毕业设计（论文）-iRobot Roomba扫地机器人的设计

成都理工大学毕业论文（设计） iRobot Roomba扫地机器人的设计 作者姓名：专业班级：指导教师：摘 要清扫机器人有四项关键技术，包括：传感技术、路径规划技术、吸尘技术和电源技术，这四项技术对清扫机器人的发展起着至关重要的作用。本文主要介绍了目前国内外清扫机器人的研究现状以及机器人的结构设计和程序设计。总体来说，机器人的研究已经很深入了但还是存在不足。清扫机器人结构主要包括行走结构、清扫结构、吸尘结构和擦地结构。清扫机器人的程序设计主要包括单片机系统控制程序、驱动电机控制程序。关键词：清洁机器人 智能控制 运动原理 结构设计 The design of the iRobot Roomba robot sweeps the floor全套图 纸加扣 3346389411或3012250582AbstractCleaning robot has four key technologies, including: sensor technology, path planning, vacuuming technology and power technology. The four technologyplays a vital role in the development ofcleaning robot. This paper mainly introduces the cleaning robot at home and abroad research status and structure design and program design of the robot. Overall, the robot has been researched deeply. But there is still insufficient. Cleaning robot structure mainly includes walking structure, structure, structure and vacuum cleaning brush structure. Cleaning robot design program including the MCU system control program, motor control program.Key words: cleaning robot intelligent control motion principle structural design 目录摘 要IAbstractI目录II第1章 前言31.1.研究现状21.1.1国外研究现状21.1.2国内现状41.2研究的目的和意义51.3设计的重点和难点5第2章 机器人的结构设计62.1机器人的结构组成和工作原理62.1.1机器人的结构组成62.1.2工作原理82.2iRobot Roomba的总体设计92.2.2 iRobot Roomba机器人本体硬件结构102.2.3清洁机器人充电站硬件结构设计12第3章 具体计算143.1电机选择143.2蜗轮蜗杆的选择153.3清扫机构的电机的选择183.4关于蜗杆上轴承寿命的计算183.5 清扫机构中涡轮轴的校核20第4章 清洁机器人软件程序设计224.1单片机系统控制程序224.1.1时钟与设置程序224.1.2已经显示程序234.2驱动电机控制程序244.2.1电机正反转控制244.2.2电机转速控制244.2.3电机反馈控制254.3避障处理264.3.1未知环境探测264.3.2实现避障的方法2744路径规划294.4.1 iRobot Roomba机器人的路径规划方法：栅格法294.4.2 iRobot Roomba机器人的路径算法：往复式算法294.4.3往复式性能分析30第5章 自主充电技术研究315.1自主充电技术概述315.2自动充电具体设计315.2.1自动充电总体方案315.2.2电池电压监控325.2.3红外发射电路335.2.4红外接收电路335.3充电电源检测335.4自动充电系统软件设计34结论35感谢36参考文献36IV第1章 前言在最近这几年，人工智能技术、传感器技术和移动机器人技术都得到了飞速发展和提高，这些技术和清洁机器人息息相关，这些技术得到了提升也就意味着会有更加完善的清洁机器人诞生，这同样意味着清洁机器人的未来更加值得我们期待。