【毕业论文】室内智能清洁机器人控制系统设计.pdf

室内智能清洁机器人控制系统设计 i 摘 要 智能家庭清扫机器人结合了传感器 移动机器人技术等多个领域的关键技术 实现室内环境 地面 的半自动或全自动清洁 替代了传统的人工清洁工作 具有 十分广阔的市场前景 本文首先综述了家庭清扫机器人的国内外研究现状 在综合比较了国内外多种 典型产品的基础上 提出适合中低端用户使用的家庭清扫机器人整体设计方案 智能家庭清扫机器人系统由清扫机器人和充电站组成 清扫机器人是实现智能 清扫的主体部分 本文介绍了清扫机器人的组成部分 并完成了硬件电路的实现 考虑到存储 接口资源及可靠性能等 主控器选择了宏晶科技公司的 stc89c52 单 片机 所构成的单片机应用系统功能强 性价比高 完全满足控制功能的要求 然 后 详细设计了红外传感器 碰撞检测 电源模块 充电模块 键盘 液晶显示以 及各种电机控制等电路 在软件设计方面 采用 c51 语言编制了控制系统各部分的 软件 包括主控程序以及时钟设定 键盘中断服务 红外 碰撞传感器检测等子程 序 最后 综合设计结果制作了实验样机 进行实验研究 结果表明 所制作的清 洁机器人能够完成房间清扫工作 达到了预期的设计效果 关键词 关键词 清洁机器人 智能控制 单片机系统 室内智能清洁机器人控制系统设计 ii abstract intelligent domestic cleaning robot unifies many essential technologies such as sensor mobile robot technology and etc it has realized the semiautomatic or entire automatic cleaning for indoor environment ground and substituted the traditional manual cleaning it has an expansive prospect on market the paper first summarizes the domestic and foreign research on the intelligent domestic cleaning robot based on the comparison among many typical products a whole design scheme of intelligent domestic cleaning robot adapt to be used by low cost product user is brought forward the robot system is composed of cleaning robot and the battery charging station cleaning robot is the main part to realize the intelligent cleaning this article introduces the constituents of cleaning robot and has completed the hard ware circuits considered the memory the interface resources and there liability performance and etc the hongjing corporation s mcu stc89c52 has been chosen as master controller which makes the mcu application system have strong function high ratio of performance to price and totally satisfy the requirement of control function then this article designs the circuitries of the infrared sensor the collision detecting the power supply the recharge module the keyboard the liquid crystal display as well as the various motor and etc in the software design aspect the soft ware of the mcu based on c51 language has been designed according to the control strategy includes the main controlling program and also realizes the clock setting the keyboard interrupt service subprogram and the detection procedures of infrared and collision sensors finally we build a mobile room cleaning robot by using the design outcome and experimentize the result indicates that the cleaning robot can finish the