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机械毕业设计论文

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机械毕业设计156小型清扫机器人控制部分设计 江培,机械毕业设计论文

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湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 小型清扫机器人控制部分设计 学 院： 兴 湘 学 院 专 业： 机械制造及其自动 学 号： 2007964217 姓 名： 江 培 指导教师： 秦 衡 峰 完成日期 ： 2011 年 5 月 20 日 nts 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 小 型清扫机器人的控制部分设计 学号： 2007964217 姓名： 江 培 专业： 机械制造及其自动化 指导教师： 秦衡峰 系主任： 一、主要内容及基本要求 1、检索国内外清扫机器人的发展动态，分析 国内的情况； 2、分析清扫机器人控制系统设计的关键技术问题； 3、完成清扫机器人的单片机控制系统设计的一体化设计； 4、完成单片机实现小车行走驱动控制系统设计； 5、完成清扫机器人的单片机控制系统中的硬件设计； 6、完成清扫机器人的单片机控制系统中的软件设计； 7、完成毕业论文的文稿工作，要求：总字数不低于一万字，使用 A4编辑及 打印装订成册； 8、技术图纸：控制系统硬件电路原理图 1 张、控制系统程序流程分图 1 张 9、翻译英语技术资料：翻译课题相关英文资料。要求 ： 3000 单词，复印原稿与翻译（打印）稿同册装订。 二、重点研究的问题 1、清扫机器人的单片机控制系统设计方案选择设计； 2、清扫机器人的单片机控制系统软件设计； 3、清扫机器人的单片机硬件控制系统中外围硬件设备的选择及设计。 nts 三、进度安排 四、应收集的资料及主要参考文献 1 李鸿主编 .单片机原理及应用 M, 湖南：湖南大学出版社， 2004 2 韩全立，王建明 .单片机控制技术及应用 M,北京：电子工业出版社， 2004 3 周平，伍云辉 .单片机应用技术 M,四川：电子科技大学出版社， 2004 4 胡伟，季晓衡 . 单片 机 C 程序设计及应用实例 M,北京：人民邮电出版 社， 2004 5 汤 阳 ,戴光智 ,王锐鹏 . 家用自主吸尘机器人的研究和开发 J.计算机 测量与控制 ,2006,14 11 :1554 - 1556. 6 赵龙庆，徐国栋 .一种基与单片机的步进电机控制驱动器 J，西南林学院 学报 ， 2005.6 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 资料检索 、查询 2011年 2月 20日 -3月 5日 2 系统总体方案的构思及设计 2011年 3 月 6日 -3月 20日 3 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 方案选择设计 2011年 3 月 21日 -4月 10日 4 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 硬件设计 2011年 4 月 11日 -4月 25日 5 完成清扫机器人的单片机控制系统设计 软件设计 2011年 4 月 26日 -5月 10日 6 毕业设计说明书撰写和编辑 2011年 5 月 11日 -5月 19日 7 交毕业设计说明书和图纸，准备答辩 2011年 5月 20日 -5月 25日 nts 潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）评阅表 学号 2007964217 姓名 江 培 专业 机械制造及其自动化 毕业论文（设计）题目： 小型清扫机器人控制部分设计 评价项目 评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量 是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 论文 （设计）质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如 何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 综 合 评 价 选题基本合理，符合专业特点和教学计划的基本要求，达到了训练的目的，选题难度适当，与科研相结合，学生有查阅文献、综合归纳资料的能力，能较好的运用知识，基本具备研究方案的设计能力和研究方法和手段的运用，具备一定的外文与计算机应用能力。论文立论基本正确，结构比较严谨合理，程序运行正确。文字比较通顺，观点有所提炼，综合概括能力比较好。 