扫地机的数据控制系统设计【毕业设计】

本科毕业设计说明书扫地机的数据控制系统设计THEDESIGNOFAUTOMATICSWEEPINGMACHINEDATACONTROLSYSTEM学院（部）电气与信息工程学院专业班级电气学生姓名指导教师年月日扫地机的数据控制系统设计摘要自动扫地机属于服务机器人的一种，随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。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自动扫地机。尽管目前国内外在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果，但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高，如路径规划就是其中的一个比较重要的技术。本文介绍一种基于MC9S12DG128单片机的自动扫地机数据控制系统。该系统实时性高功能完备，包括信息采集模块、控制模块、清扫模块、运动模块。由碰撞传感器、红外测距传感器等来探测周围的环境，由红外接收头实现无线手动遥控功能，由直流电机带动两个驱动轮旋转，采用改进的“井”字形路径遍历法。经过实验证明了设计的可靠性，实现了自动扫地机的自动清洁行走。关键词自动扫地机，单片机，红外遥控，自动行走THEDESIGNOFAUTOMATICSWEEPINGMACHINEDATACONTROLSYSTEMABSTRACTAUTOMATICSWEEPINGMACHINEISONEPARTOFTHESERVINGROBOTWITHTHEDEVELOPMENTOFSOCIETY,THESERVINGROBOTHASINFILTRATEDOURLIVES,WORKANDTHEECONOMY,ANDHASPLAYEDASIGNIFICANTROLEAUTOMATICSWEEPINGISBEINGRESEARCHEDANDDEVELOPEDINTHECOUNTRIESALLOVERTHEWORLD,ANDWHICHISBEINGUSEDWIDELYINTHEWESTDEVELOPEDCOUNTRIESDESPITETHECURRENTAREASOFRESEARCHANDDEVELOPMENTATHOMEANDABROADINTHISASPECTHASMADECERTAINACHIEVEMENTS,THEREARESTILLMANYKEYTECHNICALPROBLEMSNEEDTOBESOLVEDORIMPROVEDFOREXAMPLE,PATHPLANNINGISONEOFTHEIMPORTANTTECHNICALTHISPAPERPRESENTSTHESYSTEMINTEGRATIONANDOVERVIEWOFAUTONOMOUSCLEANINGROBOTWHICHISBASEDONMC9S12DG128SINGLECHIPTHEREALTIMECHARACTERISTICANDFUNCTIONOFTHESYSTEMAREINGOODCONDITIONTHESYSTEMCONSISTSFOURSEGMENTSINFORMATIONCOLLECTIONMODULE,THEDECISIONMODULE,CLEANINGMODULE,MOTIONCONTROLMODULESEVERALSENSORSSUCHASCOLLISIONSENSOR,INFRAREDDISTANCESENSORSDETECTTHESURROUNDINGOBSTACLESWHILECLEANINGTHEREALIZATIONOFWIRELESSREMOTEMANUALCONTROLFUNCTIONISCOMPOSEDOFANINFRAREDRECEIVINGHEADTWODRIVENWHEELSAREDRIVENBYTWODCMOTORSCOMBININGITADOPTSTHEIMPROVED“井“SHAPEDPATHTRAVERSALMETHODEXPERIMENTSSHOWTHATTHECONTROLSYSTEMRUNWELLANDTHEROBOTHAVETHEABILITYTOCLEANTHEFLOORAUTOMATICALLYKEYWARDSAUTOMATICSWEEPINGMACHINE,SINGLECHIP,INFRAREDREMOTECONTROL,AUTOMATICMOVE目录摘要IABSTRACTII1绪论111概述112选题依据和意义113国内外自动扫地机的发展现状22MC9S12DG128单片机简介421前言422引脚说明423操作模式724本系统中的MC9S12DG128单片机73系统总体设计931自动扫地机系统组成9311信息采集模块9312控制模块9313运动模块10314清扫模块1032自动扫地机系统总体设计10321自动扫地机功能设计10322自动扫地机硬件框架11323自动扫地机软件框架12324自动扫地机机械结构1333电机和电池选型13331电机选型13332电池选型144系统硬件电路和软件流程1641机械结构设计16411自动扫地机本体设计16412传感器配置与安装16413运动控制系统结构1642硬件电路设计17421硬件电路总体结构17422子板设计18423时钟电路设计18424看门狗电路设计19425电源模块设计19426电机驱动模块设计21427信号采集模块设计22428视觉模块设计24429遥控模块设计254210LCD显示模块设计264211自动充电系统设计2743软件流程设计30431主程序流程30432路径规划概述31433自动充电流程33434视觉导引研究335结束语36参考文献371绪论11概述自动扫地机小巧轻便，操作简单，有很好的实用性，它自带电源，对工作环境适应性好。