cleaning of room at last and comply with the design requirement keywords cleaning robot intelligent control mcu system 室内智能清洁机器人控制系统设计 i 目 录 摘 要 abstract 第一章 绪 论 1 1 1 选题背景 目的与意义 1 1 1 1 机器人技术概述 1 1 1 2 服务机器人出现原因 2 1 1 3 清洁机器人特点 3 1 2 国内外研究发展现状与趋势 4 1 2 1 国外研究发展现状 4 1 2 2 国内研究发展现状 6 1 2 3 关键技术与发展趋势 7 1 3 本文的主要工作内容 9 第二章 清洁机器人的总体设计 11 2 1 清洁机器人硬件总体设计 11 2 1 1 清洁机器人本体硬件结构 12 2 1 2 清洁机器人充电站硬件结构 14 2 2 清洁机器人软件总体设计 15 2 3 开发工具与方法介绍 17 2 3 1 proteus 介绍 17 2 3 2 keilc51 介绍 19 2 4 本章小结 20 第三章 清洁机器人硬件电路设计 21 3 1 单片机系统电路设计 21 3 1 1 时钟电路 22 3 1 2 复位电路 22 3 2 电源转换电路设计 22 3 2 1 dc 5v 电源电路 22 3 2 2 dc 9v 电源电路 23 3 2 3 总电源转换电路 24 3 3 直流电机驱动电路设计 25 3 3 1 左右轮电机驱动电路 25 室内智能清洁机器人控制系统设计 ii 3 3 2 清洁机构电机驱动电路 26 3 4 传感器电路设计 27 3 4 1 传感器布局 27 3 4 2 红外线避障传感器 28 3 4 3 红外台阶检测传感器 30 3 4 4 碰撞传感器 31 3 4 5 霍尔传感器 32 3 4 6 多传感器信息融合 33 3 5 电池电压监测电路设计 33 3 5 1 电压信号转换电路 34 3 5 2 a d 采样电路 36 3 6 输入输出部分电路设计 37 3 6 1 键盘输入电路 37 3 6 2 液晶显示模块电路 38 3 6 3 状态指示灯和蜂鸣器电路 39 3 7 本章小结 39 第四章 清洁机器人软件程序设计 40 4 1 单片机系统控制程序 40 4 1 1 时钟与设置程序 40 4 1 2 液晶显示程序 41 4 1 3 片内 eeprom 读写程序 43 4 2 驱动电机控制程序 43 4 2 1 电机正反转控制 43 4 2 2 电机转速控制 44 4 2 3 电机反馈控制 46 4 3 避障处理 46 4 3 1 未知环境探测 46 4 3 2 实时避障方法的实现 47 4 4 路径规划 49 4 4 1 路径规划概述 49 4 4 2 常用的几种方法 50 4 4 3 四种实用算法的实现 53 4 4 4 往复式与内螺旋式性能分析 55 室内智能清洁机器人控制系统设计 iii 4 5 本章小结 58 第五章 自动充电技术研究 59 5 1 自主充电技术概述 59 5 1 1 自主充电的目的 59 5 1 2 自主充电对接方式分类 60 5 2 机器人自动充电技术发展现状 60 5 2 1 接触式充电技术发展现状 60 5 2 2 非接触式感应充电介绍 61 5 3 自动充电系统具体设计 62 5 3 1 自动充电总体方案 62 5 3 2 电池电压监控 62 5 3 3 红外发射电路 63 5 3 4 红外接收电路 64 5 3 5 电池充电电路 65 5 3 6 充电电源检测 67 5 3 7 充电站控制 68 5 4 自动充电系统软件设计 69 5 5 本章小结 70 第六章 经济技术分析 71 6 1 市场现有产品分析 71 6 2 项目成果直接经济效益分析 72 6 3 市场前景分析 73 第七章 结论与展望 74 7 1 结论 74 7 2 展望 74 参考文献 76 致 谢 78 附录 1 控制系统总电路图 79 附录 2 各模块 pcb 图 80 附录 3 源程序清单 84 声 明 110 室内智能清洁机器人控制系统设计 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 选题背景 目的与意义 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 实现室内地面环 境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 研究人员重视 作为智能移动机器人的一个特殊应用 从技术方面讲 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 融合现代传感器以及机器人领域的关键技术 本课题旨在开发一部价格便宜 全区域覆盖 能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人 使它可以 替代传统的家庭人工清扫方式 使家庭生活电气化 智能化 使科技更好地为人类 服务 1 1 11 1 1 机器人技术概述 自 50 年代第一台机器人装置在美国诞生以来 机器人的发展经历了一个从低 级到高级的发展过程 第一代机器人是示教再现型工业机器人 它们装有记忆存储 器 由人将作业的各种要求示范给机器人 使之记住操作的程序和要领 当它接到 再现命令时 则自主地模仿示范的动作作业 第二代机器人是装有小型计算机和传 感器的离散编程的工业机器人 它能感知外界信息并进行 思维 它比第一代机 器人更灵活 更能适应环境变化的需求 