法的优点是可以根据要求来设定电阻值，缺点是 改变了滞后特性。第二种方法缺点较多，当要求检测电压较高时需串接很多二极管，而 且也不容易与要求的电压值相一致1 2 3 1 。 这里采取第一种方法，即分压法，具体电路见图3 3 5 ，r 1 5 和r 5 5 是分压电阻，阻 值分别为6 7 0 欧姆和3 3 0 欧姆，对于本系统，h t 7 0 3 3 的输入引脚v i n 的输入电压值最 小为1 0 x 3 3 0 ( 6 7 0 + 3 3 0 ) = 3 3 v ，最大为1 2 x 3 3 0 ( 6 7 0 + 3 3 0 ) = 3 ，9 6 v ，因此h t 7 0 3 3 的输出电 压在3 9 6 v 以下，适合与m c u 的i o 口直接相连，在输入电压低于3 3 v 时跳变成低电 平。考虑把功率部分和数字部分隔离，这里还需要把h t 7 0 3 3 的输出信号隔离，然后再 送给m c u 的i o 口，选用6 n 1 3 7 作为隔离芯片，6 n 1 3 7 光耦合器是一款用于单通道的 高速光耦合器，具有温度、电流和电压补偿功能，内部工作原理如图3 3 6 所示。 图3 3 5h t 7 0 3 3 应用电路图3 3 66 n 1 3 7 1 勾部电路 输入电流达到一定值时发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置 3 3 3 硬件系统设计硕士论文 的光敏管光照后导通。发光二极管正向电流o - 2 5 0 u a ，光敏管不导通：发光二极管正向 压降1 2 1 7 v ，正向电流7 。1 5 m a ，光敏管导通。对于m c u 来说电压检测不需要一个连 续的变化过程，只需要知道电平发生变化即可，光耦隔离电路如图3 3 7 所示。 1 6 l 髓口 1 n c耽c b ，口： i h 讲 v d d 2 a n o d e e n a b l e 7 t l ； ：3 c a t h o d e0 u t p u t 6p 瑚 肋， ! = 兰c 9 h - _ _ p 鼬l j k y 4 1 n cg n d 5 4 西： 1 0 0r 2 扣 d g n d _ _ hh s n l 3 7j ； ： | li i f 、l士单通忑i ，0 吲厶& | i t d 、 罗q 椭p 用帚h 哗牮僻职u 州， 图3 3 6 电压检测信号隔离电路 机器人检测到电池欠压后，关闭微型吸尘器以节约电能，并利用单片机的i o 口( p s 4 ) 来控制微型吸尘器的开关，该信号经过光耦隔离( p s 4 _ i ) 后控制三极管的导通来控制微型 吸尘器电源的开关。三极管9 0 1 3 是一种低电压，大电流，小信号的n p n 型三极管，最 大集电极电流是0 s a ，集电极基极击穿电压4 5 v ，集电极发射极击穿电压2 5 v ，具体 应用电路如图3 3 7 所示。 l _ i ! i ；! 卜伽j l l l l 上l i 【j l ii i 1 上。i ： 一_ r r r 仁 叠丌f e x l i 二l ；i 上一 一一- rr 6 酽 l ：，12 0 0 砭 l ；i i l 呵一 ： ! ：奔q i p 翻l 量 ，。y ：p l 兰 ：i ：一k ：。jj i | ：蔓，删 a n d l k i c 1 翻脯t 2 ；l ；i h d 冒2 ；、山工n 土1 0 卜j 占，1 ，n 1 ，n n ，上! i ，i j1 产门影l 砸h 箱二可习以式虿f 7 r k 一 图3 3 7 控制吸尘器开关的电路 当机器人检测到电池电量低时，需要自动寻找充电器，本系统采用红外线接收的方 法寻找充电器，红外接收电路通常由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常又 由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏蔽盒里，因而电 路比较复杂，体积也比较大。s f h 5 0 6 3 8 是一种特殊的红外接收电路，它将红外接收管 与放大电路集成在一体，体积小，密封性好，灵敏度高，并且价格低廉，它仅有三条管 脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5 v 左右，接收载波频 率是3 8 k h z ，只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。按照 手册，s f h s 0 6 3 8 的接口电路的如图3 3 8 所示。 硕士论文 嵌入式清洁机器人系统设计与实现 翮如g l l ； f ；明) d g l lt | i；jj l ll l ! l _ 一 ii i _ 艘 lg 4 3 鎏l l 蹦孵珥n l + 5 l i咖 +阿 p 白i d l 辅p l f：p 固 m 1 。r 2 j 一 3 2 r 1 l4 。7 u 脚p 尬 3 。