评阅人： 年 月 日 nts 湘潭大学兴湘学院 毕业论文 （设计）鉴定意见 学号： 2007964217 姓名： 江 培 专业： 机械制造及其自动化 毕业论文（设计说明书） 41 页 图 表 2 张 论文（设计）题目： 小型清扫机器人的控制部分设计 内容提要： 本设计主要是根据小型清扫机器人的发展历史以及现有的科学技术对其 进行创新设计。小型清扫机器人是将移动机器人技术和吸尘器技术有效的结合 起来，能大大的降低了劳动强度，提高了劳动效率的新时代产物。其广泛应用 于室内清洁，有着广阔的市场前景。本设计围绕结构部分设计，驱动电机的选 择，传感器件的选择，芯片的选择，路径的规划和算法以及程序的编写的方面 进行设计。后两者为本设计的重难点。本清扫机器人采用圆柱形结构，两后轮 分别由步进电机独立驱动。有较强的灵活性和准确性。车前碰板的设计和沿 X 轴和 Y 轴遍历方式是本设计的创新之处，有效的降低了生产成本。使其被更多 层次的人群接受。 nts 指导教师评语 江培同学的本科毕业设计题目为“小型清扫机器人控制部分设计”。在整个设计过程中，该同学勤奋刻苦、勇于钻研，能够积极根据设计任务开展工作。所设计的清扫机器人结构合理，算法和程序设计合理清晰，原理接线图表达较为正确，各个零部件选择恰当。设计工作量饱满，说明书写作认真，计算、校核正确，文献翻译较准确。达到了本科毕业设计的要求。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 江培同学的本科毕业设计基于生活实际，对清扫机器人 进行了控制部分的设计。 该同学的设计算法合理，图形表达基本正确，型号选择合理。设计工作量饱满，说明书、文献翻译书写认真。答辩过程中，对结构和原理图的陈述清楚，回答问题正确。达到了本科毕业设计的要求，成绩评定为 。 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 nts 目录 摘要 - 1 ABSTRACT - 2 第一章 绪论 - 3 1.1 国内产品研究状况 - 3 1.2 研究的目的和意义 - 4 1.3 设计的重点和难点 - 4 1.4家庭清扫机器人的关键技术 - 4 1.5 总结也展望 - 5 发展趋势 - 5 展望 - 5 1.6论文主要完成工作 - 6 第二章 总体结构设计 - 7 2.1整体结构布局 - 7 2.2驱动部分 - 9 2.3吸尘部分 - 10 2.4电源部分 - 10 2.5路径规划算法 - 11 2.6仿真结果 - 13 第三章 硬件控制部分设计 - 11 3.1 AT89系列单片机简介 - 14 3.2 外围电路 - 15 (1)电源 - 15 (2)复位电路 - 16 (3)时钟电路 - 17 3.3 电机驱动电路 - 18 3.4 检测电路 - 20 3.5 光电编码器 - 23 第四章 控制系统软件设计 - 25 4.1控制系统软件设计 - 25 4.2 AT89C51定时器设置 - 27 1.计数寄存 器 TH 和 TL - 28 2.T/C控制寄存器 TCON - 28 3.T/C方式控制寄存器 TMOD - 28 4.3 AT89C51中断设置 - 29 (1)中断允许寄存器 - 29 (2)中断优先级寄存器 IP - 30 nts 4.4 正反转控制字赋值及存储位置 - 31 第五章 机器人旋转偏差和直线前行偏差的脉冲数计算 - 33 第六章 程序的编写 - 35 参考文献 : - 40 致谢 - 41 nts 1 小型清扫机器人的控制部分设计 摘要 清扫机器人属于服务机器人的一种，世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用服务机器人。如果清扫机器人的性价比足够高，那么清扫机器人的市场将会被看好。 本文介绍了清洁机器人在国内外发展现状和应用情况，侧重研究了清洁机器人的避障控制系统。结合实验室实际条件，设计了机器人样机。其主要工作内容包括 :小车机械本体设计、控制理论的介绍、 AT89C51 单片机控制系统硬件电路及检测电路设计、控制系统软件设计和机器人避障性能 测试试验。 通过实验表明所设计的机器人样机能够实现自主避碰的功能，达到设计要求。 关键词 :清洁机器人 ;避障 ;AT89C51单片机 nts 2 Small cleaning robot control section design Abstract Cleaning robot is one part of the serving robot.Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered. The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle. The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task. Key works: cleaning robot; avoid a obstacle; AT89C51 SCM nts 3 第一章 绪论 1.1 国内产品研究状况 在国内的一些大学，如哈尔滨 工业大学、 华南理工大学、上海交通大学等单位也对清扫机器人进行了大量 的研究并取得了一些成果，对清扫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，这些都为清扫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扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的 实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。 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，自行回到充电座补充电力。吸尘 机器人在 5.5 3.5m2 的实际家庭环境中，工作 10分钟可以达到 90%以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局 图 1国内公司生产的机器人 KV8 Fig1-7 robots domestic production KV8 nts 4 定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图 1所示。 KV8 保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进 入的地方。 KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。 1.2 研究的目的和意义 清扫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，智能化清扫机器人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，清扫机器人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。 1.3 设计的重点和难点 由前面的设计家庭清洁机器人的工作内容和要求，在宽 400 高 100的体积下如何设计和布置好清扫机构，行走机构，吸尘机构和储存垃圾机构。 遍历方式的选择，以及如何用软件控 制实现其避障功能 1.4 家庭清扫机器人的关键技术 家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成 :移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体 ,决定了吸尘器的nts 5 运动空间 ,一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器等。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 ,清扫机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。清扫机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的 ,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清 洁度。用传感器探测环境、分析信号 ,以及通过适当的建模方法来理解环境 ,具有特别重要的意义。目前发展较快、对清扫机器人发展影响较大的关键技术是 :传感技术、智能控制技术、路径规划技术、吸尘技术、电源技术等。 传感技术 为了让吸尘机器人正常工作 ,必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控 ,还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息 ,使得吸尘机器人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。 1.5 总结也展望 发展趋势 虽然清扫机器人的研究已经取得了很大进步 ,进入了实用阶段 ,但是自主能力、工作效率 方面还不理想 ,需要在技术上解决传感器技术、定位和环境建模技术 .在此基础上 ,自主吸尘机器人可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。 展望 尽管目前价廉物美的吸尘器给人们的清洁工作带来了一定的便利 ,但过大的噪音依然让大多数使用者望而却步。清扫机器人作为服务机器人领域中的一个新产品 ,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此 ,只要生产成本兼顾到日用电器批量大、价格低的特点 , 清扫机器人将具有诱人的市场前景 ,有关资料也预测清扫机器人是未来几年需求量最大的服务机器人。