随着我们对清洁机器人研究的不断加深，已经有不少种类的清洁机器人进入了我们的日常生活。当我们工作一整天之后，拖着疲惫的身体回到家中却看到地上满是垃圾，这会让我们感到更加的疲累，不过只要家里有了清洁机器人，这种情况就不会发生。当我们外出工作的时候，机器人就可以把家里打扫的干干净净，当我们回到家里的时候就会有一种伤心悦目的感觉，全身的疲惫都会一扫而空。本次的论文就是关于irobot roomba机器人的设计。1.1.研究现状 1904年第一台扫地机在英国问世，从那个时候开始，扫地机进入了人们的生活当中。随着时间的流逝直到现在，扫地机得到了长足的发展。在人们的日常生活中，扫地机发挥的作用也越来越大。接下来，介绍几种比较经典的清洁机器人。1.1.1国外研究现状德国 Kaercher 公司生产的RC3000是世界上第一台能够自主完成家庭地面打扫工作的清洁机器人1，如图1-1 所示，这款机器人的内部装有芯片控制系统以及光电传感器，一旦机器人在清扫过程中检测到杂物的存在，它就可以随机的改变行进的方向，继续进行打扫，一直到打扫工作彻底完成。当电源电压不足时，它会自主地返回充电站进行充电。在这款机器人的内部一共设置了四种清洁程序，机器人会根据环境的不同来选择最合适的程序进行打扫。在机器人的内部装有光敏传感器，当机器人打扫到距离楼梯或者台阶的边缘很近的时候，传感器就可以检测到楼梯和台阶的存在，然后机器人就会自动远离，这就避免了机器人可能发生的跌落以及因跌落造成的损伤。机器人本身的扁平结构，极大地方便了机器人的清扫，一些我们平常不容易打扫的地方，对机器人而言，却可以很轻松地完成，如图1-2.图 1-1 RC3000 和充电站 图 1-2 RC3000 清扫工作图 “三叶虫”诞生于英国，这是一款问世较早但功能强大的吸尘器，如图1-3所示。它内部装有超声波探测器，可以迅捷地探测到障碍物的存在并绕开能够自由穿梭清扫，同时可以自主的设计出最优行走路线；这款机器人能够分三个档位来工作：正常、快速和点清理；当机器人的垃圾盒被垃圾充满之后，机器人就会发出警报；如果用户有些地方不需 “三叶虫”打扫，只要贴上特制的磁带就能够限制机器人的打扫范围。“三叶虫”的电源是可充电的，电量充满之后机器人大概可以持续工作1个小时。图1-3 伊莱克斯的“三叶虫”2002年9月清洁机器人“Roomba”在美国面世，它的重量大约是2千克，直径30英寸2。这款机器人拥有高度的自主工作能力，它体积较小，因此能够轻松地把房间内各个角落的垃圾打扫干净。当 “Roomba”进行打扫的时候，动作不会太快但是打扫的效果却很好，在主人外出之前，可以设定机器人进行自主工作，当打扫完成之后，机器人就会自主切断电源，进入待机状态，如图1-4所示：图1-4 美国“Roomba”清扫机器人1.1.2国内现状1999 年初，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，与苏州TEK 公司合作研发，到2003 年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高1。机器人工作之前，需要先进行环境探测，从而决定清扫时间；然后，计算出效率高的清洁路径；在打扫完成之后，机器人就会自动返回充电站充电。不过因为系统在进行升级，所以并没有产品进入市场。之后国内推出了机器人KV8，这款机器人防跌落，可以自主清扫，同时价格便宜。但是这款机器人没有充电站，只能靠人工进行充电。国内众多品牌清洁机器人中，科沃斯机器人是比较出名的。市场上平均卖出3台清扫机器人，当中有2台就是科沃斯的。科沃斯清洁机器人利用涡轮增压系统提高机器人的清扫动力，从而使得机器人打扫房间的质量得到保障。这款机器人能够自主选择最佳清洁模式；具有防碰撞，防跌落的设计；预约定时，自动充电，让智慧清洁有始有终。