第三代机器人是智能机器人 它不但有第 二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力 而且能充分识别工作对象和工作环 境 并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作 是人工 智能发展到高级阶段的产物 也是当今机器人发展的重点和热点 1 机器人按照智能化程度的高低 可以分为外部受控机器人 半自主机器人和全 自主机器人 外部受控机器人的本体没有智能单元 只有执行机构和感应机构 它 受控于外部计算机 在外部计算机上具有智能处理单元 处理由受控机器人采集的 各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息 然后发出控制指令指挥机器人 的动作 半自主机器人具有了部分处理和决策功能 能够独立地实现一些诸如轨迹 室内智能清洁机器人控制系统设计 2 规划 简单的避障等功能 但是还要受到外部的控制 全自主机器人的本体上具有 感知 处理 决策 执行等模块 可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问 题 全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性 自主性是指它可 以在一定的环境中 不依赖任何外部控制 完全自主地执行一定的任务 适应性是 指它可以实时识别和测量周围的物体 根据环境的变化 调节自身的参数 调整动 作策略以及处理紧急情况 交互性也是自主机器人的一个重要特点 机器人可以与 人 与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流 全自主移动机器人涉及诸 如驱动器控制 传感器数据融合 图像处理 模式识别 神经网络等许多方面的研 究 随着机器人技术的发展 机器人的用途越来越广 开始从传统的工业领域 向 军事 公安 医疗 服务等领域渗透 与此同时 机器人的概念也越来越宽 己从 狭义的机器人 开始向机器人技术扩展 对于己经相当成熟的工业机器人来说 服务机器人是近年来出现机器人学的一 个新领域 包括清洁机器人在内的各种可以直接或者间接为人类服务的机器人都属 于服务机器人的范畴 由于服务机器人涉及的领域很广泛 因此到目前为止国际上 对服务机器人也还没有一个权威的定义 国际机器人联合会对服务机器人给出的一 个初步定义为 服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人 它能够完成有 益于人类健康的服务工作 但不包括从事生产的设备 德国生产技术与自动化研 究所对服务机器人给出的定义则为 服务机器人是一种可以全自主或者半自主地为 人类或者设备提供有用服务的机器人 中华人民共和国国务院发布的 国家中长 期科学和技术发展规划纲要 对服务机器人的定义为 智能服务机器人是在非结 构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备 由于服务机器人 与普通公众关系密切 最近越来越受到人们的关注 并已经成为一个研究热点 1 1 21 1 2 服务机器人出现原因 以往的服务机器人的研究和开发主要在大学和研究所中进行 目前 越来越受 到企业和商业界的重视 这主要是其所具有广大市场和巨大利润所致 服务机器人 的出现主要有以下几个原因 2 第一 由于劳动力成本的上升 人们希望能由低成本的服务机器人来替代人工 进行长时间高效率地工作 第二 需要服务机器人替代人类从事危险的工作 机器人可以检修危险的工业 室内智能清洁机器人控制系统设计 3 设备 处理各种危险物品 巡查核设施以及偏远地区的输油管道 而在安防系统及 搜救行动中 机器人更能充当起关键角色 第三 需要服务机器人来照顾老龄人和残疾人 联合国统计预测显示 目前全 球老龄人口总数已达 6 29 亿 到 2050 年 60 岁以上的老龄人口总数将近 20 亿 占总 21 目前 中国 60 岁以上老年人口己达 1 43 亿 占总人口的 n 2020 年 将占 17 2 2050 年总量将超过四亿 将占 31 据国际残疾人机构统计 全世界 约有 5 亿多残疾人 据 2006 年我国残疾人调查数据显示 我国残疾人占全国总人 口的比例为 6 34 随着老龄人口的比例上升和残疾人数的增多 更多的老人和残 疾人需要照顾 社会保障和服务的需求也更加紧迫 这就需要大量的陪护机器人来 帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活 甚至协助医生进行远程监护 诊断并治 疗 第四 随着社会进步以及对个性生活价值观的变化 随着信息高速发展和生活 工作节奏的加快 人们需要从繁杂的家庭劳动中解脱出来 腾出更多的时间来做更 有意义的事情 第五 由于生活节奏的加快和工作的压力 也使得年轻人没有更多时间陪伴自 己的孩子 而且中国多年的计划生育政策之后 己经形成了人口倒金字塔结构 使 得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子 家庭护理机器人 玩具机器人 安控机器 人也成为当前社会的需要 第六 随着网络家电 数字家庭的普及 市场迫切需要智能机器人来管理家庭 以及辅助安排家庭日常生活 1 1 31 1 3 清洁机器人特点 吸尘式清洁机器人一般具有如下的特点 2 1 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 