特别是日用清洁电 器不论是在市场上或者是在产品的创新上 ,绝对是所有小家电产品中最活跃的 ,未来仍有相当大的成长空间。尽管目前国内外在清扫机器人研究开发方面已取得一定的成果 ,但成本过高和许多关键技术问题尚急待解决或提高 ,主要有以下几个方面 : (1)目前 ,价格过高是严重影响清扫机器人打入家电市场的主要因素 ,因此为了大幅度降低其成本 ,我们必须开发专用运动控制和数字处理芯片以及微型传感nts 6 器。其次 ,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景 ,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上 ,则有望在短期内将清扫机器人的成本控制在千 元左右。 (2)未来的清扫机器人将向智能化和自主式发展 ,因此我们必须结合现有的基于自适应控制、模糊逻辑、遗传算法等的移动机器人运动规划和控制技术 ,研究开发出对环境变化具有良好的自适应性和鲁棒性、对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器 ,使吸尘机器人完成与人工操作质量相同甚至更好的吸尘工作。 (3)为了有效地提高清洁的质量 ,还需要对现有的吸尘技术进行改进。根据环境的脏洁程度 ,采用模糊逻辑等技术设计合理的吸尘时间以及相协调的机器人运动速度 ,确保满意的吸尘效果。 (4)电源技术是吸尘机器 人的核心之一 ,除了有效地提高机器人运动和吸尘速度以延长电池的实际吸尘时间外 ,还尚需优化自动充电方案 ,保证机器人能及时进行充电 ,自动完成对指定环境的吸尘任务。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进 ,相信根据现有的软硬件条件 ,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品 ,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户 ,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。 1.6 论文主要完成工作 课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计，驱动电机选择，传感器的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件 编程及试验。 1.机械结构部分 包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择 2.避障系统控制方案 包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择 3.控制系统硬件部分 包括 AT89C51单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感 器检测硬件电路设计 4.控制系统软件部分 包括 AT89C51单片机控制系统系统软件设计 nts 7 第二章 总体结构设计 2.1 整体结构布局 整个机器人的结构由车体 ,吸尘装置 ,传感部分 ,控制部分组成。 传感部分包括车身两侧的光电传感器和前面的碰板和光电开关组成的接触式传感器。机器人前轮为随动轮 ,后轮采用差动式驱动 ,光电编码器装在前随动轮上 ,与随动轮同轴 。当发生碰撞时 ,碰板带动光开关移动产生信号变化。光电传感器对车体侧面进行探测 ，判断左右转弯是否可行 。如结构简图 2所示： 图 2 清扫机器人结构示意图 考虑到 机构和控制的复杂性 ,本 清扫机器人 采用圆形车体 ,圆形车体的最大优点是运动灵活 ,控制简单 ,不会发生卡死的现象。 车体前端是一个碰板系统由一套机械装置和光电开关组成 ,用于检测运动前方的障碍物。左右二个后轮独立驱动 ,每个轮子都有电机、光电传感器 ,各自是一碰板光电传感器 检测悬空的光电传感器 随动轮 两独立驱动轮 吸尘入口 两反向旋转的边刷 nts 8 个独立的系统 ,只接受控制系统的控制信号和反馈给控制系统运动信息。中间镂空的部分是清扫系统 ,包括二个电机驱动的一个清扫装置和一个吸尘装置。车体左右二侧装有二个光电传感器 ,用于对小车转弯可行性判断。前轮的支撑部分是一个垂直方向可滑动杆 ,中间有弹簧做缓冲 (运动的时候也有减 震的作用 )。 本机器人没有采用阵列式碰撞传感器。而是独立设计了一块碰板和光电开关组成 ,它可以检测到车体前方的一切障碍物 ,不存在任何盲点。弧形的碰板通过 2个连杆和车体铰接在一起 ,连杆和碰板连接的部分可以沿碰板外径方向滑动 ,而和车体连接的部分可以旋转 ,碰板二端和光电开关相连 ,当碰撞引发碰板移动后 ,通过光电开关的变化把信号反馈给控制系统。碰板可以把障碍物的位置分为 3类 :正前方 ,前方 ,右前方。通过 2个光电开关的组合状态给出 ,如果 2个光电开关的初始状态是 0。