图1-5 科沃斯扫地机器人1.2研究的目的和意义 如今社会的发展越来越迅速，生活节奏也越来越快，人们身上的压力也越来越大，所以很少有人会在工作一天后还愿意打扫自己的房间。这就使得清洁机器人有了广大的市场。但是现在市场上存在的机器人质量好的一般价格也比较昂贵，希望通过这次设计，可以降低机器人的生产成本，使得机器人能够进入更多人的生活当中。1.3设计的重点和难点 本文主要是对irobot roomba 的结构进行设计和材料的计算。关于清洁机器人清扫机构的设计是本次设计当中的重点，本文需要介绍机器人的各种功能以及实现该功能的原理。第2章 机器人的结构设计2.1机器人的结构组成和工作原理清洁机器人整体上由2大部分组成，分别是控制系统和机械部分。机器人的整体外观如图2-1，它的机械部分包括2个驱动轮、1个万向轮、塑料底盘以及外壳。毛刷、电机、电池和控制系统只有安装在这些部件上面才能发挥功用。图2-1 扫地机器人2.1.1机器人的结构组成 （1）行走驱动轮及驱动电机。这部分作为机器人的移动机构（如图2-2），功能就是让机器人在平面上可以自由的行走。机器人的底面有3个红外探测器，当机器人打扫接近楼梯或台阶时，这3个红外探测器就可以检测出来，从而防止机器人掉下去。当机器人进行清扫的时候，有可能会碰到桌角或者其他障碍物，这就使得机器人需要避障，而在清扫机器人的的前面和侧面都有红外开关，这就避免了机器人产生碰撞磨损。图2-2 移动机构 （2）清扫机构。当机器人进行打扫的时候，首先电机启动，然后带动滚刷转动，这时右面的滚刷做逆时针转动，左面的滚刷做顺时针转动，在这两个清扫刷的共同作用下，垃圾和灰尘都被集中到吸尘器的吸风口。 （3）吸尘机构。由吸尘器内的风扇高速旋转产生强大的吸力，把垃圾和灰尘吸入垃圾盒中。 （4）擦地机构。前面两部分完成之后，大部分垃圾都扫干净了，但是还有一些细小的灰尘没有扫到，这时候，装在机器人下面的清洁布开始擦地，通过3重结构保障打扫的高质量。图2-3 机器人的组成机构移动机构，清洁机器人的整个机体都在移动结构上面。我们课题的研究是室内清扫，所以选用的轮式结构。本次选用轮式结构的机器人，轮式结构机器人轮系通常情况下分为三轮、四轮和六轮等。在这次的设计当中，因为机器人的整个机体并不是很大，只要三个轮子就可以让机器人完成移动。采用三轮机构，而三轮机构清洁机器人想要实现转向一般情况下只有通过差速转向和铰轴转向这两种方式。而iRobot Roomba就是采用差速转向式来实现机体的转向。机器人的机体上一共有3个轮胎，在机体前端的轮胎是万向轮，机体中间的两个轮子都是驱动轮，当机器人要进行转向的时候，驱动轮上的驱动电机开始运行，这就使得两个驱动轮产生不同的加速度，从而产生不同的速度，然后整个机器人就完成转向。2.1.2工作原理清洁机器人想要完成它的打扫工作，如果它自身什么都没有那就是不可能实现的，因此在机器人机体上面安装了很多个工作模块，在这些模块的共同作用下，机器人才能够实现打扫。CPU是整个机器人的核心，红外遥控接收模块和键盘模块主要用于接收主人的指令，然后把指令传给CPU，CPU接收到指令后经过处理，返给机器人开始工作。信息采集模块用于采集机器人的本身信息和周围环境的信息。机器人工作流程如下：（1） 开始用遥控器或者键盘把机器人打开，使机器人进入工作状态。（2） 机器人开始打扫之后，传感探测模块不断地收集外界的信息并把收集的信息传递给CPU，CPU接收到之后，对这些信息进行分析、处理最终规划出一条效率最高、同时能够完全覆盖清扫区的路径。（3） 机器人按照路径规划开始进行打扫，当需要转向时，CPU就会通过驱动轮上的独立电机改变两轮的速度比实现机器人的转向。（4） 机器人在工作的时候，LCD显示屏会显示一些它本身的工作信息。（5） 遥控器主要用来控制机器人，不仅能够控制机器人的启动和停止，除此之外，还可以给机器人进行定时，让机器人在特定的时间段进行工作。iRobot Roomba通过装在机体上的各种传感器协同工作来得到机器人工作的环境信息，例如，房间的长度以及宽度，还有房间内影响机器人打扫的物体的位置。传感器把所得到的信息传递给CPU，CPU经过分析、处理后规划处一条高效率、高打扫质量的路径。