所以环境适应性是对 此类机器人的基本要求 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 考虑到安全因素 室内智能清洁机器人控制系统设计 4 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 我保护的能力 1 21 2 国内外研究发展现状与趋势 1 2 11 2 1 国外研究发展现状 国际上 目前在美国 日本 韩国 欧洲等地的许多公司如伊莱克斯 日立 松下 三星等世界著名公司都已开发出智能吸尘机器人 如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器 roomba 伊莱克斯公司的三叶虫清洁机器人 德国 k rcher 凯驰 公司的 rc3000 清洁机器人等 德国 k rcher 公司生产的 rc3000 图 1 1 是世界上第一台能够自行完成所有家 庭地面清洁工作的清洁机器人 它只有 50 厘米长 能够自动清扫地面 自动返回 充电站充电 可以在主人外出时独立完成家庭清洁的任务 其扁平的设计使其能够 清洁床 沙发 茶几等家具的下部位置 它的移动是随机的 当遇到障碍时 随机 改变一个角度 然后继续直走 直到遇到新的障碍物 它内置四种清洁程序 根据 清扫面积的大小 可以选择合适的程序 内置光敏传感器 在遇到楼梯与台阶时 能够自动避让 不会跌落 图 1 1 rc300 和充电站 2001 年 11 月著名的家电厂商伊莱克斯在英国推出了吸尘器 三叶虫 如图 1 2 所示 它的高度为 13mm 直径为 35mm 能够自由穿梭清扫 自行设计最佳 室内智能清洁机器人控制系统设计 5 行走路线 它使用超声波探测器 可以敏捷迅速地觉察出障碍物并绕开 三叶虫 可分三个档位进行工作 正常 快速和点清理 吸尘器充满垃圾时还会发出灯光警 告 为了限制 三叶虫 的活动范围 用户需要在楼梯间或其它没有天然障碍物的 地方 贴上特制的可粘式磁带 三叶虫 是由可充电电池驱动的 每次充电后可 以运行 60 分钟左右 电量不足时能自动返回充电卡座充电 图 1 2 伊莱克斯的 三叶虫 由美国某学院人工智能实验室开发的智慧型自动吸尘器 roomba 图 1 3 运 用人工智能运转与导航侦测技术 聪明地打扫每一寸地板 搭配独有的真空吸孔与 旋转刷 清洁效果特别好 roomba 清洁机器人被美国 time 评选为 2002 年最酷的 发明之一 只要按下开关 roomba 就会全自动在指定区域吸尘打扫 碰到障碍物会 自动转向 遇到楼梯也会自动侦测不会掉下去 特殊的真空吸孔 旋转刷与旋转边 刷设计 无论是地毯或地板 清洁都很方便 高度仅有 10 cm 直径 34 cm 的 roomba 可以轻松钻进床底或沙发底下进行打扫 roomba 的运转模式是以数学运算理念设 计运行路线 当 roomba 启动之后 会循螺旋状路线运转 以渐渐扩大的螺旋形运转 方式来涵盖空间 一旦碰触到墙壁或家俱等大型障碍物时 其特殊的障碍物感应调 节器会抵住墙面保护机身不受损伤 roomba 就会沿着墙壁或家俱前进 这时体侧 边的毛刷就会将墙角或是家俱边缘的脏污灰尘碎屑扫入吸尘器内 沿着墙壁或家俱 清扫过一部分空间之后 roomba 会转个 90 方向并依以上的路线清扫房间的另一 室内智能清洁机器人控制系统设计 6 头 如此交叉重复 螺旋运转的路线可以来来回回吸遍房间 清扫完毕即自动停止 这个仅重 2 5 kg 采用充电方式的吸尘器方便实用 售价仅为 200 美元 3 另外同 为 irobot 公司产品的 dirt dog 也已在欧美已经上市 图 1 3 irobot 公司的 roomba 和 dirt dog 1 2 21 2 2 国内研究发展现状 在国内 哈尔滨工业大学 华南理工大学 浙江大学 上海交通大学等单位也 对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果 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 技术的研究则更多 这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术 基础 哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的研究 与香港中文大学合作 联合研制开发出一种全方位移动清洁机器人 这种机器人采用全方位轮实现任意方 向的移动 具有实时避障的功能 开放式机器人的控制结构 实现了硬件可扩展 软件可移植的功能 提高了机器人的适应性 浙江大学于 1999 年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的 研究 两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人 这种智能吸尘 机器人工作时 首先进行环境学习 利用超声波传感器测距 与墙保持一定距离行 走 在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息 从而决定清扫时间 之后 利用 随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径 清扫结束以后 自行回到 室内智能清洁机器人控制系统设计 7 充电座 补充电力 图 1 4 kv8 清洁机器人 左 和保时洁公司的清洁机器人 右 近期国内市场上推出一款保洁机器人 kv8 图 1 4 左 价格便宜 