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版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 自动保洁车自动保洁车 摘要 本设计以 AT89S52 单片机为保洁车的检测和控制核心 采用鼠标和磁场传感器定位 超声波探测环境 红外线传感器检测路面情况和接近障碍物程度 金属传感器检测薄铁片 PWM 技术控制电机的转速 H 型驱动电路控制电机的转向 实现了定时 声控启动 自动 避障 路径记忆 自动充电 检测到房间所有铁片 并在 LCD 上显示铁片坐标位置和总数 量等功能 一 方案选择与论证 一 方案选择与论证 1 电机驱动模块 方案一 采用大功率三极管组成的 PWM 和 H 型电机驱动电路这种电路工作在管子的饱和 或截止状态下 效率高 有利于节省能源 但是焊接硬件电路比较麻烦 降低了稳定性 电 路图如 A 1 1 所示 由单片机产生 PWM 信号 经光偶隔离后 通过调整其占空比对电动机 转速进行调节 必要时来切换电机的正反转 由于单片机复位时 P 口都被置 1 使三极管同 时导通 造成短路 我们用数字电路设计了一个简单的逻辑控制电路来实现该现象的发生 如图 A 1 2 图 A 1 1 图 A 1 2 方案二 小车电机以专用电机控制芯片来驱动 用单片机口线接控制引脚 即可控制电机正 反转 制动 调速等功能 电机控制芯片选用 L298 来实现 电路简单易行 考虑到电机运行的稳定性 我们选用了方案二 2 路面检测 避障模块 路面探测实际上就是检测房间的黑胶带 探测路面黑胶带的基本原理是 光线照射到路面并 反射 由于黑胶带和白纸对光的反射系数不同 所以可以反射光的强弱来判断黑胶带 方案一 可使用 CCD 摄像头进行图象采集和识别方法 对路面和障碍物的信息处理准确 但是不适用在小体积系统使用 并且还涉及图象采集 图象识别等领域 设计难度大 方案二 电容式接近传感器 基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化 精度难以达到 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 要求 方案三 超声波传感器 根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测障碍物的接 近程度 但探测近距离 小于 20cm 不准 方案四 红外反射式光电传感器 它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作 接收器的固态光敏二极管 或光敏三极管 根据使用场合的具体情况 传感器要感知的对象 是物体的有无和物体的接近程度 与精确的测距系统有相似之处 但又有不同 只要求判断出 简单的阈值或提供远 近分档的距离 因此使用较简单的接近传感器实现保洁车的黑胶带检 测和避障是有依据可循的并且是可行的 红外反射式光传感器特性与工作原理反射式光电传 感器的光源有多种 常用的有红外发光二极管 普通发光二极管 以及激光二极管 前两种光源 容易受到外界光源的干扰 而激光二极管发出的光的频率较集中 传感器只接收很窄的频率范 围信号 不容易被干扰但价格较贵 理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光 源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测 然而这是一种理想的结果 因为光的 反射受到多种因素的影响 如反射表面的形状 颜色 光洁度 日光 日光灯照射等不确定因 素 如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号 所以我们加了交流调制信号 可大幅度地减少外界干扰 如图 A 1 3 图 A 1 3 图 A 1 4 光强度响应曲线 最终 我们选用了方案四 3 环境侦察 构造地图及定位模块 方案一 可使用 CCD 摄像头进行图象采集和识别方法 使用全维立体视觉作为外部传感 器 通过锥形镜和摄像机 生成保洁车周围环境的全景图 信息处理准确 但是不适用在小体 积系统使用 并且还涉及图象采集 图象识别等领域 设计难度大 方案二 超声波传感器测量保洁车工作环境中障碍物的距离信息和地图构造 其角度分辨 率太低 约为 25 左右 旁波较大 需要消耗过多的数据后处理时间 方案三 毫米波雷达技术在室内保洁车的障碍检测 地图生成和导航方面具有很大的潜力 但缺点是成本太高 方案四 激光测距器由于在距离范围和方向上具有较高的精确度 在保洁车的定位和地图生 成中最有吸引力的传感器 方案五 鼠标定位 在一定的环境中还是比较精确 但是 环境稍有变化 定位就会不准确 方案六 采用电子指南针确定保洁车转弯时的旋转角度 在车轮上装光电码盘 计算保洁车 行使的路程 实现保洁车的定位 限于实验室条件和设计难度 我们采用超声波传感器侦察环境 构造地图 电子指南针确定 角度 车轮上装光电码盘计算相对位移 实现保洁车的定位 4 温度检测 为了适应各种环境 超声波在空气中的传播速度是随温度的变化而变化的 所以我们装了温 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 