2.2iRobot Roomba的总体设计iRobot Roomba结构如图（2-4），系统是通过充电基站和机器人自身两大部分构成。机器人本身需要完成的是进行地面的打扫，而且机器人还有定时工作的功能，可以在特定的时间段进行工作；可以自主的躲避障碍物；自主的打扫地面；当检测到楼梯时，自动离开，避免出现碟碰自；机器人还可以在电源不足时主动寻找充电站充电等功能；基站的主要功能就是给机器人充电和发射召回信号。机器人通过这两部分实现自主工作。图2-4 结构总图 机器人采用轮式差速转向行走机构，如图（2-5），机器人中间的两个轮子每个上面都有两个独立的驱动电机来控制轮的速度，通过改变左右轮的速度比来改变机器人的行进方向9，而安装在机器人前方的轮子则是自由轮。清洁机器人就是通过这种方式实现自己的移动。图2-5 轮式差速转向行走机构2.2.2 iRobot Roomba机器人本体硬件结构iRobot Roomba机器人硬件结构由控制器（单片机）、电机驱动器、传感器、转态设置按钮、电源模块和状态显示器等几部分构成，这些模块由单片机统一进行管理，共同工作，从而保证机器人的功能实现。其关系图如(2-6):图2-6 清洁机器人的硬件控制系统机构图 各模块的主要组成与功能如下：（1） 控制器（单片机）主要由单片机STC89C52RC组成，它的主要功能是实现各个模块和和控制程序的对接，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轮从而带动机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负载清洁除尘工作，如图（2-7）。图2-7 驱动电机（3） 传感器：主要有红外避障传感器、红外防跌落传感器等组成，这些传感器的功能各不相同，但是却能够实现功能互补，从而保证机器人工作的顺利进行，它们主要是用来检测机器人当前工作的环境信息以及机器人当前的状态，最终把这些信息传递到CPU。（4） 状态设置按钮：对机器人的开始工作、停止工作或者其他的转态进行设置。（5） 工作状态显示器：用来表示机器人工作时的温度、位置等。（6） 电源模块：机器人不同的模块需要的电压不同，而电源模块可以把电源的电压转换成不同的电压让其他模块应用。2.2.3清洁机器人充电站硬件结构设计 iRobot Roomba充电站的系统示意图如图（2-8）。机器人采用可充电电池供电。冲电基站上面存在着金属插板，清洁机器人的后端有金属充电电极，当金属片和充电电极接触上后就可以开始冲电。在机器人的机身上面装着两个红外调频接收器，每个接收器都能够接收到90度范围内的红外信号。假设清洁机器人寻找充电基站的时候沿着顺时针的方向向前走，装在机器人机体上的调频红外传感器就能够检测到信号，之后机器人就会顺时针旋转90，接着位于机器人后面的传感器就会检测到信号，并且靠向充电站，一直到和充电站的充电端子接触成功。因为机器人在行走中出现错误，所以向充电站前进的时候有一个自主适应的过程。图2-8 充电站硬件系统组成示意图充电站硬件结构由充电器模块、充电站控制器、调频红外线发射器3个部分组成。（1） 充电器模块：机器人充电站一般直接提供的电源都是220V的交流电，但是220V的交流电并不能被机器人直接使用，供电模块就是用来把220V的交流电转换成可以被整个系统的使用5V直流电和电池充电用的24V直流电。（2） 充电站控制器：当充电站的充电端子和机器人的电池对接充电的时候，调频红外发射器就会被关闭，这样不仅可以节约电量，同时也能够延长传感器器的使用寿命。（3） 调频红外发射器：主要用来发射调频红外波，红外波的频率大约为1KHz,当机器人接收到红外波时，会根据红外波来调整自己的方位，向充电站靠近，并最终与充电站对接进行充电。第3章 具体计算3.1电机选择(1) 初步估计机器的总重量为5千克、g取 9.8Nkg，则G=5*9.8=49N则分配到每个轮子上的载荷位F=13G=13*49=16.3N.