基于单片机的智能扫地机器人设计【含CAD图纸、说明书、三维模型】
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含CAD图纸、说明书、三维模型
基于
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主要内容简介扫地机器人主要由移动机构系统 、感知系统 、吸尘系统、 控制系统 和遥控系统五部分组成，通过这五大系统，可以实现室内的智能清扫工作的完成；但是在实际应用过程中还存在吸力不足、容易破坏家具等问题，本次设计过程中选用成本相对较低的ATmega16单片机作为基础，针对在实际使用过程中发现的问题进行了方案研究和设计改进；使得家庭型智能扫地机器人能在控制成本的情况下更多更好地服务，更多地节省了人力物力，为清洁工作做出更多的贡献。关键字：智能扫地机器人；单片机；问题目 录第一章 引言1第二章 智能扫地机器人发展概述1第一节 智能扫地机器人的产生1第二节 智能扫地机器人的发展2第三章 智能扫地机器人清洁过程中遇到的问题2第一节 清洁区域划定不全3第二节 对家具等造成破坏3第三节 吸力不足4第四章 智能扫地机器人结构设计5第一节 智能扫地机器人设计关键环节5一、传感器技术5二、室内定位技术5三、路径规划技术5第一节 基于AT89C51单片机的智能扫地机器人设计6一、整体布局6二、移动机构7三、感知机构7四、控制系统7五、清扫和吸尘系统7六、外壳设计8七、硬件系统8第五章 结论9参考文献9第一章 引言随着科学技术的发展，人工智能方面的研究引起了人们大量的关注，与此同时智能机器人的研究也越来越受到人们的重视，其中智能扫地机器人正逐步进入人们的日常生活。进入21世纪，随着国内生活水平的提高及生活节奏的加快，原本只存在于欧美市场上的智能扫地机器人开始涌入国内，并逐渐地被人们所接受；可以预见，智能扫地机器人将会像普通家电一样成为每个家庭必备的帮手，产品也会向着更加智能化发展，甚至会在不久的将来逐步地取代人工清洁。在智能扫地机器人步入各种应用场所的同时，对其性价比，使用便捷性，可靠性等都提出了新的要求，因此设计一款符合理论又能迎合市场要求的智能扫地机器人具有重大的意义。所以本次毕业设计选取了智能扫地机器人作为设计内容，同时与专业内容相结合，选择利用单片机设计一款能够最大程度上解决现状使用过程中遇到的问题的扫地机器人。第二章 智能扫地机器人发展概述第一节 智能扫地机器人的产生智能扫地机器人这个概念最先出自台湾及美国市场，世界上第一台扫地机是1996年由瑞典家电巨头伊莱克斯制造，并在2001年实现量产，叫做“三叶虫”的扫地机器人，如图1所示。这一台机器颇具现在智能扫地机的元素；伊莱克斯三叶虫扫地机器人最大的亮点在于其使用的超声波仿生技术可以使扫地机器人很好的规避障碍物，同时也可以在全黑的环境下进行工作，完全不受光线的影响。外观设计上，它的高度有13cm，可以钻到桌子和床底下清理；在导航上，“三叶虫”扫地机器人通过超声波探测躲避障碍，同时帮助它构建房间地图；避障上，第一代“三叶虫”扫地机器人不能很好规避，第二代加入了红外传感器，但是没有下视探头，所以只能在水平方向上规避，需要通过在有楼梯尽头和房门出贴上磁条作为虚拟墙防止跌落；此外，“三叶虫”扫地机器人每次充电后可以运行60分钟，分三个挡位运作：正常、快速和点清理，吸尘器充满垃圾时还会发出灯光警告。图1 世界上第一款智能扫地机器人“三叶虫”第二节 智能扫地机器人的发展2002年后，扫地机器人所使用的各类单片机性能逐步提升，成本也逐渐降低，同时储存容量更大，可容纳更多的程序算法。从2002开始，美国Irobot和台湾Proscenic分别推出各自系列的扫地机器人。美国机器人iRobot公司推出的是Roomba系列智能扫地机器人，其研发的Roomba780于2012获得了“红点设计荣誉提名奖”。与之前的扫地机器人相比，Roomba780扫地机器人最大的技术特征在于实现了扫地机器人的优化算法，其核心是在达到全覆盖清扫的同时，减少对同一区域的重复打扫。Proscenic以台湾工研院为产品研发背景，专注于智能家居清洁的设计开发，其产品针对东方家庭设计，采用可升降V刷加真空吸入的清扫模式，升降V刷可以更好的贴合地面，针对静电吸附在光滑地面的灰尘有更加明显的处理效果。除了经典王牌Pro-902备受欢迎外，Proscenic还先后推出了Pro-COCO，COCO SMART等众多热销的智能扫地机器人，与走高端路线的iRobot和国产品牌科沃斯共同占领了80%左右的国内扫地机市场份额。