它的任务是清洁房间地面，主要处理地面的灰尘，对大尺寸的物体不进行处理，它对家具和人都是安全的，且具备一定得自我保护能力。自动扫地机系统的基本结构一般包括四部分信息采集模块、控制模块、清扫模块、运动模块。随着计算机技术、人工智能技术、传感器技术、移动机器人技术的飞速发展，为自动扫地机的控制模块的研究和开发打下坚实的理论与技术基础以及美好的未来发展蓝图；信息采集模块依赖于传感器技术，一般常用的传感器有CCD摄像机、红外测距传感器、重力传感器、碰撞传感器等，采集外部的环境信息；运动模块是自动扫地机的本体，一般的结构有轮式、履带式、步进式或其他方式，轮式和履带式适合移动在平整的地面上，步进式适合与条件较差的路面移动；清扫模块一般有边刷、地刷和吸尘器，边刷和地刷用于强力清扫地板上的吸附物，吸尘器吸取地板上较小的物体。近年来快速发展、深刻影响着自动扫地机进步的关键技术有路径规划技术、传感器技术、吸尘技术、控制技术、电源技术等。12选题依据和意义在人类不断发展的文明中，科技扮演的角色越来越重要。尤其在当今世界，科学技术使人类的生活和思维方式不断变革，科技产品已深入到人类生活的个个角落。在控制、感知、驱动、材料等领域不断进步的技术背景下，机器人首次出现在制造领域之外的服务领域，开辟了应用机器人的新领域。服务机器人的出现有着深刻的社会因素，主要有三大原因（1）、劳动力成本上升；（2）、人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，像清洁、家务、照顾病人等；（3）、人口的老龄化和社会福利制度的日益完善。服务机器人有着比较明显的特征适合具体的方式、环境以及任务过程的一个机器人系统，活动范围广，非结构环境下移动性，所以大多数机器人是移动机器人。自动扫地机是一种能够自动执行房间清扫的家用服务机器人，集中了机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能技术等多学科。开始于20世纪80年代的研究，现在已经有多重样机和产品，并且促进了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像、语音识别、传感器等技术的发展。许多发达国家都将其视为机器人研究的新领域给予重视。有关资料也预测自动扫地机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在市场上或者是在产品创新上，绝对是所有小家电产品中最活跃的，未来仍有很大的成长空间。13国内外自动扫地机的发展现状哈尔滨工业大学在此领域的探索工作开始于90年代，前后负责国家863高科技计划资助项目高楼壁面清洁爬壁机器人的研究任务，完美的做完了样机的研制工作。哈尔滨工业大学和香港中文大学联合，开发一种全方位移动自动扫地机，安装的万向轮可任意方向移动，开放式控制结构，软件可移植，硬件可拓展，时时避障功能，增强的自动扫地机的环境适应能力。1999年，浙江大学的机械电子研究所开始只能吸尘机器人的研发工作。我国首台低级智能自动扫地机两年以后成功问世。此类机器人执行清扫，第一学习环境，也即是依靠超声波传感器检测障碍物的距离，而且离墙壁有固定的一段距离，依据这些角落的清扫信息，计算房间的面积，根据这些信息计算清洁工作的时间，随后，基于局部遍历规划与随机规划汇合的方法进行计算最佳的移动清洁路线，打扫工作完成后，也会进行自主充电。“三叶虫”吸尘机器人是瑞典家电公司伊莱克斯经历12年，向市场推出的世界首台智能吸尘机器人。它被开启后，首先会依着墙角进行清扫工作，与此同时对清扫的房间进行扫描获取房间信息。机器人工作时，主要应用的是随机规划模式，也就是工作中会使用超声波传感器探测行进方向前方的障碍物，当探测到有障碍物时会自动选择躲避障碍物，然会自主选择新的清扫路径。工作过程中电量不足时，它会停止工作移动到充电器进行自动充电，充电完毕后，会返回到原来中断的清扫地点继续清扫工作。为了避免机器人跑到危险的区域，一般用磁条来限制机器人的移动空间，保护机器人上的安全。“ROOMBA”是美国IROBOT公司研发的家庭自动扫地机。“ROOMBA”可以运行三种模式S模式，清扫大约34平方米，工作20分钟；M模式，清扫大约67平方米，工作30分钟；L模式，清扫大约8平方米以上，工作40分钟。在设置清扫模式之后，“ROOMBA”会执行螺旋清扫路线，通过碰撞探测障碍物。当碰撞障碍物后，会顺着障碍物前行，移动一定距离后，会自动转动90度，并不断重复上面的过程。这样循环的进行，一直到清洁完成，然后停止工作。通过“虚拟墙”设置一个对机器人有阻隔作用的墙壁，控制机器人的活动空间。“ROOMBA”的环境适应性比较强，能够在家具的缝隙间自由移动，动作灵巧快捷。“ROOMBA”的最大特点是吸尘构造，不但有真空吸口，还有底部的旋转滚刷以及侧部的旋转毛刷，这些都强化了清洁去污能力，补偿了洗尘功率的不足。另外，还能够检测污垢情况，进行多次的清扫工作。2003年5月日本的日立公司亮相的智能真空机器人，其身长直径25CM，身高13CM，总重4KG，是世界上当时最小的吸尘机器人。移动最快速度是40CM/S，清扫面积是10平方米，大约耗时10分钟，障碍物假定是3个，通过遥控器或机身进行操作。吸尘机器人装有CCD相机，可以经过手机连接家用电脑查看房间清洁情况。