(2) 按橡胶在优质路面上行走，取滚动摩擦系数=1，滑动摩擦系数=0.1，则:滚动摩擦阻力Mf=F=l16.3=0.0163N.m滑动摩擦阻力f=F=16.30.1=2.21N由前面的总体设计中机器的各个机构的布局安排，车体底盘应至少高于地面10mm，取轮子直径D为96mm，则半径R=12D=48mm，则轮子行走过程中所受的阻力矩：=fR+Mf=1.6348103+0.0163=0.0945N.m(1) 工作机要求的功率= Tw*n9550，式中：=0.126N.m由 =2=204r/min取，则=3.83W，电机所需的输出功率=,其中=*0.97*0.9=0.86,则电机所需的输出的功率= =4.45W。(3) 确定电机。考虑到机器人在转弯时要求其转弯半径为零，这样就要求两个和电机相连的轮子在转弯时必须差速运转从而才能实现转弯半径为零。而要实现差速运转则要求电机具有调遣功能，再由(2)中所算得电机输出功率、从而通过在网上搜索查到了宁波市北仓深港交流调速电机厂生产的YCJT系列电机满足设计中所需要的电机要求，因为运转本机器时电机需要输出的功率为4.45W，由宁波市北仓深港交流调速电机厂网站上给的产品的技术指标和安装型号中选型号为YCJT-6-1输出功率为6W，速度可调范围为90-1350r/min，1200rmin时转矩为5N.cm启动转矩为3.5N.Cm的电机，因为其在满足要求的情况下尺寸比我所查到的电机的尺寸都小，所以选用它为驱动机构的电机。3.2蜗轮蜗杆的选择(1)选择蜗杆传动类型 根据GB /T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI)(2)选择材料因为本次设计所用的蜗杆和涡轮是清扫机构功率的输如部分，是机器人结构中最重要的部分，因此需要效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度4550HRC。涡轮用铸锡磷青铜ZCuSn10Pb1，金属模铸造。(3)按齿面接触疲劳强度进行设计1、确定载荷系数K根据传动比选择为i=14，参考蜗轮蜗杆参数表取Z1=2，则Z2=28。因为工作载荷较稳定，故取载荷分布不均匀系数=1，由查表机械设计确定计算公式所需参数：=1，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数=1. 1；则载荷系数K=1*1.1*1=1.1；2、确定作用在涡轮上的转矩T2：T2=9550*106*P /n 当=2时，=0.70.9，取 =0.8，代入式中得：T2=9.55*=9.55*=234469N.mm3、确定弹性影响因素 Ze因选用的是铸锡磷青铜齿轮和钢蜗杆相配合，故查机械设计得：Ze =160。4、确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35，从机械设计查表的Zp=2.9。5、确定应力循环次数应力循环次数N2=60 N2Lh=60*206*12000=1.48*108查机械设计得：=230MPa -=90MPa= 194Mpa；= = =52MPa6、计算中心距 a=40.2mm取a=40mm，因i=14，从机械设计中查表取模数m=2mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm。这时d1/a=0.56，从机械设计中查图得Zp=2.42.9，因此以上计算结果可用。查表选取m=2mm，d1=22.4mm， Z1=2q=11.20，Z2=29，分度圆导程角r=100729。中心距=40 mm，d2 =mz2=58；a=40.20mm，不是标准推荐中心距，若选择中心距，涡轮将变位。本设计不采用变为，取a=40.20。(2) 验算初设参数蜗轮圆周速度=0.63m/s，原估计3m/s，选Kv值，相符。滑动速度= =3.54m/s，在范围之内，所选材料合适。蜗杆传动效率=（0.950.96） 根据=1.8m/s，查表得 =2，=0.83，传动效率=（0.950.96）*0.85=0.810.82，与初选 =0.7不符，初效率应适当降低。