如表 1所示。 表 1 碰撞检测对照表 左光电开关 0 0 1 1 右光电开关 0 1 0 1 障碍物位置 未碰撞 右前 左前 正前 整个清扫系统通过后方的圆孔和车体相铰接 ,可以作很小幅度的摆动 ,这样的设计将使机器人对地面的适应性有很大提高 ,整个清扫系统又可以分为清扫部分和吸尘部分 ,每部分各有 1个电机提供动力 ,清扫部分在前端 ,由电机带动 2个旋转方向不同的滚刷转动 ,从而把纸片等大块垃圾清扫进后面的灰尘箱。后面的吸尘系统类似一个吸尘器 ,橡胶制成的吸尘端口与地面相接。这样双选择性的清扫比一般地单一清扫方式效果要好的多。 nts 9 2.2 驱动部分 驱动部分是由两个四 相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮 ， 后轮 ， 从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构 , 而采用了应用非常广泛的平面轴承 , 这既减小了结构复度 , 又提高了转弯的灵活性 如图 4 图 4 驱动结构 通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率 , 可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施相同或不同脉冲信号时 , 通过差速方式 , 可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半 径下 , 以任意速度实现转弯 , 甚至当两后轮相互反向运动时 , 实现零转弯半径 即绕轴中点原地施转动。同时转弯的速度可通过改变单片机的nts 10 程序来调节。 根据所需的驱动力矩和其它结构要求，驱动电机选用北京四通集团公司的57BYG250E-SAFRML-0152型两相混合式步进电动机。其参数如表 2.2所示 ; 表 2.2 57BYG250E-SAFRML-0152步进电机参数 2.3 吸尘部分 吸尘部分是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的。包括气泵，吸室，吸道和吸嘴。在吸尘器爬行的过程中，通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入吸室。 2.4 电源部分 由于智能吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般脱线方式，而是采用随身携带的蓄电池，这样不但可实现无人控制，而且工作时比较灵活。一次充电可以连续工作几个小时。 相数 2 步距角（） 0.9/1.8 静态相电流（ A） 1.5 相电阻（ ） 1.0 相电感（ Mh） 5.3 保持转矩（ Nm） 1.5 定位转矩（ Nm） 0.06 空载启动频率（半步方式）（ KHz） 3 重量（ Kg） 1.5 转动惯量（ gc） 330 nts 11 2.5 路径规划算法 在本算法中 ,机器人的路径大体分为两类 : 面覆盖的过程 ,机器人走直线 ,相当于一个”迂回推进”的过程 ; 从当前点到目标点的寻径过程 ,从定位的准确性考虑 ,路径段也为直线。开始的时候机器人选择房间的一个角落 ( 2座墙壁的交接点 ,便于机器人定位 )作为初始点 ,坐标为 (0, 0) ,即机器人上的 p点坐标为 (0, 0) (本文中的坐标都是指 p点坐标 ) ,沿一侧墙的方向建立 X轴 ,第一次清扫沿 X 轴的方向 ,完成后 ,返回原点 ,沿 Y轴方向进行第二次清扫。这样既保证了清洁质量 ,又在很大程度上避免了 1次清扫所带来的死角问题。而且由于 2个方向的互补性 ,并不需要为了遍历的完整性而采用更为烦杂的算法 ,通过 2次数据融合就可以得到较为精确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段 ,每个路径段的间隔为机器人清洁机构的清扫直径 ,碰到障碍物后 ,机器人的转向 90并且侧移 20cm ,在转向 90，这个动作由控制系统做好保存 ,直接调用 ,记为 micro1 。 (在前进过程中 ,发生碰撞时 ,机器人的转向所采取的方向 ,取值可以为”左”或者”右” ,由碰撞次数的奇偶性决定。 沿 X 轴方向的遍历图 沿 X轴方向的仿真图 nts 12 沿 Y轴方向的遍历图 沿 Y轴方向的仿真图 前可行的方法就是 通过建立被控制对象的模糊模型来实现模糊控制器。 所谓建立被控制对象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式来描述 被控对象的动态特性。一条“如果 那么”表达式就是一条 控制规则，因此被控制对象的模型是由多条控制规则组成的，这样通过该模型就可以从输入推理得出输出。 