清扫工作结束后，自动回到“充电/垃圾回收站”，补充能量并处理垃圾。在机身下部，装有移动伸缩的自由洗尘口，可深处5CM左右，当移动到一些角落或者狭窄区域时，可最大化清洁地面，不留任何死角。韩国SAMSUNG公布的一种交新型吸尘机器人使用交新型3D地图影射技术定位自身位置，操作者能够连接任意电脑互联网计算机操作自己的自动扫地机。机器人顶部安装有摄像装置用于时时检查家庭清洁状态。VCRP30W配置有自动充电设备，机器人清扫过程中电压不足时会自我检测到，及时的进行充电，结束充电后，会继续进行前面的清扫工作。整个清扫工作结束后，该机器人会释放负离子，净化空气，充当空气清新机的功能。2MC9S12DG128单片机简介21前言本系统采用FREESCALEHCS12系列的MC9S12DG128单片机作为核心控制芯片。MC9S12DG128是一个以16位中央处理器为核心的16位单片机，128K的字节的FLASHEEPROM存储器，8K字节的RAM，2K字节的EEPROM，两个异步串行通信接口（SCI），两个串行外围接口（SPI），两个8通道模拟数字转换器（ADC），1个8通道脉宽调制模块，两个兼容CAN20A/B协议的控制器，1个BYTEFLIGHT模块和内部集成电路总线。22引脚说明MC9S12DG128单片机有80引脚和112引脚两种封装形式，本系统采用112引脚，其引脚图如图21。EXTAL，XTAL振荡器引脚，晶振电路或外部时钟引脚。EXTAL、XTAL分别是振荡器的输入和输出引脚。图21MC9S12DG128单片机112引脚图PP4/KWP4/PWM4PP5/KPW5/PWM5PP6/KWP6/PWM6PP7/KWP7/PWM7PK7/ECS/ROMCTLVDDXVSSXPM0/RXCAN0/RXBPM1/TXCAN0/TXBPM2/RX_BF/RXCAN1/RXCAN0/MISO0PM3/TX_BF/TXCAN1/TXCAN0/SS0PM4/BF_PSYN/RXCAN0/RXCAN4/MOSI0PM5/BF_PROK/TXCAN0/TXCAN4/SCK0PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDAPJ7/KWJ7/TXCAN4/SCLVREGENPS7/SS0PS6/SCK0PS5/MOSI0PS4/MISO0PS3/TXD1PS2/RXD1PS1/TXD0PS0/RXD0PM6/BF_PERR/RXCAN4PM7/BF_PSLM/TXCAN4VSSAVRL12345678910111213141516171819202122232425262728112111110109108107106105104103102101100999897969594939291908988878685VRHVDDAPAD15/AN15/ETRIG1PAD07/AN07/ETRIG0PAD14/AN14PAD06/AN06PAD13/AN13PAD05/AN05PAD12/AN12PAD04/AN04PAD11/AN11PAD03/AN03PAD10/AN10PAD02/AN02PAD09/AN09PAD01/AN01PAD08/AN08PAD00/AN00VSS2VDD2PA7/ADDR15/DATA15PA6/ADDR14/DATA14PA5/ADDR13/DATA13PA4/ADDR12/DATA12PA3/ADDR11/DATA11PA2/ADDR10/DATA10PA1/ADDR9/DATA9PA0/ADDR8/DATA8SS1/PWM3/KWP3/PP3SCK1/PWM2/KWP2/PP2MOSI1/PWM1/KWP1/PP1MISO1/PWM0/KWP0/PP0XADDR17/PK3XADDR16/PK2XADDR15/PK1XADDR14/PK0IOC0/PT0IOC1/PT1IOC2/PT2IOC3/PT3VDD1VSS1IOC4/PT4IOC5/PT5IOC6/PT6IOC7/PT7XADDR19/PK5XADDR18/PK4KWJ1/PJ1KWJ0/PJ0MODC/TAGHI/BKGDADDR0/DATA0/PB0ADDR1/DATA1/PB1ADDR2/DATA2/PB2ADDR3/DATA3/PB3ADDR4/DATA4/PB429303132333435363738394041424344454647484950515253545556ADDR5/DATA5/PB5ADDR6/DATA6/PB6ADDR7/DATA7/PB7KWH7/PH7KWH6/PH6KWH5/PH5KWH4/PH4XCLKS/NOACC/PE7MODB/IPIPE1/PE6MODA/IPIPE0/PE5ECLK/PE4VSSRVDDRRESETVDDPLLXFCVSSPLLEXTALXTALTESTSS1/KWH3/PH3SCK1/KWH2/PH2MOSI1/KWH1/PH1MISO1/KWH0/PH0LSTRB/TAGLO/PE3R/W/PE2IRQ/PE1XIRQ/PE0MC9S12DT128MC9S12DG128MC9S12DJ128MC9S12DB128112LQFP84838281807978777675747372717069686766656463626160595857RESET外部复位引脚，高电平有效，为双向控制信号。当输入高电平有效时，将单片机初始化成默认状态；单片机内部功能引起复位时，可作为输出信号。TEST测试引脚，仅有输入功能，专为测试预留。测试引脚在所有应用中必须和VSS连一起用。