（5）验算齿根弯曲疲劳强度和刚度= (1.6K)/ =58.4Mpa蜗轮当量齿数=/ =29.44，查得齿形系数=2.65；则可求的：=1- =0.917带入式中=27.85Mpa0.0468N所以轴承1压紧，轴承2放松所以Fa1=0.0618N，Fa2=0.0468N Fa1 Fa2，所以只需要校核轴承1即可因为Fa/Fr=0.0618/0.1405e选取X=1，Y=0，fp=1.0所以P=FP (XFR+YFA)=1.0*(1*0.1405+0*A)=0.1405所以 =( ) =1.08*106h所以符合要求。3.5 清扫机构中涡轮轴的校核轴上能使产生弯矩的力有Fr，FtFr=0.081NFt=0.015N两个力在相互垂直的两个平面上，L=69mm，D=12mm如下两个视图4-3做弯矩图如4-4所示Mr=0.25FrL=0.250.08169=1.40N.mmMt=0.25FtL=0.250.01569=0.3N.mm合成弯矩M=Mt+Mr=1.43N.mm= = = = 1.43/(0.1123)=0.01M/mm2 由于前面已经选定轴的材料为45钢，调制处理，查表=60N.mm，故符合强度要求。第4章 清洁机器人软件程序设计4.1单片机系统控制程序4.1.1时钟与设置程序 iRobot Roomba当中关于的时钟操作可以使它完成定时工作。它用自身单片机的定时器来实现。STC89C52有3个定时器，其中T0用作定时。把T0设置成工作方式1，把12MHz的晶振用作单片机系统，这种情况下最大定时是66636uS,也就是0.06S，则赋初值为0X15A0，即TH1=0x15,TL1=0xA0。设置出来三个时刻改变的数值ti,分钟和小时,在机器人的定时工作和停止的程序当中，ti依次增加，直到达到1000次的时候，计为一分钟，如图4-1，图4-1 系统即使程序流程图 图4-2 设置程序流程图通过4个键位以及LCD显示，人们就能够轻易的设置机器人，让机器人按照人们的意愿工作。4个按键分别定义为ADD、DEC、 SET和OX键。其中SET键是设置键，第一次按下之后，你就可以对机器人进行设置，当设置完成之后，在按一次，就能够对机器人的下个状态进行设置，每次按下SET键，就会改变一次设置内容，直到设置全部完成后，在按一次就会退出设置项。ADD用于增减内容的数据，而DCE则用来减小内容数据。OK是确定键，当完成数据的增减之后，按下OK键，进行确定。机器人的设置程序流程图如图4-2.4.1.2已经显示程序1602液晶模块对于机器人来说很重要，它的主要用途就是显示机器人的状态。MPU发出数据和指令，控制器接收到之后控制整个模块工作，模块由指令寄存和译码机构、DDRAM、CGRAM、CGROM等字符存储区域以及MPU和列驱动器的IO接口、地址计算器等部分组成。图4-3 1602读操作时序图4-4 1602写操作时序图4-5 液晶显示程序流程图4.2驱动电机控制程序4.2.1电机正反转控制在iRobot Roomba左轮和右轮上都装有两个直流电机，来实现它的差速移动。 两个直流电机的驱动机构都是采用L298N芯片，该芯片的逻辑功能如表4-1所示，它利用IO输出高低电组合来实现两电机的正转和反转。表4-1 L298N的逻辑功能4.2.2电机转速控制电机的转速通过PWM方式控制。脉冲宽度调制是把输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内工作周期的大小来控制输出功率11。电机的旋转速度和加在电机两端的电压有一定的关系，施加在电机上的电压越大，那么电机的旋转速度也就越快。由于施加在电机的电压和占空比成正比，因此占空比的数值越大，施加在电机的两端电压也就越强，这样的话电机的旋转速度也就越快。选择定时器产生PWM波。89C52有三个定时器，T0，T1和T2，T0用于系统计时，可以利用T1和T2分别产生两组PMW波。但是我们只需要使用一个定时器就可以形成多组PWM波。原理设定一个周期时间为T，将时间分为10份，（图4-6所示），每一小段的时间都是t, t为定时器的定时时间。在程序中，首先给PWM1和PWM2赋与电平，而赋予它们的电平是由需要的占空比决定的，如PWM1为30%、PWM2为50%时，PWM1在三个定时中断后变成低电平，而PWM2则依旧是高电平，这种情况会一直持续到5个定时全部中断后转变成低电平，取10个定时中断为一个周期，这样循环就产生了两个占空比不同的PWM波。