可以自动 清扫 防止楼梯跌落 通过配置虚拟发射器可以限制清扫的范围 但它没有配备充 电站 需要人工充电 同时清扫是随机的 还有性能比 kv8 有较大提升的保时洁 公司的清洁机器人 图 1 4 右 但价格也比 kv8 高了很多 1 2 31 2 3 关键技术与发展趋势 随着近年来计算机技术 人工智能技术 传感技术以及移动机器人技术的迅速 发展 清洁机器人控制系统的研究和开发己具备了坚实的基础和良好的发展前景 目前发展较快 对清洁机器人发展影响较大的关键技术是 多传感器信息融合 自 动充电技术和定位及路径规划技术 3 1 多传感器信息融合 对于处在非结构化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 这些信息彼此之间相互独立或关联 甚至会出现彼此矛盾况 信息融合就是协同使用多种传感器并将各种传感器信息有效地结合起来 形成高性 能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程 迄今为比 没有任何一种传感器能 够完全满足可靠性 高稳定性 高精度和低成本的要求 由此 我们可以通过融合 处理综合分析来自各个传感器的信息 利用各种传感器性能上的差异与互补性 获 取有效 可靠 完整的信息 采用这种方法 即使各个传感器所提供的信息有一定 室内智能清洁机器人控制系统设计 8 的误差和不确定性 但通过对它们提供的信息进行有效的综合 仍可以获取比任何 单一传感器信息更可靠 更完整的融合结果 因此多传感器信息融合技术在吸尘机 器人的开发上具有很大的应用价值 清洁机器人的多传感器信息融合的思想就是 构建多传感器系统 充分利用多 个传感器资源 通过对这些传感器及其检测信息的合理支配和使用 把多个传感器 的冗余或互补信息依据某种准则来组合 以获得障碍物信息的一致性解释或描述 进行融合的基本目标是通过数据组合 推导出更多的障碍物信息 利用多个传感器 共同或联合操作的优势 提高传感器系统的有效性 使该信息系统由此获得比其它 的各组成部分的单传感器更优越的性能 清洁机器人上利用多传感器信息融合有以 下 4 个方面的优点 提高系统的可靠性 提高处理速度 提高完整描述环境的能力 和降低清洁机器人信息获取成本 4 6 2 自动充电技术 目前 移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电 但是 一般只能维持几个小时 一旦电能耗尽 必须采用人工干预的方式来给机器人充电 如果采用人工充电 那么机器人就处于一种非连续的任务环 这阻碍了机器人的长 期自治 如果要实现真正意义上的长期自治 机器人必须能在所处的环境中实现自 我支持 实现连续任务环 机器人连续任务环被简单地定义为使机器人以自主充电 的方式来继续完成它所分配到的任务 一旦开始运行 机器人便进入连续任务环 即不再需要人的帮助 在此系统中 启动和停止是由机器人自动完成的 总之 随着移动机器人的应用越来越广泛 人们对移动机器人能实现长期值守 延长自治时间以及增加活动范围等功能的要求越来越高 故而其补充动力能源成为 了一个亟待解决的问题 由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高品质 的机载蓄电池组 如何让机器人在无人工干预环境下安全可靠 快速高效地实现自 动充电是实现机器人长期自治的一项关键技术 7 3 定位及路径规划 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法 随机工作方式和随机加局部遍历规划方式 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 显然这种方式效率不高 而随机加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 室内智能清洁机器人控制系统设计 9 低 但覆盖率较高 重复率较低 机器人路径规划研究开始于 20 世纪 70 年代 目前对这一问题研究仍旧十分活 跃 清洁机器人的路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息 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 并且实现所需清 扫区域的合理完全路径覆盖 其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结 构化环境 动态确定环境和动态不确定环境 按机器人获取环境信息的方式不同可 以分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划 8 13 综上所述 全自主智能清洁机器人具有广阔的市场前景 虽然在这方面的研究 己经取得了很大进步 进入了实用阶段 并且有很多样机和产品已经产生 但它们 仍有很多的问题需解决 比如自主能力 工作效率等还不够理想 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 但能识别周围物体 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 在此础上 自主清洁机器人将来 的发展趋势将可以向着高度智能化 多功能集成 低成本的方向发展 1 31 3 本文的主要工作内容 本文主要内容是开发一个自主清洁机器人 主要完成了控制部分软硬件的设 计 其中包括硬件控制电路的设计 实验电路板的制作以及相应的软件程序的编制 调试 