PA70/ADDR158/DATA158通用输入引脚；在单片机扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。PB70/ADDR70/DATA70通用输入引脚；在单片机扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。PH74/KWH74通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式。PH3/KWH3/通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为SPI1的从选择端。PH2/KWH2/SCK1通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为SPI1的时钟引脚SCK。PH1/KWH1/MOSI1通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为SPI1的主模式的输出（MO）引脚，或者从模式的输入（SI）引脚，即配置为MOSI。PH0/KWH0/MISO1通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为SPI1的主模式的输入（MI）引脚，或者从模式的输出（SO）引脚，即配置为MISO。PJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL/TXCAN0通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为CAN0或CAN4的数据接收引脚；还可以配置为C模块的串行时钟引脚SCL。PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDA/RXCAN0通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为CAN0或CAN4的数据接收引脚；还可以配置为C模块的串行数据引脚SDA。PK50/XADDR1914通用输入或输出引脚；在单片机扩展操作模式中，当配置单片机扩展操作模式时，这些引脚作为外部总线提供扩展地址XADDR1914。PM7/BF_PSLM/TXCAN4通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的BF_PSLM信号，也可以配置为CAN4的数据发送引脚。PM6/BF_PERR/RXCAN4通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的BF_PERR信号，表示通信中信息格式错误或者非法脉冲信号；也可以配置为CAN4的数据接收引脚。PM5/BF_PROK/TXCAN0/TXCAN4/SCK0通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的BF_PROK信号，接收数据正确，该引脚输出脉冲信号；也可以配置为CAN4或CAN0的数据发送引脚；还可以配置为SPI0的串行时钟信号SCK0。PM4/BF_PSYN/RXCAN0/RXCAN4/MOSI0通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的BF_PSYN信号，也可以配置为CAN4或CAN0的数据接收引脚；还可以配置为SPI0的主模式的输出引脚，或者从模式的输入引脚，即配置为MOSI。PM3/TX_BF/TXCAN1/TXCAN0/通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的TX_BF信号，即数据发送引脚；也可以配置为CAN1或CAN0的数据发送引脚；还可以配置为SPI0的从模式选择引脚。PM2/RX_BF/RXCAN1/RXCAN0/MISO0通用输入或输出引脚；可以配置为BYTEFLIGHT模块的RX_BF信号，即数据接收引脚；也可以配置为CAN1或CAN0的数据接收引脚；还可以配置为SPI0的主模式的输入引脚，或者从模式的输出引脚，即配置为MISO。PM1/TXCAN0/TXB通用输入或输出引脚；也可以作为CAN0的发送引脚；也可以作为BDLC的传输引脚TXB。PM0/RXCAN0/RXB通用输入或输出引脚；也可以作为CAN0的接收引脚；也可以作为BDLC的接收引脚RXB。PP74/KWP74/PWM74通用输入或输出引脚；可用于产生一个使单片机退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的74通道的输出。PP3/KWP3/PWM3/SS1通用输入或输出引脚；可用于产生一个使单片机退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的3通道的输出。同时也可以配置为SPI1的从选择端。PP2/KWP2/PWM2/SCK1通用输入或输出引脚；可用于产生一个使单片机退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的2通道的输出。同时也可以配置为SPI1的时钟引脚SCK1。PP1/KWP1/PWM1/MOSI1通用输入或输出引脚；可用于产生一个使单片机退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的1通道的输出；还可以配置为SPI1的主模式的输出（MO）引脚，或者从模式的输入（SI）引脚，即配置为MOSI。