我们利用这个原理就可以形成多组PWM波。图4-6 两种PWM波产生程序流程图4.2.3电机反馈控制iRobot Roomba采用差速式结构移动，它有两个驱动轮，在每个驱动轮的上面都装有齿轮轴，霍尔传感器就被安装在磁钢片上面的一个地方，用它来测验电机的转速。我们可以利用计数器来测定脉冲的数目，单片机有3个计数器，其中T1和T2都有用途，但是T1和T2能够被重复的使用，设置T1和T2的任务互不影响，通过设置，T1就可以用来计量左轮霍尔传感器的脉冲数目，T2用来计量右轮霍尔传感器的脉冲数目。4.3避障处理4.3.1未知环境探测清洁机器人被置于一个特殊的环境下，关于环境的信息一点都没有。这就需要避障系统首先要求机器人对环境先进行探测。红外传感器具备一些预瞻能力，而碰撞传感器的性能比较可靠。红外传感器能够在最短的时间内探测到远处的杂物，碰撞传感器能够探测到距离机器人较近的信息，把这两种传感器探测到的信息，依据一定的算法，可以得出较为真实的环境情况。传感器布局如图4-7，机器人四周各有一个反射式红外传感器，前方有两个碰撞传感器，底盘有三个红外传感器，用于台阶检测。图中机器人需要进行探测的区域是红线包围的区域，但是机器人实际上能够探测到的地方却是蓝色虚线所包围的区域，红线包围的区域和蓝线包围的区域并不完全重合，这就意味着机器人的探测并不完全，存在无法探测到的区域，这部分区域大部分分布于左后侧和右后侧。清洁机器人在正常工作的时候，只有在遇到桌角或台阶时才会后退一小段。因此这几块盲区的存在对于机器人的清扫几乎不存在影响。图4-7 传感器探测区域和盲区4.3.2实现避障的方法在室内打扫时，因为房间内存放大量的家具、电器等，这就使得机器人的打扫环境十分复杂，而且有人们还会时不时的会走动，在这种情况下，机器人要想顺利的完成清扫就要做到躲避避障碍物。图4-8 避障策略图关于躲避障碍物的措施最常用的有势场法和栅格法等。iRobot Roomba机器人用的是基于多传感器的反应式实时避障策略，这种策略拥有反应速度快、可以同步进行、效率高的特点，十分适用于在不知道环境信息的地方避障。实时避障如图4-8，首先传感器搜集周围的环境信息，一旦检测到有障碍物的存在，机器人就会减速前进，当发生碰撞时就停止并后退一小段距离，然后通过左右侧红外传感器检测两边环境，优先右转，如果不行就左转，再不行就后退，当后退的路被障碍物挡到时，就延时一段时间之后再检测周围环境，当延长时间超过一段时间（如6分钟）后，仍然不行，机器人就认为遇到特殊情况，然后启动警报。当位于底盘的红外传感器检测到楼梯的时候，就启动中断程序，选择向后撤离，防止跌落，产生碰撞损伤。44路径规划4.4.1 iRobot Roomba机器人的路径规划方法：栅格法设定以方形区域代表机器人的几何形状。把机器人看成一个点，网格来表示工作空间，把机器人工作的空间分成大小相同的网格。这个方法方便了路径规划的实现，而且也可以表示不规则障碍物，但是没有一种方法是十全十美的，这种方法同样也存在着缺点，表示效率不高。栅格划分大了，分辨率就会下降；栅格划分小了，环境的储存量就太大。4.4.2 iRobot Roomba机器人的路径算法：往复式算法往复式算法，同样也被称为犁式算法。让机器人首先沿着墙壁行走一圈，建立完成地图之后，开始往返式的清扫。往返式行走能够分为下面的几部分运动步骤，9（1） 机器人由房间的某个角落开始，首先沿着墙面运动，直到和墙壁发生碰撞；（2） 机器人旋转180，并且偏移与吸尘口宽度相同的距离；（3） 重复步骤1；（4） 位于机器人侧面的传感器能够检测出是否有障碍物的存在，假使在机器人将要偏移的方向检测到了障碍物的存在，而且检测到杂物的距离比较小，那么机器人就会终止往复式覆盖程序的执行然后执行其他程序；（5） 机器人按照和前次相反的方向旋转180，同时也会偏移一定的宽度；（6） 重复上述步骤。在长方形的没有障碍物的房间里面，往复式可以轻易的实现房间的打扫，经过往复运动，清洁机器人大致可以完成房屋内的打扫，但是如果房屋存在障碍物的时候，那么障碍物的另一边就不能被打扫到，这就需要用其他的方法继续进行打扫。