2007年至今，逐步地有更多的公司进入智能扫地机器人市场，其投入的大量资源及行业间激烈的技术竞争大力地推动了智能扫地机器人技术的革新与整个产业的升级，产品也被更多的普通消费者所接受。第三章 智能扫地机器人清洁过程中遇到的问题智能家庭清扫机器人发展至今已经基本普及，虽然智能扫地机器人体积小巧，清扫区域相对于其他吸尘机器来说更广，减轻人类操作的负担等等优点，但仍有一定不足。以下为本次毕业设计调研过程中针对用户体验总结的智能家庭清扫机器人使用问题。第一节 清洁区域划定不全现今的智能清扫机器人都有清洁区域划定的功能，一般工作原理都是通过红外线传感技术( 该技术有一定缺点但成本控制较低) 得以实现，当机器人进行清扫工作时，移动过程中会从特定的发散口发出红外射线，当射线碰触到深色物体表面时会返回到机器人，这样机器人内部的控制记忆面板会产生此处记忆并自动转弯，从而进行其余区域的清扫。这种清扫虽然有轨迹可循，然而由于家庭中家具颜色深浅度不同，静物摆放多而杂乱，且大多数都为不规则形状，使得射线无法百分百的进行回射，从而机器人清扫区域虽广，但划定并不全面，有许多死角无法清洁到，而且同时别的地方又存在被多次清洁的情况出现，使得清扫成果并不均匀。第二节 对家具等造成破坏清扫机器人在进行清扫工作时会对障碍物进行规避，这种规避包括完全规避与缓冲碰撞规避。如果运用超声波仿生技术可以有效进行完全规避，即机身完全不会碰触障碍物表面，然而这种技术成本非常高，所以应用的并不广泛，大多数清扫机器人还是以红外线传感技术为主，这种情况下机器人在躲避障碍物时无法完全不碰触表面，会在碰触之前进行缓冲，减小碰撞力度，尽量避免对障碍物表面的破坏。然而这种技术只限于实心且规则的障碍物，如大面积的柜门等，对于非实心物体，如圆柱体或不规则物体无法识别缓冲，故而会对物体表面（如柜角和桌腿的表层漆）有一定的破坏。图2 扫地机器人损坏家具实拍图第三节 吸力不足扫地机器人吸力的大小与其的清扫能力有着直接的关系，换句话说吸力的大小决定了扫地机器能扫除哪些类型的垃圾，如果吸力不够，大颗粒杂质和细小绵尘就会被忽略，极大的影响清扫效果。智能家庭清扫机器人大多具有吸尘能力，对普通灰尘有一定清洁能力。然而由于这种机器人体积的限制，吸尘口径过小，而且滚刷的毛也是呈螺旋状，一些大颗粒物质( 如沙、土、水果的籽等) 无法吸入，导致清洁不彻底，这也是这种智能清扫机器人清洁力度不够的原因。如图3所示，为试验过程中部分较大颗粒的杂物无法被智能机器人清除。图3 试验过程中较大/重颗粒杂物清除效果实拍图第四章 智能扫地机器人结构设计第一节 智能扫地机器人设计关键环节扫地机器人完成清扫任务可以分成4个步骤,即定位、构图、规划、清扫。机器人的定位、构图和路径规划等决定着机器人的清扫效率和清洁效果，这些直接影响用户的使用体验。一、传感器技术扫地机器人的主要功能就是在无人干预下独立完成清洁任务，在室内环境下机器人需要避障、防跌落、检测污染物，知道自己的位置和建立环境模型，甚至有的还需要检测环境温度和PM2.5的含量。那么防跌落传感器、温度传感器、重量传感器和自身定位传感器等很多传感器需要集成在机器人身上。目前，用的最多的传感器是红外传感器和超声波传感器，红外传感器一般放在机器人前端发射红外线遇到障碍物后反射，确定与障碍物的距离并绕开障碍物。红外传感器的优点是方向性强、测量精度高，主要缺点是探测视角小，很难探测到前方狭小障碍物、透明物体或深色物体。超声波传感器相对于光学传感器而言，具有环境适应能力强，能测实距、可沿声波方向获得三维信息的优点。但是，方向性差、视域有限，并且有反射、噪音、交叉等问题。红外传感器和超声传感器单只能获得目标的距离信息，不能获得目标的边界信息，在实际使用中，通常多个传感器联合使用。当前传感器向着多样化、微型化发展，精确性也有很大提升，但有些传感器价格较高，这是当前没有得到普及的主要原因。二、室内定位技术随着传感器技术的发展，室内的定位方式多种多样。当前市面上主流的定位系统有RPS激光定位系统、SLAM图像位移定位系统。RPS是基于谷歌无人车的激光定位系统，通过位于机器人顶部的激光探头每秒5次扫描周围环境，能够测量出机器人与周围环境的距离，实时变化定位坐标，但由于激光探头一直在高速旋转，所以寿命短、维修率高。VSLAM图像位移定位系统是通过摄像头实时拍摄周边的环境提取特征点，通过位移的偏差变化定位坐标。三、路径规划技术清洁机器人的路径规划是根据感知到的环境信息，按照某种优化指标，从起始点到目标点规划一条与环境障碍无碰撞的路径，并实现对工作区域的最大覆盖率和最小重复仅在无环境建模的情况下，常采用随机的方法进行规划，即将机器人放到清洁的环境下，随机的方向前进直到遇到障碍物后转一定的角度继续向前，通过大量随机往复式清洁来提高机器人的覆盖率，采用这种方式的成本不高，但是效率低。