并在开发过程中 对未知环境中清洁机器人的自动充电 路径规划等问题进 行了研究 主要内容安排如下 第一章 阐述了智能清洁机器人的相关概念 分析了清洁机器人国内外的研究 动态和发展趋势 提出了课题的研究背景 意义和主要内容 第二章 对清洁机器人的总体设计进行了说明 包括整个机电系统的结构组成 和工作原理以及控制系统软硬件的设计 第三章 对清洁机器人的硬件控制电路进行了详细的设计 包括单片机系统 传感器器系统 电机驱动电路和检测电路系统等 室内智能清洁机器人控制系统设计 10 第四章 对清洁机器人的软件程序设计进行了详细说明 并对路径规划问题进 行了研究 第五章 研究了清洁机器人自动充电技术 提出了一种实现室内机器人自动充 电的简便方法 并对相关的软硬件进行了设计 第六章 对清洁机器人产品作经济技术分析 分析了市场上现有的几种产品 并于本文设计的实验机器人进行对比 第七章 对全文进行总结 并提出展望 室内智能清洁机器人控制系统设计 11 第二章第二章 清洁机器人的总体设计清洁机器人的总体设计 2 12 1 清洁机器人硬件总体设计 家用智能清洁机器人系统由机器人和充电基站两部分组成 机器人主要负责清 扫地面 同时具有自动清扫 遥控控制 自动避障 检测台阶和楼梯 自动返回充 电站充电 定时工作 过流检测等功能 基站主要负责与机器人的红外通讯 发射 召回信号 对机器人进行充电 这两部分协调工作 保障了机器人系统的自主运作 实现在无人看管下情况可以长期工作 本文设计的清洁机器人 图 2 1 是在 v bot 的 trv 10 清洁机器人吸尘器的基础上加以研究 图 2 1 清洁机器人总体结构 清洁机器人采用轮式差速转向行走机构 如图 2 2 所示 在机器人的左 右 室内智能清洁机器人控制系统设计 12 轮上分别装上两个独立的驱动电机 分别控制左右轮的速度 通过左右轮的速度差 来实现机器人的转向 在这种情况下 前面的非驱动轮 随动轮 应为万向自由轮 随转向而改变 图 2 2 行走机构示意图 按照上述的行走结构 清洁机器人采用两直流电动机独立驱动左右两轮的差动 方式 控制简单 精确 易于实现 可以方便地实现吸尘清洁机器人的前进 左转 右转 后退 以及调头等功能 理论上可以使清洁机器人能够在任意半径下 以任 意速度实现转弯 甚至可以实现零转弯半径 即绕轴中点原地旋转 2 1 1 2 1 1 清洁机器人本体硬件结构 机器人本体硬件结构主要由以下几部分组成 控制器 单片机 电机驱动器 传感器 状态设置按钮 状态显示器 工作状态检测与电源模块等 这几个模块在 单片机的控制下 相互协调工作 保证了清洁机器人各种功能的实现 可模块间关 系具体如图 2 3 所示 室内智能清洁机器人控制系统设计 13 图 2 3 清洁机器人硬件系统结构框图 各模块的主要组成与功能叙述如下 1 控制器 单片机 主要由单片机 stc89c52rc 组成 它的主要功能是完 成主控程序与其它各模块的接口 是程序运行的载体并实现对整个机器人的控制 2 电机驱动器 主要由驱动电机驱动器 毛刷电机驱动器和吸尘电机驱动器 组成 其中驱动电机驱动左右行走轮从而带动清洁机器人的运动 毛刷电机和吸尘 电机负责清洁除尘工作 3 传感器 主要由红外避障传感器 红外防跌落传感器 自寻充电站用的调 频红外传感器 碰撞传感以及霍尔速度传感器组成 这些传感器用来表示机器人的 所处状态与运动情况 4 状态设置按钮 主要负责机器人的起 停 工作状态设置等功能 5 工作状态显示器 主要用于显示机器人当前工作状态 6 工作状态检测 主要用 ad 检测电池电压 充电时充满检测和过流异常检 测等 通过这些检测保证机器人正常工作 7 电源模块 将镍氢电池的 24 4v 电压装换为稳定的 5v 9v 等电压供单片 机 传感器以及其它模块使用 室内智能清洁机器人控制系统设计 14 2 1 22 1 2 清洁机器人充电站硬件结构 清洁机器人充电基站的硬件系统组成如图 2 4 所示 机器人用 12 节 1 2v 2400mah 的 ni mh 镍氢 可充电电池供电 在清洁机器人后端有正负两个金属 充电电极 在充电站上有两片平行金属片插座 当充电电极与金属片接触上即可进 行充电 在清洁机器人的左侧和后端装备有两个调频红外接收器 每个可以接收到 90 度范围内的红外信号 设定清洁机器人在自主寻找充电站时延顺时针方向行进 则其上左侧的调频红外传感器将先检测到信号 然后机器人顺时针旋转 90 度 则 其后端的传感器将检测到信号 并靠向充电站直至机器人上的充电电极与充电站上 的充电端子接触上 由于机器人运动存在误差 在靠向充电站的过程中需要一个复 杂的自适应调整过程 图 2 4 充电站硬件系统组成示意图 具体地 充电站硬件结构主要由 3 个部分组成 充电器模块 充电站控制器 调频红外线发射器 1 充电器模块 充电站的供电电源是 220v 交流电 供电模块的作用在于 将 220v 的交流电转换为供给电池充电之用的 24v 直流电 供给整个系统的 5v 直 流电 2 充电站控制器 用于控制充电站 当机器人充电电极与充电站充电端子 室内智能清洁机器人控制系统设计 15 接触上在进行充电时 关闭调频红外发射器以节约能源 同时也延长了红外发射管 的使用使用寿命 3 调频红外线发射器 产生一个大约 1khz 的调频红外波 用于为清洁机 器人导向 引导其准确就位充电 2 22 2 清洁机器人软件总体设计 整个系统基本上可以分成以下几个部分的任务 1 控制边毛刷电机 吸尘电机 三个电机同时控制 边毛刷电机和吸尘电机可以同时控制 需要清洁机器人开始清扫工作的时候 三个电机就开始同时工作 停止清扫的时候 