4.4.3往复式性能分析图4-9 往复方式 （4-1） （4-2） （4-3） （4-4）第5章 自主充电技术研究5.1自主充电技术概述自主对接充电就是让清洁机器人在自身电量不足以继续工作的时候可以的自主切换到充电模式，这样就避免了机器人因为电压不足而无法工作的情况的发生。一旦机器人感到自身电量不够充足的时候，它就会自动停止正在进行的打扫任务去找充电站。当电源达到额定电压之后就会继续之前的打扫工作。通常情况下，即使机器人是在电源充满的时候开始打扫工作，也不足以第一次就实现对面积较大的房屋的清扫，所以自主充电技术对清洁机器人而言十分重要。目前，移动机器人的能源都来自于可充电电池组，但是电池组的能源不能维持太长时间，当电能耗尽的时候，智能人工充电，当充电完成之后，再由人工脱离电路，继续工作。这虽然操作简单，但是会造成人力浪费，而且机器人不能实现完全的自主、智能，（如图5-1A）。图5-1 机器人的任务环如果机器人要实现真正的自主工作，就要完成5-1B的循环，一旦开始任务之后，机器人可以自主充电，直到完成任务。5.2自动充电具体设计5.2.1自动充电总体方案当机器人内部的电压低于一定值的时候，它就会自动寻找充电站进行充电。机器人一直前行，直到碰到墙壁并沿着墙壁按顺时针方向行进，直到返回充电站。在机器人的贴边一侧和后部各装有一个红外接收器，如图5-2A所示，一旦它接收到充电站发出的红外信号，就会顺时针旋转90，如图5-2B所示，而且顺着红外光路向充电站的方向行进，当它到达充电站后就会检查充电线是否和插座完成对接。图5-2 自主充电对接技术5.2.2电池电压监控机器人采用镍氢充电池充电，放电曲线如图5-3，机器人能正常工作40分钟，选取图中的2C放电曲线，那么每一节的电池正常工作时的电压在1.05伏特和1.40伏特之间,则12节电池串联后，电压范围为12.5V-17.5V。由于电池电压高于CPU电压，因此首先将充电电池电压通过比较器处理，然后送A/D处理，可以随时的进行查询和控制。图5-3 镍氢电池放电曲线5.2.3红外发射电路 红外发射电路的作用是对机器人进行引导，它发出特定频率的红外信号让机器人接收到，然后机器人根据收到的信号进行活动。图5-4 红外发射电路 红外发射电路如图5-4所示。5.2.4红外接收电路 红外接收电路主要靠锁相环译码芯片LM567的相互配合来实现。LM567在电路中起选择频率的作用，电路如图5-5. 图5-5 红外接收电路5.3充电电源检测在机器人向充电站移动的过程当中，红外传感器不止要检测信号，同时还需要准确的判断机器人的充电电极是否已经和充电端子接触上。使用图5-6所示分压电路，调节RP1至输出电平稍小于5V。单片机通过检测J41的高低，就可以知道是否对接上。图5-6 电源检测电路5.4自动充电系统软件设计机器人的自动充电程序如图5-7.图5-7 自动充电程序框图 清洁机器人工作时，每隔一段时间就会对电池电压进行一次检测，当检测到机器人的电压低于12.5V时，就停止清扫工作朝着一个方向一直前进，直到碰到障碍物后就右转90，并通过左侧的红外传感器与其保持一定距离，并继续前进，碰到障碍物后一直选择右转90，经过几个循环后，在行进过程中，一直检测到充电站发出的红外信号，如果位于机器人左面的接收器接收到了这个充电站发射的信号，那么它就不会继续前进，在原地顺时针旋转90。这时安装在机器人后端的红外接收器再检测是否有红外信号，若没有则小幅度原地左右旋转，直到检测到了来自充电站的红外信号，然后机器人就后退，当检测到充电站后，就停下来进行充电。一段时间之后，当机器人的电量充满就停止充电，并离开充电站，等候下回工作的到来。结论虽然现在我国对智能清洁机器人的研究已经有了很大的进步，但是机器人的自主化、智能化依然不够完善。目前市场上的智能清洁机器人种类繁多，但是一些质量好，工作效率高的价格也比较昂贵，一般的家庭都不会选择。而那些价格低的又存在很多的问题。这就需要降低机器人的生产成本，使得清扫机器人能够进入更多的人的生活中。根据市场调查，清扫机器人市场具有很广阔的前