度检测 用来修正超声波在空气中的传播速度 方案一 采用传统的温度传感器 AD590 还需将模拟量转化为数字量 让单片机来识别 方案二 采用可编程数字温度计 18B20 9 到 12 位 硬件电路简单 精度较高 我们选用方案二 5 铁片检测 在车头放置一个金属接近开关 保洁车经过铁片会分别给单片机一个下降沿和一个上升沿脉 冲 接近开关亦称无接触开关 无触点行程开关 它由振荡器和整形放大器组成 振荡器起 振后在开关的感应头上产生一个交变的磁场 当金属体接近感应区时 在金属体内产生涡流 从而吸收了振荡器的能量 使振荡器停振 由整形放大转换成电信号 从而达到检测的目的 6 电源管理 电源管理系统 该系统完成电量显示 欠压提醒 和自动充电等 方案一 采用 MAX813 做电源监控管理 芯片如图图 A 1 5 所示 当电源电压低于限值 4 65V 时 MAX813L 的第 7 脚产生复位输出 我们将电机电源分压处理后接到 MAX813 上 由于 电机在启动时 电压有可能突然下降造成第 7 脚产生复位信号 所以 只有检测到多个复位 信号后 才确定是电量不足 但是此种方案不能显示具体电量 图 A 1 5 方案二 采用 DA 转换和电压比较器 用 DA 芯片设定一个电压值作为欠压提醒的基准 接 在比较器的一端 另一端接电源分压后的电压 当电量不足时 比较器会输出一个跳变 此 方案同样不能显示 同时硬件也比较复杂 方案三 采用 AD 转换 将电源分压后送入 AD 芯片 在单片机内比较 若低于设定的电压 单片机输出提醒信号 同时将电量的大小传输到主单片机 LCD 上显示 此方案能完成电量 显示和欠压提醒 我们选用了方案三 7 语音识别启动 方案一 采用专用的语音识别芯片 语音识别专用芯片系统以 8 位微控制器 MCU 核心 加上低通滤波器 模 数 A D 数 模 D A 预放 功率放大器 RAM ROM 脉宽调幅 PWM 等模块 构成了一个完整的系统芯片 目前主流的语音识别技术是基于 统计模式识别的基本理论 一个完整的语音识别系统可大致分为三部分 1 语音特征提取 其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序列 2 声学模型与模式匹配 识别算法 声学模型通常将获取的语音特征通过学习算法产生 在识别时将输入的语音特征同声学模型 模式 进行匹配与比较 得到最佳的识别结果 3 语言模型与语言处理 语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或由统计方法构 成的语言模型 语言处理可以进行语法 语义分析 对小词表语音识别系统 往往不需要语 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 言处理部分 方案二 自己制作一个比较简单的声控系统 经话筒输入声音信号 并将其转化为电信号 由 AD 转化为数字信号 经编码后存入存储器 语音数字信号编码与存储器中的语音函数库 中的原有语音数字信号编码相匹配 通过一定的音频处理算法进行模式识别 如果识别成功 启动机器 我们选用了方案二 程序中语音识别是采用特定发音人识别方式 将训练的标准样本存入 FLASH 中 语音识别程序包括识别程序和中断服务程序 识别程序完成选取词库 初始化 AD 和定时器 Timer2 识别运算和识别结果处理 二 系统的具体设计和实现 二 系统的具体设计和实现 1 系统总体设计思路 自动保洁车由控制器 行走驱动 传感器 吸尘 检测铁片 和电源五部分组成 如图 A 2 1 所示 图 A 2 1 自动保洁车组成结构 图 A 2 2 自动保洁车测控系统框图 本设计主要研究的部分为行走驱动 传感器和控制等部分 如图 A 2 2 所示 最终目标是通 过合理的路径规划算法和避障算法 使吸尘器真正自主作业 按一定规则有序地走完整个可 清扫的空间 检测子系统是为了让保洁车正常工作 必须对保洁车位置 姿态 速度和系统 内部状态进行监控 还要感知保洁车所处工作环境的静态和动态信息 使得自动保洁车相应的 工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化 控制子系统是保洁车的核心 它的任务 是 根据检测子系统的检测结果 计算并判断障碍物的相对位置 在此基础上确定保洁车的路 径规划 选定相应的避障措施 前进 左转 右转 后退 转向 存储保洁车的行走路径 向行走驱动子系统发出控制命令 以具体实现避障 行走驱动子系统的任务是 直流电动机驱 控制单片机 行走驱动单 片机 检测单片机 电源管理 清垃圾 铁片 单片机 串行通讯 检测子系统 电源管理 清垃圾系统 主控制子系统 行走驱动子系统 右轮 左轮 碰撞检测 方向 位移检测 温度检测 超声检测 黑胶带检测 欠压提醒 电量显示 垃圾 铁片 检测 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 动信号的产生 各种方式的运动控制 运动参数的检测与记录 2 电机驱动电路如下图如图 A 2 3 所示 L298 的主要参数是 允许驱动电压 Vs 50V 允许控制电压 Vss 50V 直流允许输出电流 Io MAX 2A 