第二种情况是，以环境地图为基础，采用“S”形的方式往复清扫，一般第一次清扫的覆盖面积达到90%以上。采用这种方式覆盖面积大，清洁效率高，但一般用在有环境建模的扫地机器人上。第一节 基于AT89C51单片机的智能扫地机器人设计受专业知识水平、设备和资金等的限制，本次设计过程中在平衡各方面条件和最终设计效果之后，选择使用ATmega16 单片机完成扫地机器人的设计；单片机控制电路和引脚如图4所示。图4 单片机控制电路和引脚示意图 一、整体布局机器人的结构主要由感知机构、移动机构、吸尘机构以及车体组成，机器人的前轮采用差动式驱动，后轮采用随动轮。基于机构和控制的复杂性，机器人使用圆形状结构，圆形状结构的最大优势就是控制起来简单，运动起来不易和障碍物发生碰撞。车体前端两侧采用两个光电传感器，这样就有四种组合方式，也就是有四种状态，这样就可以识别一切障碍物，不会有盲点。二、移动机构移动系统是由两个伺服电机以及相应的驱动组成，两个伺服电机分别带动两个后轮，而后轮则采用随动轮，这样就带动吸尘系统前行。后轮采用随动轮，而不是双轮，这样做可以很好的加强了小车转弯的灵活性。通过改变控制系统输出的pwm占空比，可对两个伺服电机实现较高精度的调速。对两个伺服电机输出相同频率不同占空比，电机的转速则不同，通过这样差速方式，实现吸尘器的前进，后退，左转弯，右转弯等功能。这样便可是使扫地机器人随意转弯.同时转弯的速度可以通过单片机的程序进行调节。三、感知机构感知机构由分布在机器人两侧的光电传感器组成。其采用光电元件作为检测元件，一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，光电传感器对机器人的位置进行探测，判断左右转弯是否可行。光电开关输出与障碍物位置间的关系如下：左光电开关：0；右光电开关：0；障碍物位置：正前。左光电开关：0；右光电开关：1；障碍物位置：左前。左光电开关：1；右光电开关：0；障碍物位置：右前。左光电开关：1；右光电开关：1；障碍物位置：未碰撞。四、控制系统综合本次设计的目标和具有的外部条件，本次选择使用ATmega16单片机进行系统开发，AVR单片机功能强大，能够使得I/O口资源灵活，是一种处理能力极强的微控制器，同时提供许多控制系统的选择方案。五、清扫和吸尘系统吸尘系统采用小型吸尘器，主要由吸道，吸嘴，气泵和吸室组成。吸尘原理：吸尘器的电机叶扇在电动机驱动下将电机中的空气排出，这样电机内部和外界就形成了一个气压差，于是外界的气体就会源源不断进入电机中。这样的话，尘埃等垃圾就会被吸入吸室内，吸室中有一个过滤器，将垃圾等留在吸室中，空气则排出吸室。家庭智能扫地机器人机身小，大多数机器人吸尘口径小，齿轮密度大，导致无法清洁大颗粒物质。家庭摆设的花草等大多需要土壤支持，有小孩的家庭更是无法保证没有大颗粒物质掉落，如水果的籽和果皮等，这时就需要手动清扫或使用手动吸尘器进行清洁，费时又费力。给智能扫地机器人底部配置一个大口径的吸尘口及齿轮便可解决此类问题。这种口径占地面积大，所以需配备一个短细疏通管直接接入存尘盒，使得大颗粒灰尘不通过螺旋软刷，直接进入存尘盒，之后只需进行正常的清洗维护机器人工作即可。六、外壳设计针对家庭扫地智能机器人对物体表面造成破坏的问题，提出一定的解决方法。大多数机器人已经安装半包式软胶外体来减缓撞击造成的破损，然而这种方法由于红外遥控射线对颜色的要求严格，使得未软包部分常常碰撞到物体表面，久而久之会对物体表面造成损坏，这也是很多家庭放弃选择智能扫地机器人的原因。这种情况下如果选择超声波仿生技术，造价会过于昂贵，建议使用一种新型的软性防撞板，这种材料经常运用于建筑材料中，本身具有可塑形性及软碰撞性。软性防撞板轻薄且成本较低，可以对机器人进行全包设计，并且可以在机器人底部红外遥感处流出空隙，不会妨碍射线的返回，故而可以有效地防止空心及不规则物体表面破损。七、硬件系统硬件电路图主要有五部分，分别为 AVR 单片机最小系统部分、电源及稳压部分、感知结构部分、遥控模块和继电器控制电路。完整的电路图如图5所示。图5 扫地机器人控制电路第五章 结论目前智能扫地机器人已经取得了很大的发展，但是还有很大的改进之处，比如传感器还有很大的进步空间，传感器是非常重要的一部分，只有更复杂，更精良的传感器才能满足人们各种复杂的需求，我们才能做出更高级的机器人。其实还可以使用更高级的技术，但是考虑到成本，我们不得不放弃选用。本次设计
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