三个电机就同时停止 目前实验阶段 电机都采用的恒速 不用对速度进行调节 以后可以考虑通过调节吸尘电机的转速 来改变吸力的大小 另外 当边毛刷电机被线等物体缠住不能转动时 判断为故障 停止工作 这部分功能采用子程序来实现 2 检测台阶防止坠落 三个传感器相或后只占用一个 i o 口 清洁机器人底部的台阶检测红外传感器如果检测到台阶 则要求机器人强行后 退 然后采用右手法则 向右转弯 这三个传感器分别放置在前方 左前和右前 只要其中的一个或几个检测到台阶都做同样的处理 所以对这三个信号做或运算后 用单片机的一个 1 0 来接收 这部分实时性要求高 所以采用中断来实现 3 探测机器人周遍障碍物情况 相互独立 占用 6 个 i o 口 在机器人前后左右各有一反射式红外传感器 在前端另有两个碰撞传感器 因 为行进过程中要对障碍物的位置做出初步的判断 然后采取相应的处理 所以这六 个信号是相互独立的 这部分用子程序来实现 4 控制机器人左右电机行走 通过 pwm 子程序可以按要求控制电机的转速 并通过霍尔传感器反馈电机转 角 并编写后退 右转 90 度 左转 180 度 右转 180 度这些常用的功能子程序 5 键盘功能管理 需要对键盘进行软件去抖动 6 lcd 显示和 led 显示 设置时通过 lcd 显示相应信息提示和时间等 用发光二极管指示机器人相应 的状态 室内智能清洁机器人控制系统设计 16 7 充电控制 通过 a d 检测电池电压 当电池电压低于一定值时启动寻找充电站子程序 电池充上电后 监测电压防止过充电 8 控制警报音起停 当机器人运行过程中出现重大故障时 开警报音进行人工干预 图 2 5 主程序流程图图 图 2 6 中断服务程序流程图 室内智能清洁机器人控制系统设计 17 以上的每个任务都对应个几个子程序或中断程序 整个系统的流程图如图 2 5 所示 其中障碍检测 按键 电压检测等都采用了分时查询的方式 台阶检测和大 部分延时程序采用了中断的方式 这样合理利用资源的同时也提高了机器人的响应 时间 状态初始化部分主要为 stc89c52 的系统初始化以及使用到的各个外设模块 等资源的工作模式设定 包括初始化数据读取 开定时器和外部中断等 当定时时间到或检测到台阶时 进入中断程序 具体流程如图 2 6 所示 2 32 3 开发工具与方法介绍 清洁机器人的开发设计使用 proteus 和 keil 这两个软件 其中使用 proteus isis 进行硬件电路设计和仿真 使用 proteus ares 进行 pcb 实验板设计 使用 keil c51 uvision2 进行单片机程序编写和调试 使用 stc isp 软件对单片机进行程序烧写 其中 proteus 和 keil 可以经过设置进行联合调试 这样通过这几个软件可以完成从 电路设计仿真到程序编写调试 最后再到 pcb 制版制作实物整个开发过程 pcb 电路板的制作采用热转印法 2 3 12 3 1 proteus 介绍 proteus 包括 proteus isis 和 proteus ares 两部分 前者用于电路设计和仿真 后者用于 pcb 版设计 1 proteus isis proteus isis 是英国 lab center 公司开发的电路分析与实物仿真软件 它运行于 windows 操作系统上 其界面如图 2 7 所示 它可以仿真 分析 spice 各种模拟 器件和集成电路 该软件的特点是 1 实现了单片机仿真和 spice 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电 路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 rs232 动态仿真 i2c 调试器 spi 调试器 键盘和 lcd 系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分 析仪 信号发生器等 2 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 avr 系列 pic12 系列 pic16 系列 pic18 系列 z80 系列 hc11 系列 以及各种外围芯片 室内智能清洁机器人控制系统设计 18 3 提供软件调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试 功能 同时可以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如 keil c51 uvision2 等软件 4 具有强大的原理图绘制功能 总之 该软件是一款集单片机和 spice 分析 于一身的仿真软件 功能极其强大 proteus 与其它单片机仿真软件不同的是 它不仅能仿真单片机 cpu 的工作情 况 也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况 因此在仿 真和程序调试时 关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改 变 而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果 对于这样的仿真 实验 从某种意义上讲 是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象 图 2 7 proteus isis 界面 2 proteus ares ares 的英文全称为 advanced