直流最大允许尖峰电流 Io peak 3A t 100 s 允许采样电压 V SENSE 1 2 3 V 允许功 Ptot 25W TCASE 75 注意到 L298 每一路输出可以正常提供 1A 的 电流 峰值电流 100 s 之内 可达 3A 这时 每一片 L298 可驱动两个直流电机 L298 的 外围电路和控制都比较简单 需要仔细考虑的是采样电阻 Rs 的选择 以下几个因素是必须 考虑的 电阻本身可能达到的功耗 L298 的允许采样电压是 2 3V 超过这一幅度芯片会 自动保护 L298 的允许电流和允许功率限制 假设可能出现的最大电流为 IMAX 驱动电 源电压为 U 选择电阻阻值 Rs 则上述条件限制可以表示为 其中 第三个式子中的 2 5V 是 2 个电力二极管的压降 电力二极管选 MUR460 每个二极 管的正常工作压降为 1 25V 根据现有的电源条件 7 6 7 8V 镍氢电池 可选 U 15 4V 两节电池串联 或 U 23 1V 3 节电池串联 若选 U 15 4V IMAX 几乎可以允许达 到最大值 2A 令 Rs 1 已经可以满足要求 因为实际电机电流不可能达到 2A 若选 U 23 1V 则为了保护芯片 必须强制 IMAX 2 5 U 2 5 1 2A 如此选择 Rs 2 是比较稳妥 的 实际试验选择 Rs 1 5 也还可以正常工作 令 Rs 1 时 一旦转速过快 芯片会烧毁 最后 不论 Rs 1 还是 Rs 2 电阻的功耗 PR MAX Rs2 IMAX 都会比较大 实际使 用时 以选择 5W 系列的电阻为宜 否则会导致整个电路驱动能力的下降 图 A 2 3 3 相对位移和角度的计算 计算位移的可行方案很多 借鉴光电鼠标的工作原理 在前车轮上固定一个光栅轮 同时采 用一个直射式红外传感器来检测光栅脉冲 车轮转动时 光栅依次通过红外传感器 由此便 得到通断相间的高低电平信号 光栅每转一周可产生 36 个脉冲信号 同轴车轮周长 7 23 厘 米 一个脉冲对应 2 00 个毫米行使距离 脉冲经整形后 传到单片机可计算出速度和相对 位移 电子指南针内部结构固定 没有移动部分 可以简单地和其它电子系统接口 精度高 稳定性好 等特点 Philips 公司生产的半导体器件 KMZ52 是一种专门用于电子指南针的二维磁场传 感器 如图 A 2 4 所示 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 图 A 2 4 KMZ52 内部结构原理图 它采用磁场传感器的磁阻 MR 技术 并用翻转技术消除信号偏移 而用电磁反馈技术来消 除温度的敏感漂移 整个电子指南针系统主要由传感器单元 信号调整单元 SCU 方向 确定单元 DDU 和显示单元四部分组成 磁场传感器 KMZ52 用于将地磁场信号转化成电 信号输出 信号调整单元用于将磁场传感器单元中的输出信号成比例放大 并将其转换成合 适的信号hex 和hey 同时消除信号的偏移 对于保证系统的精度来说 SCU是最重要的部件 通过 DDU 可将信号调整单元输出的两路信号 hex 和 hey 进行放大 然后再按下式计算出偏 转角度 arctan hey hex 这样根据抗干扰技术算法对 进行处理就可得出该磁场的偏转角度 计算出了位移和角度 就可以实现保洁车的精确定位了 保证了保洁车在房间中的智能行走 4 超声波对环境的侦察 保洁车在沿黑胶带的行使中 扫描房间中的障碍物 构造房间地图 超声波发送电路 超声波发送电路包括超声波信号产生电路 多路选择开关电路及发送换能器等部分 图 A 2 5 所示 图 A 2 5 图 A 2 6 所示为超声波信号接收电路 这部分由接收换能器 2 级放大 比较 整形及控制 等环节组成 图 A 2 6 5 路径规划 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你一生 整理 仅供学习和参考 请勿做它用 利用超声波传感器来采集环境信息的建模 一般来讲 建模技术主要考虑如何选择传感器和 采用何种环境信息建模的方法 和路径规划是其中的最为关键的技术 也是最难的技术 由 于超声波探测系统有效探测范围只有 2 m 左右 而且精度不高 建立的环境地图不是很精确 所以本设计采用一种交叉行走模式的方法 如图 A 2 7 所示 图 A 2 7 交叉行走模式图 首先保洁车以预定起点和方向行驶 启动超声波传感器 侦察环境 建立房间地图 这时吸 尘器返回到首次到达墙壁的那一点 这点我们称为起点 然后吸尘器转向房间中部行走 纵向 清扫 从房间一侧行至对侧后 转向 180 并向一侧平移一个车距后返回 如此反复行走 如前 方有障碍物则返回 当一侧清扫完毕后吸尘器又回到起点 清扫另一侧 当另一侧也清扫完毕 后 吸尘器又回到起点 开始横向清扫 类似于纵向清扫 这种往复行走在交叉 90 的纵横两 个方向进行 即可将整个房间清扫干净 检测到所有铁片 6 电源管理 将电源分压后送入 AD0809 在单片机内比较 若低于设定的电压 单片机输出提醒信号 同时将电量的大小传输到主单片机 LCD 上显示 此方案能完成电量显示和欠压提醒 语音 报警 同时 保洁车停止工作 根据车的定位和环境地图 回到起点充电 电路图如下所 示 版权所有 三峡大学电子创新实验室 本稿由 愿陪你