具体到本课题，模糊规则设定如下 : 规则 1:如果机器人前方为阶梯（沿 X轴方向遍历），那么它应该左转一前行一再左转； (把此类型障碍物当作墙来处理 ) 规则 2:如果机器人前方有障碍物（沿 X轴方向遍历），同时左侧也有障碍物，那么它应该原地转弯 180度；（记为左转为不可行） 规则 3:如果机器人悬空，那么它应该执行电源关操作 规则 4:如果机器人前方为阶梯（沿 Y轴方向遍历），那么它应该从右转一前行一再右转； (把此类型障碍物当作墙 来处理 ) 规则 5:如果机器人前方有障碍物（沿 Y轴方向遍历），同时右侧也有障碍物，那么它应该原地转弯 180度；（记为右转为不可行） 规则 6:如果机器人右前方没有障碍物，那么它应该直线前行； 规则 7:如果机器人沿 X轴方向遍历完成，那么执行沿 Y轴方向的遍历；（完成与否的判定根据是否有连续两次转弯不可行） 规则 8:如果机器人完成了沿 X轴和 Y轴方向的遍历，那么小车执行回充电插座充电； nts 13 2.6 仿真结果 由于只是表达路径规划的算法 ,为了描述清晰及简便 ,采用矩形环境边缘 ,障碍物也选用边缘规则的矩形 ,U型等 ,而实际上由于 采用碰撞作为边缘触发条件。根据清扫机器人沿 X,Y轴方向的仿真图我们可以较为准确的得到房间整个环境内容。 nts 14 第三章 硬件控制部分设计 在实际应用中，机器人车体下部需安装吸尘或清扫等辅助机构，故控制 系统安装在小车底板的上面。控制系统硬件主要包括 AT89C51单片机控制系 统及其外围电路、电机驱动电路和传感器检测电路。 3.1 AT89 系列单片机简介 机器人的控制系统采用的是 AT89C51单片机。 AT89系列单片机是 ATMEL公司的系列产品。其主要特点如下 : .与 MCS-51”产品兼容 .1000次重复编程 /擦写 .具有 2. 7V低电压型号 表 3. 1 AT89系列单片机的性能参数 功能参数 AT89C51 AT89C52 89C1051 89C2051 闪速式存储器（字节） 4K 8K 1K 2K 内存（字节） 128 256 64 128 工作频率（ MHz） 24 24 24 24 输入 /输出线 32 32 15 15 16位定时器 /数器 2 3 1 2 中断源 5 8 3 5 串行口 1 1 0 1 nts 15 3.2 外围电路 (1)电源 AT89C51 单片机正常工作时，其 40 脚 (Vcc)接 +SV 电源， 20 脚 (VSS 接地。本系统采用直流稳压集成电路芯片 7805 将蓄电池提供的 +12V 直流电压变换成 +5V直流电压。电路原理图如图 5所示。 D1I N 3 4 XD22 2 0 0 u FR 1 51KC10 .1 u FC20 .3 3 u F+ 1 2 VINGNDOUT7 8 L 1 2VV12J9C O N 212J8C O N 2+ 5 V78L05nts 16 图 5 电源电路 (2)复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。复位可分为上电复位和外部复位两种方式。上电复位是指单 片机在接通电源时对单片机复位，外部复位可由外部脉冲复位或由手动复位。本系统采用上电复位方式。复位电路如图 6 所示。上电瞬间由于电容 C7 两端电压不能突变，所以电容正极电压为低，经过 74LS14 反相施密特触发器反相后，单片机 RESET 脚保持高电平。随着电容正极电压的逐渐上升，RESET 脚的电压逐渐下降。只要合理选择 Rg, C7 的值使 RESET 脚上高电平的保持时间超过两个机器周期，就可以使单片机可靠复位，电容 C5, C6起滤波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作。 R?R E S 2C522u FC610p FC710u FS1S W - P B12U 11 A74L S 14V C C图 6 复位电路 nts 17 (3)时钟电路 单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的，片内的时钟产生有两种方式 :内部时钟方式和外部时钟方式。 本课题采用内部时钟方式 (如图 7 所示 )，片内高增益反相放大器通过 XTAL1和 XTAL2 外接作为反馈元件的晶体 (呈感性 )与电容组成的并联谐振电路构成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟。 AT89C51工作的时钟图频率为 0-24MHz。本课题选择 12MHz的石英晶振与 30pF的电容构成并联谐振电路。采用外部时钟方式时，按不同工艺制造的单片机芯片有不同的接法， 如表 3. 2所示。 X112.0 00M H ZC330pFC430pF图 7 时钟电路 表 3. 2单片机外部时钟接法表 芯片类型 接法 XTAL1 XTAL2 HMOS型 接地 接片外振荡脉冲入端 CHMOS型 接片外振荡脉冲入端 悬空 nts 18 3.3 电机驱动电路 步进电机的步进原理 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位 移或线位移的控制电动机。