PP0/KWP0/PWM0/MISO1通用输入或输出引脚；可用于产生一个使单片机退出停止或等待模式的中断；也可以作为PWM的0通道的输出；还可以配置为SPI1的主模式的输入（SI）引脚，或者从模式的输出（MO）引脚，即配置为MISO。PS7/通用输入或输出引脚；可以配置为SPI0的从选择端。PS6/SCK0通用输入或输出引脚；以配置为SPI0的时钟引脚SCK。PS5/MOSI0通用输入或输出引脚；可以配置为SPI0的主模式的输出（MO）引脚，或者从模式的输入（SI）引脚，即配置为MOSI。PS4/MISO0通用输入或输出引脚；可以配置为SPI0的主模式的输入（SI）引脚，或者从模式的输出（MO）引脚，即配置为MOSI。PS3/TXD1通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口1的发送引脚。PS2/RXD1通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口1的接收引脚。PS1/TXD0通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的发送引脚。PS0/RXD0通用输入或输出引脚；可作为串行通信接口0的接收引脚。23操作模式MC9S12DG128有八种操作模式。在复位信号的上升沿，MODC，MODB，和MODA引脚上的数据锁进MODE寄存器的相应位，用来决定操作模式，如表21所列。MODE寄存器的MODC，MODB，和MODA位在运行期间指示当前操作模式。在复位信号的上升沿，ROMCTL引脚数据锁存，送入MISC寄存器中的ROMON位，ROMON位决定内部FLASH在内存映像中是否可见。ROMON1说明FLASH在内存映像中可见。表21操作模式选择BKGDMODCPE6MODBPE5MODAPK7ROMCTLROMONBIT模式简介0001特殊单片模式，BDM有效0100110仿真扩展窄模式，BDM有效0100特殊测试模式，BDM有效0101110仿真扩展宽模式，BDM有效1001普通单片模式，BDM有效0010111普通扩展窄模式，BDM有效1101特殊设备模式，BDM有效；但是如果进行总线操作，讲引起总线冲突，所以一定不能使用总线0011111普通扩展宽模式24本系统中的MC9S12DG128单片机MC9S12DG128有8路PWM输出，本系统利用PWM输出来控制两轮转速，实现差速控制；丰富的数字I/O口可以接碰撞传感器、红外避障传感器等，可编程的上升沿或下降沿触发可用来检测楼梯，另外它的定时器功能可以精确进行定时中断，为自动扫地机提供精确周期来完成采集信号、决策、行走等。本系统涉及的MC9S12DG128MPV的I/O口包括PA，PB，PK，PM，PS，PH，PWM口，其中PWM口用于电机控制，PA和PB口分别作为摄像头和LCD的数据传输线，PK和PM作为数字I/O口接收数字传感器的返回值，PS口复用了串行通信设备接口的功能，在本设计中用作无线串行接口，PH口复用了中断功能，用作检测楼梯传感器返回值的接口。信息采集模块控制模块运动模块清扫模块图31自动扫地机系统典型组成示意图3系统总体设计31自动扫地机系统组成自动扫地机需要完成的任务是能够在房间中自动清洁地面。工作时，利用各种传感器测得环境信息，并做出决策，实现边行走边打扫，完成预定的任务。典型的自动扫地机主要由以下几个模块组成1信息采集模块2控制模块3运动模块4清扫模块这四个部分构成了完整的自动扫地机系统，如图31所示。信息采集模块返回当前自动扫地机的位置信息，如是否碰到障碍物、是否遇到楼梯等，然后把这些信息送给控制模块进行决策，控制运动模块，使机器人转弯或者后退等，在机器人运动的同时让清扫模块进行清扫，完成打扫地面的任务。311信息采集模块自动扫地机在工作时需要实时检测自身状态信息和收集外界环境信息，以控制自身状态，进行路径规划，同时判断电池电量是否不足并自动充电等。根据自动扫地机的工作需要，自动扫地机传感器的选择有以下要求质量轻、体积小、安装方便可靠；精度好；稳定性好、可靠性高；抗干扰能力强；经济性好。312控制模块这个模块是整个系统的核心所在，相当于人的“大脑”。控制模块接收信息采集模块传送过来的环境信息，进行相应的分析判断，做出最佳的决策，再将做出的运动决策传送给运动模块，保证机器人执行相应的动作。本设计的控制模块是16位的MC9S12DG128单片机，随着功能和要求的提高，并逐渐向32位处理器发展。313运动模块这个模块是机器人运动的核心部分，其性能直接关系到整个机器人的运动能力。它的功能就是根据控制模块的指令，使机器人的执行机构实现相应的动作，这个模块设计的关键在于控制电机的硬件电路设计和控制方法的设计。314清扫模块清扫模块的功能是在自动扫地机行走的同时完成清扫的工作，一般只需完成吸尘功能，这时需要设计一个小型吸尘器装在机器人上，也有一些自动扫地机设计成既可吸尘又可擦地，需要擦地时可在机器人底部放上棉布。32自动扫地机系统总体设计321自动扫地机功能设计本文要研制一台结构小巧灵活，便于操作，能够自动避障且路径规划智能度较高的自动扫地机。除了一般自动扫地机系统的典型组成部分之外，还要有良好的人机接口，如红外遥控、LCD显示等。详细的功能如下1自动避障自动扫地机的任务是在室内清洁地面，房间的环境信息对于机器人是未知的，在自动扫地机移动的过程中可能会碰撞到诸如家具、宠物之类的物体，这时自动扫地机需要感知前面碰撞到了物体；当自动扫地机被卡在了一个小空间内时它要来回移动找到出口，这时它需要感知前后左右各方面的碰撞信息。