i r14 枷卯p 聃i ； + l1 一；jl f i ； ij ll；i 墨矗r 3 t ! l h r 3 f 十卜十i j 。 ； l 暑z 乃嚣x k 0 一，。j ；二矗。二五r i 1iii |釉7r 僻伏犬o r g k ) o 矿j o l 外二r i 彳 图3 3 8s f h 5 0 6 3 8 接口电路 为了让机器人尽快找到充电器，本系统采用了两个s f h 5 0 6 3 8 ，安装在机器人的前 面，中间用挡板进行隔离，使它们能够接收不同方向的信号，避免互相干扰，如图3 3 9 所示，当机器人接近充电器后，通过检测充电器充电电流来判断是否已经对接上。充电 器上安装一个红外发射装置，不断发送红外线，机器人检测到电压低时先原地转圈，利 用两个红外接收头判断充电器方向，有4 种情况： ( 1 ) 右边接收头接收到信号，而左边没有，说明充电器在右前方，机器人向右旋转 前进。 ( 2 ) 左边接收头接收到信号，而右边没有，说明充电器在左前方，机器人向左旋转 前进。 ( 3 ) 左右两边的接收头都接收到信号，说明充电器在正前方，机器人直线前进。 ( 4 ) 左右两边的接收头都没有接收到信号，说明充电器可能在机器人的后方，或者 充电器发出的信号被物体挡住了，这时机器人首先原地转一圈，如果还是都接收不到信 号，则沿着墙边或者家具边行走，每隔一小段时间就旋转一下搜寻红外线信号，直到找 到为止。 i 充电器i 图3 - 3 9 寻找充电器示意图 3 5 3 硬件系统设计 硕士论文 3 3 本章总结 本章进行了清洁机器人系统的机械结构设计，包括底盘设计，及各种传感器和电机 的撑架设计和安装等。完成了清洁机器人系统的硬件设计，包括主芯片选型、最小系统 设计、各种传感器接口电路设计、驱动模块设计、自动充电系统设计。 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 4 软件系统设计 本章主要进行了系统软件设计，完成了底层软件的编写；同时，研究了清洁机器人 路径规划算法，在传统的全区域遍历路径规划算法的基础上给出了改进的“井”字形遍历 算法；进一步，研究了视觉导引在清洁机器人中的应用。 4 1 软件系统总体结构 清洁机器人在实现自动清洁任务时，需要完成如下几个任务：( 1 ) 根据传感器的返回 信息进行全区域覆盖路径规划；( 2 ) 检测楼梯，防止跌落；( 3 ) l c d 显示机器人状态；( 4 ) 控制驱动轮行走；( 5 ) 无线遥控；( 6 ) 检测电池电量，若欠压则自动充电。 其中楼梯检测是防止机器入从高处跌落的，对实时性要求比较高，需要中断程序处 理，其他传感器信息采用查询方式进行处理。 本系统将软件分成以下几个模块进行实现：无线遥控模块，用户可以通过遥控的方 式使机器人进行清扫，方便使用；自动充电模块，机器人欠压时运行该子程序，自行寻 找充电器，完成充电后继续工作：液晶显示模块，在机器人运行过程中实时显示机器人 的自身状态；防跌落模块，防止机器人从高处跌落，采用中断服务子程序进行处理；路 径规划算法模块，不同的路径规划算法单独包装成一个模块，方便调用；电机转速控制 模块，通过编码器返回值判断电机转速，对转速进行闭环控制。通过编程将这些模块各 自封装好，将封装好函数接口留给主函数进行调用。 4 2 主程序流程 清洁机器人系统的主程序流程图如图4 1 所示。 程序初始化模块主要包括：初始化串口、p w m 工作模式、l c d 、开外部中断等。 开机后液晶显示欢迎界面，工作过程可以分成两个主要部分：自主清扫和遥控清扫。提 示用户选择遥控方式或者自动清扫方式，这里通过拨码开关进行设置。 对于自主清扫，首先显示选择界面，提示用户选择外螺旋清扫方式或者“井”字形 方式，然后提示用户选择清扫时间。全部设置好之后开始自主清扫，初始化各模块，首 先检测是否电池电量低，如电量低则执行自动充电程序，利用自动寻找充电器的算法找 到充电器，并进行对接，直到对接成功，充电时液晶显示正在充电。充电结束后，回到 主程序，清扫时间开始倒计时，然后读取各传感器的值，根据路径规划算法行走并吸尘， l c d 实时显示机器人当前工作状态，直到清扫时间为零再停止工作。 对于遥控清扫，首先也检测电池电压，如果电压低，则液晶显示电池电量低需要充 电，此时需要人为拿去充电，在电池充足电之前机器人不响应任何操作，当电池电量足 3 7 4 软件系统设计硕士论文 时，机器人根据遥控者发出的运动指令做出相应动作。 机器人两个驱动轮前面各有一个红外传感器，向下检测距离，如果二者之中的任何 一个检测到的距离值大于设定值则认为前面是楼梯，机器人进入中断服务子程序，m c u 可以通过内部硬件完成保护断点和跳到中断服务程序的入口，这里只需要在中断服务子 程序里让机器人后退转弯即可。 3 8 图4 1 主程序流程图 顿论文嵌 式清洁机器人系统设计与实现 4 3 软件开发工具 4 3 1 编译器介绍 c o d e w a r r l o r 是m e t r o w e r k 公司研发的软件集成开发环境0 d e ) ，其功能强大，包括 以下几个功能模块：编辑器、编译器、链接器、调试器、源码浏览器、搜索引擎、构造 系统、工程管理器等。