routing and editing software 即高级布线和编 辑软件 是 proteus 的重要组成部分 它的主要功能是完成 pcb 制版的相关设 室内智能清洁机器人控制系统设计 19 计工作 包括网络表的导入 元件的布局 布线 输出光绘文件 gerber 文件 等 其界面如图 2 8 所示 图 2 8 proteus ares 界面 2 3 22 3 2 keilc51 介绍 keil c51 是美国 keil software 公司出品的 51 系列兼容单片机 c 语言软件开发 系统 与汇编相比 c 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 其界面如图 2 9 所示 keil c51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 windows 界面 另外重要的一点 keil c51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成 的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 c51 工具包的整体结构 其中 uvision 2 是 c51 for windows 的集成开发环境 ide 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开发流程 开发人员可用 ide 本身或其它编辑器编辑 c 或汇编源文件 然后分别由 c51 及 a51 编译器编译 生成目标文件 obj 目标文件可由 lib51 创建生成库文件 也可以与库文件一起 经 l51 连接定位生成绝对目标文件 abs abs 文件由 oh51 转换成标准的 hex 室内智能清洁机器人控制系统设计 20 文件 以供调试器 dscope51 或 tscope51 使用进行源代码级调试 也可由仿真器使 用直接对目标板进行调试 也可以直接写入程序存贮器如 eprom 中 本设计直接 将生成的 hex 文件通过 stc isp 烧写软件将程序烧入单片机中进行调试 图 2 9 keil c51 uvision2 界面 2 4 2 4 本章小结 本章对清洁机器人的总体硬件和软件组成作了介绍 并对 proteus 和 keil 这两个开发工具和方法也作了介绍 室内智能清洁机器人控制系统设计 21 第三章第三章 清洁机器人硬件电路设计清洁机器人硬件电路设计 本章将对清洁机器人系统硬件情况进行详细介绍 着重介绍微处理器基本电路 设计 电源供电电路设计 传感器应用电路设计 电机驱动电路设计和充电电路设 计等 3 13 1 单片机系统电路设计 本设计选用深圳宏晶科技的 stc89c52rc 单片机 该单片机与普通 51 系列单 片机兼容 但抗干扰能力强 驱动能力强 速度快 功耗低 性能上优于普通 51 52 单片机 同时该单片机还自带 eeprom 和看门狗 比较适合工程实际应用 p17 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p17 p10 p11 p12 p13 p14 p15 p16 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 p20 p21 p22 p23 p24 p25 p26 p27 p30 p31 p32 p33 p34 p35 p36 p37 p00 p01 p02 p03 p04 p05 p06 p07 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0 0 ad0 39 p0 1 ad1 38 p0 2 ad2 37 p0 3 ad3 36 p0 4 ad4 35 p0 5 ad5 34 p0 6 ad6 33 p0 7 ad7 32 p1 0 t2 1 p1 1 t2ex 2 p1 2 3 p1 3 4 p1 4 5 p1 5 6 p1 6 7 p1 7 8 p3 0 rxd 10 p3 1 txd 11 p3 2 int0 12 p3 3 int1 13 p3 4 t0 14 p3 7 rd 17 p3 6 wr 16 p3 5 t1 15 p2 7 a15 28 p2 0 a8 21 p2 1 a9 22 p2 2 a10 23 p2 3 a11 24 p2 4 a12 25 p2 5 a13 26 p2 6 a14 27 u1 stc89c52 c1 30pf c3 10uf x1 12mhz vcc c2 30pf gnd vcc gnd r2 1k r1 1k 1 2 j1 tblock 2 1 2 3 4 5 6 7 8 p0 conn 8 1 2 3 4 5 6 7 8 p2 conn 8 1 2 3 4 5 6 7 8 p3 conn 8 1 2 3 4 5 6 7 8 p1 conn 8 2 3 4 5 6 7 8 9 1 rp1 respack 8 vcc vcc gnd c4 10uf c5 104 b1 button 图 3 1 单片机最小系统电路 室内智能清洁机器人控制系统设计 22 stc89c52 单片机的最小系统电路如图 3 1 所示 有时钟电路 复位电路 供 电电路和接口几部分组成 其中为 p0 口加上拉电阻 增强其驱动能力 供电部分 通过一对电容滤除杂波加强电源质量 3 1 13 1 1 时钟电路 stc89c52 单片机的时钟可以选用外部时钟和内部时钟两种方式 本系统采用 内部时钟