基于此类考虑，本文设计的自动扫地机采用4个碰撞传感器，分别安装在机器人的左前、左后、右前、右后方。2全区域遍历清洁这是自动扫地机最核心最重要的功能，全区域遍历时间越少覆盖率越高越好，目前常见的几种全区域遍历方法有“井”字形遍历法、内螺旋遍历法、外螺旋遍历法、随机遍历法。本文采用改进的“井”字形遍历法，采用红外测距传感器，分别装在机器人的右前、右后、正前方。3楼梯检测自动扫地机可以检测楼梯或者自身正处于高处，进行相应的后退或者转弯，以免跌落损坏。本文采用红外避障传感器，分别装在两个轮子的前方，向下检测距离，如果比预定的距离大则认为己处在楼梯边沿，进行后退。4自动充电自动扫地机采用电池作为系统电源，如果打扫的房间过大，在打扫过程中可能电池欠压，这时它需要自己找到充电器进行充电。首先，它要判断电池是否欠压，如果是则关掉微型吸尘器，节约电量，然后根据自动寻找充电器的流程找到充电器。本文采用HT7033作为电压检测传感器，两个一体化红外接收头来寻找充电器。5远程遥控自动扫地机可以自主清洁，如果对它的清洁效果不满意，还可以利用远程遥控，让它着重在某一处进行打扫。6自身状态显示自动扫地机在打扫或者充电时，可以把自身状态显示在LCD上，良好的界面可以更方便使用。7视觉处理接口方便研究机器视觉在自动扫地机中的应用。8移动灵活，结构小巧自动扫地机需要钻到家具下面打扫，这就要求机器人的高度不能太高，有时机器人需要原地转圈，这就要求它的机械结构要灵活。本文采用两轮差速控制，前后各装一个万向轮支撑，可以达到原地转弯的要求。322自动扫地机硬件框架根据系统功能要求，本设计中的系统硬件主要由以下几个部分组成控制模块、运动模块、清扫模块、信息采集模块、红外遥控模块和LCD显示模块，如图32所示。1信息采集模块包括碰撞传感器、红外接收头、红外避障传感器、视觉传感器，根据这些信息，自动扫地机进行路径规划和自动充电。2红外遥控模块通过电脑给自动扫地机发送指令，机器人通过无线接收模块接收信息，根据信息采取相应行动。信息采集模块红外遥控模块拨码开关控制模块运动模块清扫模块LCD显示模块图32本设计中清洁机器人的系统结构3运动模块采用MC33886作为电机驱动芯片，根据主芯片发出的PWM信号的占空比对控制电机进行调速。4LCD显示模块采用SYB12864KZK液晶显示，及时反馈自动扫地机的当前状态。5清洁模块通过安装微型吸尘器，完成吸尘功能，在电池电量低的时候关闭此微型吸尘器。6控制模块负责分析各种传感器返回的信息并对运动模块做出决策。323自动扫地机软件框架自动扫地机开始工作后，通过拨码开关选择人工遥控或者自主清扫，如果是自主清扫则首先检查电池是否电量低，若电池电量低则运行自动充电程序，完成充电后，开始按照一定的路径规划方法进行清扫，工作过程中液晶显示当前机器人的工作状态。检测到楼梯是一个紧急情况，需要及时响应，因此采用中断服务子程序，在子程序中使机器人后退并转弯。整个系统软件框架如图33所示，其中遍历清扫包括了全区域路径覆盖、自动避障和运动控制几个部分。初始化数据寻找充电器遍历清扫充电完毕开始是否有电结束图33本设计中自动扫地机的软件框图否是324自动扫地机机械结构为了使机器人转弯更灵活，选择使用圆形底盘，如图34所示，两个驱动轮位于机器人的中间部位，以达到零转弯半径，即原地转弯。根据系统功能设计，四个碰撞传感器分别放在机器人的左前、左后、右前、右后方，两个向下测距的红外传感器放在轮子的前方用来检测楼梯，侧面的四个红外测距传感器用来路径规划，而两个红外接收头放在机器人的正前方，二者中间有一个挡板，这两个接收头用来寻找充电器。33电机和电池选型331电机选型一般微电机有直流电机和步进电机两种选择，步进电机和直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动，直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。由于步进电机采用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目前市场上常见的步进电机己能提供每一步18或09的精确移动能力。步进电机采用直接控制方式，它的主要命令和控制变量都是步阶位置；而直流电机则是以电机电压做为控制变量，以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统，它会以间接方式控制电机位置，步进电机系统多半则是以开环方式进行操作。直流电机结构较步进电机复杂，但调速性能优良，调速方便、平滑范围广。本系统采用FAULHABER的2342系列有刷直流电机，型号为2342012CR，额定电压是12V，减速比为164。电机的详细参数见表31。侧面四个红外测距传感器下面两个红外测距传感器，检测楼梯两个轮子侧面四个碰撞传感器两个红外接收头图34清洁机器人机械结构图表31电机参数1输出功率W172额定电压V123空载转速RPM81004堵转转矩MNM805转速/转矩斜率RPM/MNM1016空载电流MA757堵转电流A148电枢电阻199最大效率8010转矩常数MNM/A13411速度常数RPM/V71312机械时间常数MS613转子惯量GCM25714转子电感UH6515热阻K/W3/15332电池选型电池的选择是自动扫地机设计的一个很重要的内容，本系统的两个驱动电机和微型吸尘器需同时工作，另外还要给控制系统供电，但受到机器人的尺寸限制，电源的体积不能太大。因此在选择电池时，对容量、效能及体积等诸方面因素应综合考虑。