说通俗点，就是给一个电脉冲，步进电动机就转动一 个角度或者前进一步，因此， 步进电机也称脉冲电动机。步进电机区别于其他控 制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角 度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机是数字控制 电机，它将脉冲信号转变成角位移，因此非常适合于单片机控制。步进电机的角 位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电脉冲频率成正比。 在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。 通过改变脉冲频率的高低可以在很大范围内实现步进电机的调速，并能进行快速 启动、制动和反转。它能直接接到交直 流电源上工作，而必须使用专用设备 步进电机控制驱动系统，典型的步进电机控制驱动系统如图示： 图进电机控制驱动系统 变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。脉冲分配器根据指令把脉冲按一定的逻辑关系加到各相绕组的功率放大器上，使步进电机按一定方式运行，实现正、反转控制和定位。脉冲分配器输出的功率极小，只有几毫安电流，必须通过功率放大器进行放大，才能给相绕组提供足够的电流。相电流一般需要几安培甚至十几安培电流。步进电机有几相，就需要几组功率放大器。 现在 步进电机控制驱动系统经常将变频号信号源、脉冲分配器和功率放大器集成在一起，使用起来十分方便。本课题的步进电机控制驱动系统选用的是北京四通电机有限责任公司生产的 SH-20402A 两相混合式步进电动机细分驱动器 .其中。其主要特点如下 : (1) lOV-40V直流供电 (2) H桥双极恒相流驱动 nts 19 (3)最大 2A的八种输出电流可选 (4)最大 64细分的八种运行模式可选 (5)输入信号光电隔离 (6)可适应共阳、共阴、单 /双脉冲多种模式 (7)脱机 (FREE)保持功能 (8)半密闭式机壳可适应更严苛环境 (9)提供 节能的自动半电流锁定功能 S H-20402A两相混合式步进电动机细分驱动器性能指标如表 3.3 所示 : 表 3.3电气性能 (环境温度 Tj=25时 ) SH-20402A两相混合式步进电动机细分驱动器的输入信号与 TTL电平兼容，驱动器的接线端子采用可拔插端子，可以先将其拔下，接好线后再插上。其输入信号如下 : (1)公共端驱动器的输入信号采用共阳极接线方式，应将输入信号的电源正极连接到该端子上，将输入信号连接到对应的信号端子上，此时对应的内部光耦导通，控制信号输入驱动其中。当用户系统的信号无法提供共阳极接线方式时，需要另作接口电路与之匹配。 (2)脉冲信号输入该脉冲信号下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步，脉冲低电平的持 续时间不应少于 10 (3)方向信号输入该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。该端悬空被等效认为输入高电平。控制电机转向时，应确保方向信号至少 5 us 建立，可避免驱动器对脉冲的错误相应。 (4)脱机信号输入该端接受控制机输出的高 /低电平信号，低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态 (脱机状态 )。高电平或悬空时，转子处于锁定状态。 本课题中左右驱动电机的驱动器脉冲信号输入分别由 AT89C51的 P1_ 0位 和 P1_ 2位提供，方向信号由 AT89C51的 P1_ 1 位和 Pl_ 3位提供。 供电电源 10VDC-40VDC,容量 30VA 输出电流 峰值最大 2A/相（电流可由面板点位器调节） 驱动方式 恒相流 PWM控制 励磁方式 最大六十四细分的八种运行模式（也可定制十细分） 绝缘电阻 在常压下大于 100M 绝缘强度 在常温常压下 0.5KV， 1分钟 nts 20 3.4 检测电路 机器人自主运行时，获得外部环境信息是至关重要的，而获得外部环境信息唯一的途径就是依靠传感器。同人一样，如果不了解周围环境的情况，机器人就不能灵活的适应环境，所以精确、灵敏的传感器检测电路的设计是非常必要的。 本课题采用的障碍检测传感器选用的是飞凌传感器有限公司的 E30-DSSONA直接反射型光电开关，它采用光电开关集成电路、传感器与放大器合成一体，具有体积小、性能可靠，安装使用方便等特点。其工作原理为 :当被检测物体经过时，将足够量的发光器所发射的光线直接反射回受光器，光电 开关产生检测开关信号。所以该传感器能以非接触方式检测出前方一定范围内的物体，并转换成高电平信号输出。其主要技术参数如表 3.示 : 表 3.4E30-DSSONA光电开关主要技术参数 电源电压 DC100DC 检测方法 直接反射、漫反射、扩散反射 检测距离 10-50cm 检测温度 -1