f r e e s c a l e 所有系列的微控制器都可以在c o d e w a r d o ri d e 下进行 软件开发，c o d e w a n l o r i d e 不仅支持汇编语言，而且支持c 、c + + 和j a v a 高级语言。 一个完整的c w 环境下的工程包括s o u r c e 文件夹、p r m 文件夹、l i b r a r i e s 文件夹等， s o u r c e 文件夹中放置工程中的源文件和头文件：p r m 文件夹中放置地址链接文件，用于 定位程序在m c u 中的存放地址：l i b r a r i e s 文件夹中一般放置需要的库文件。用户在实 际编程时，只要编写自己工程的源文件和头文件，并在p r m 文件夹中的p r m 文件中加入 自己的中断向量声明即可。 c o d e w a r r i o r 调试器的全部硬件及软件性能均可方便接入并执行，任何需要的调试 操作均可经由直观的“点击”界面完成，使得调试快速、灵活且方便。编译器如图4 2 所 示，调试器如图4 3 所示。 ：! 曼蔓墨翌盈霞z 窭露密舞固岛霹匠墅墨理霹嚣嚣西露翟登z ! 要曩曩疆曩了_ = _ = j ? ：= c一1 l 图4 2 c o d e w a r r i o r 编译器 4 软件系统设计 硕士论文 图43 c o d e w a r d o r 调试器 4 3 2 下载与在线调试工具 p & e m i c r o 公司的下载器u s b m l - 1 2 支持背景调试模式( b d m ：b a c k g r o u n d d e b u g m o d e l ，下载、调试速度快，具有很好的实时性，支持c o d e w a r r i o r f o r h c ( s ) 1 2 下仿真环 境，如图4 4 所示。它一端接p c 机u s b 接口( 蓝灯亮) ，另一端插接在电路板上的b d m 插针口( 黄灯亮) ，可带电插拔，进入在线调试环境后，可以对硬件实时在线调试运行( 设 置断点、单步调试等) 。 图4 4 b d m 在线f 载调试器 硕士论文嵌入式清洁机器人系统设计与实现 4 4 1路径规划概述 移动机器人的路径规划问题是移动机器人研究领域的热点问题，可以描述为：移动 机器人依据某个或某些优化准则( 如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最短等) ， 在运动空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优或者接近最优的 路径刚。 移动机器人路径规划存在以下特点【2 5 】2 5 ： ( 1 ) 复杂性：在复杂环境中，机器人路径规划非常复杂，且需要很大的计算量。 ( 2 ) 随机性：复杂环境的变化往往存在很多随机性和不确定因素。 ( 3 ) 多约束：机器人的形状、速度和加速度等对机器人的运动存在约束。 根据对环境信息掌握的程度将机器人路径规划分成三类：基于环境先验完全信息的 全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划和混合型方法。全局规划方法依照己获 取的环境信息，规划出一条运动路径。全局路径的精确度取决于获取环境信息的准确程 度。全局方法通常需要预先知道环境准确的信息，并且计算量通常很大。局部规划方法 则侧重考虑机器人当前局部环境信息，使机器具有良好的避碰能力。很多机器人导航方 法通常是采用局部方法，其仅依靠传感系统感知的信息。与全局规划方法相比，局部规 划具有实时性和实用性，缺陷是仅依靠局部信息，有时会产生局部极点。混合型方法结 合全局和局部方法的优点，将全局规划的“粗”路径作为局部规划的子目标【8 】。 一般的机器人路径规划问题是寻求点到点的最优或者近似最优的无碰撞路径，然而 对于清洁机器人而言，其任务是清扫房间，因此它需要全区域路径规划，目标是在指定 区域内覆盖区域面积最大且重复率低。 4 4 2 常用的全区域覆盖路径规划算法 有环境模型的路径规划方法就是把整个清扫环境坐标化，机器人每前进一次都确切 知道自己的坐标位置。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，由于定位和环境建模技术还不成熟，所以目前广泛使用无环境 模型的规划方式【2 3 1 。 下面针对需要清洁的房间来分别讨论三种常见的全区域覆盖遍历算法：随机遍历算 法、外螺旋遍历算法、内螺旋遍历算法。其中随机遍历算法和外螺旋遍历算法被清洁机 器人生产厂家广泛使用。 ( 1 ) 随机遍历算法 随机遍历算法指机器人只需要采集碰撞信息，在机器人四周装上若干个碰撞传感 器，开始工作后机器人直线向前行走，直至遇到障碍，遇到障碍后机器人随机旋转一个 角度避开障碍物，继续直线向前行走，对机器人的姿态和行走距离等方面的