常见的充电电池有镍氢电池、镍镐电池、铿电池电池和电瓶。镍福电池是较早出现的一种可充电电池，单体电压为12V，常见的有7号AAA型、5号AA型、1号、2号以及工业专用型号，优点是自放电率较镍氢电池低、内阻小、价格相对便宜；缺点是容易产生记忆效应。电池容量方面以使用最广泛的5号AA型电池为例，单节电池的容量可以做到500MAH850MAH，主流为600700MAH的产品。镍氢电池是一种新型的高容量可充电电池，性能优于镍福电池，镍氢电池的单体电压12V，常见型号与镍福电池相同。优点是单体电池容量大、内阻低、基本没有记忆效应；缺点是自放电率较高。电池容量方面同样以使用最广泛的5号AA型电池为例，单节电池的容量可达10001300MAH。可充电的聚合物铿离子电池是目前比较先进的电池，它具有能量密度高的特性，使铿电池具备重量轻、体积小、容量大、无记忆效应等优点，单体电池容量为22AH，单体电池电压一般为37V。电瓶常见的有铅酸电瓶和免维护电瓶，主要用在需要大容量电池的场合，不过一般电瓶体积比较大。经过综合考虑，本设计采用铿电池，通过3串2并的方式组合成电池组，电压范围在9V126V，容量为44AH。4系统硬件电路和软件流程41机械结构设计411自动扫地机本体设计机器人本体的良好设计是实现其他各功能模块的基础。最常被采用的车体外形是圆形车体，具有运动灵活，控制简单的优点，因此本文设计的自动扫地机采用圆形车体。机器人在地面上移动的方式通常有三种轮式、履带式和步行式。本设计中自动扫地机只需在室内打扫，工作环境较好，所以采用轮式移动方式。轮式移动机器人的轮系一般有三轮、四轮和六轮等，由于四轮结构的稳定性好，承载能力较大，在本设计中采用四轮结构，左右两个轮子是驱动轮，前后两个万向轮起支撑作用，在机器人的左、右轮上分别装上两个独立的驱动电机，通过控制左右轮的速度差来实现车体的转向，控制简单，易于实现，可以方便地实现吸尘机器人的前进、左转、右转、后退，以及调头等功能，并且自动扫地机可以实现零转弯半径即原地旋转。412传感器配置与安装红外避障传感器、碰撞传感器等需要安装在底盘上，且需要安装在合适的位置并牢固可靠。碰撞传感器安装在车体四周，它本身有两个安装孔，不需要额外的撑架，可直接用螺丝进行固定。红外避障传感器直径为18MM长45MM左右，外面旋钮直径26MM左右，通过上面的两个大旋转扣来固定该传感器，因此需要自制一个零件使其可以夹在上面，本系统设计了一个L形配件把红外避障传感器固定在机器人底盘上，配件的一面固定该红外避障传感器，另一面通过两个螺丝将该配件固定到底盘上。413运动控制系统结构本系统选用FAULHABER的有刷直流电机作为驱动元件，将电机安装在机器人底盘下面。该电机直径30MM，长度85MM，出轴直径6MM，出轴长度35MM，出轴周围有三个直径3MM的安装孔。通过设计一个L型配件进行安装，侧面用于固定电机，底面固定在底盘上。驱动轮需要固定在电机轴上，电机出轴直径6MM，轴上有两个垂直的横截面，可以把轮子固定在上面，轮子直径60MM，侧面凸出部分上面有安装孔，可以把轮子固定在电机轴上。42硬件电路设计421硬件电路总体结构根据自动扫地机功能要求，自动扫地机系统硬件总体设计框图如图41所示。其中，信号输入部分主要包括信息采集模块碰撞传感器、测距传感器、摄像头、红外接收头、无线串行接口红外遥控接收模块、电压检测芯片。信息采集模块要实现全区域路径规划、防止跌落和寻找充电器，其中防止跌落检测是用来防止机器人从台阶或者高处跌落，对实时性要求比较高，需要占用外部中断端口。其它信号采用普通I/O口接收，采用定时查询方式进行信号处理即可。另外为了方便使用，还扩展了红外遥控模块，可以手动控制机器人的行走。单片机根据所有的输入信号，对微型吸尘器、驱动电机、液晶显示进行控制，对微型吸尘器的控制信号来自单片机的普通I/O口，用三极管放大后再对微型吸尘器进行开关控制。电机需要特定的驱动芯片，单片机产生PWM波通过驱动芯片来对电机进行驱动与控制。为了创建友好的人机界面，还需要扩展显示模块和一些状态指示灯，方便了解机器人的运行状况，其中LCD采用并行数据传输的方式。图41清洁机器人总体设计框图单片机碰撞传感器（4个）红外测距传感器（4个）（路径规划）红外测距传感器（2个）（检测楼梯）检测电压芯片（测电池电压）红外接收头（2个）（寻找充电器）无线串行接口（无线遥控用）摄像头接口拨码开关（选择清扫模式）驱动电路左轮电机驱动电路右轮电机三极管清扫模块LCD显示模块（实时显示机器人状态）隔离隔离机器人工作时，首先根据电压检测芯片的返回值判断电池是否欠压，如果欠压则利用两个红外接收头寻找充电器并进行充电，充好电后开始按照一定的路径规划方法进行清扫，其中行走机构采用闭环控制。四个碰撞传感器用来实时避障，当机器人任何一个方向碰到物体时反馈信息给单片机，以做出避障决策，红外测距传感器用来路径规划，液晶在机器人工作时显示机器人的状态。422子板设计MC9S12DG128单片机为整个控制系统核心。为了便于调试和功能扩展，单片机的最小系统做成独立的子板，其他模块制成一块电路板作为母板，子板通过插针、插座与母板连接。子板由以下几个模块构成电源部分，负责提供稳定的5V电源；晶振电路，为系统提供时钟；看门狗电路，实时监测扫地机运行状态，并设置手动复位按钮；LED状态显示，调试子板时下载跑马灯程序用。423时钟电路设计时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键的部分，由于晶振的工作频率很高，设计不当就很有可能使其工作时的产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对模拟部分如AD转换输入信号的干扰；若晶振工作不正常，则会导致整个单片机系统无法运行。MC9S12系列单片机的时钟输入接口在其46EXTAL和47XTAL引脚上112引脚封装，通常是接一个16M的晶振体。晶振和单片机引脚之间的连线尽量要短，这样可以保证其工作的稳定性和避免晶振的高频信号过多的干扰周围线路。晶振的下方和周围尽量不要走线，尤其是对信号质量要求高的器件的线路。晶振的周围和下面尽量用地线包围和覆盖，将晶振的噪声阻挡起来，也防止其他干扰信号进来。与无源晶振相比，有源晶振不需要单片机内部起振电路，信号质量好，比较稳定，NCVCCGNDCLKEXTALR1233RC2001UFL152MH图42有源晶振连接电路而且连接方式相对简单通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可，不需要复杂的配置电路，本系统选用了16MHZ的有源晶振，封装选用标贴的，体积与无源晶振相当，具体实现电路如图42所示。另外根据时钟模式选择要求将PE7引脚进行下拉。424看门狗电路设计单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器外，还需外加看门狗电路。IMP813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。IMP813L的典型应用电路如图43所示。425电源模块设计机器人系统要稳定工作必须有强健的电源供给作为保障，强大的电源可以使系统在各种环境下长时间稳定的工作，因此电源管理是整个系统可靠运行的基础。本系统中采用了电源隔离变换模块，将系统电源分为功率和信号两部分隔离输出，即单片机最小系统、各传感器接口、LCD模块、无线串行模块的电源由信号电源供应；电机驱动、电压检测芯片、微型吸尘器的电源由功率电源供应。R1R25VPF1VCCMRPFOWD1RESETGNDWPH0PH1MC9S12DG128RESETIMP813L530470图43看门狗接口电路电源模块需要向系统的其它各模块提供三种电压的电源供给，分别是12V，5V和33V，其中12V电源直接来自于电池组，负责驱动直流电机和微型吸尘器工作，电压检测芯片直接检测总电源电压，如果低于10V则输出一个跳变信号给单片机，12V通过LM2576转换成5V，给MC33886的FS和D2引脚供电，功率部分对应的地是功率地。隔离5V负责给各种传感器、LCD等供电，33V电源负责给隔离PWM模块供电，这些控制部分的地是数字地。系统选用的电源芯片LM1117330以及LM2576是两款表现出色的电源芯片，具有较宽的输入电压范围、稳定的输出电流以及较小的发热量，能够很好的胜任本系统电源方案。5V电源模块主要负责为单片机、传感器模块、LCD、摄像头提供稳定的电INON/OFFGNDFBOUTLM2576L2100MHD1IN5822C2100UF25VVBAC171000UF25VC5104VDD5VR7510RLEDC410412V图445V电源模块INGNDOUTNCC2401UFC2247UF/25VLM1117330C2310UF/25VVDD5VVCC33VC2501UFR1750图4533V电源源，是电源系统中最重要的部分。系统中选用的LM2576芯片是一款在很多单片机系统中广泛使用的性能优秀的开关电源芯片，其输入电压最大可达45V，输出电流可以达到3A，工作温度范围为40到125。5V电源模块的原理图如图44所示，其连接方法使用了LM2576使用手册中的典型接法，33V电源模块原理图如图45所示。426电机驱动模块设计电机驱动模块为自动扫地机的行驶提供动力，机器人启动、行驶和刹车时电机都会需要较大的驱动电流，该模块必须能够提供足够的电流并保证发热量不会太大。本系统选用了飞思卡尔公司的H桥驱动芯片MC33886，该芯片采用20引脚贴片封装，驱动电压范围可以从5V到40V，最大输出电流可达到6A。该芯片包含内部控制逻辑、电荷泵、门驱动和低阻输出，可用频率最高可达L0KHZ的PWM波调节输出电压，带有欠压、过流、过温自动保护功能，在输入压降过大、输出电流过大或芯片温度过高时能够自动切断输出，以保护电路不被损坏。芯片的FS引脚是错误状态标志信号，当芯片由于上述三种错误状态中的某种发生时该信号将变低，表示芯片进入了保护状态。此时，如果是欠压状态，当欠压状况消除后芯片会自动恢复输出，而如果是过流或过温状态，则需要通过单片机向MC33886芯片的DL和D2引脚发送复位信号来恢复33886的输出。MC33886的应用示意图如图46所示。本系统采用两轮差速控制，因此需要控制两个电机，系统使用了四片MC33886，CCPFSIN1IN2D1VOUT1OUT2PGNDAGNDMOTORINOUTOUTOUTOUTMC9S12DG12812V5VMC33886图46MC33886应用示意图两两并联来提高电流驱动能力并减小单片MC33886的发热。在具体的使用中，单片机的PWMO和PWM2口输出PWM波到控制左轮的MC33886，PWM4和PWM6口输出PWM波到控制右轮的MC33886，并使用PWM1，PWM3，PWM5作为备份，以增加可靠性。为了将控制部分和功率部分隔离开，所有的PWM信号都通过6N137进行了隔离，隔离后的信号再送给MC33886，如图47所示，负责驱动左轮的两个MC33886并联电路原理图如图48所示。427信号采集模块设计自动扫地机必须知道自身位置，在特定位置或区域进行特定的动作，完成对房间C16104NCANODE