【《自动避障扫地机器人设计》11000字（论文）】

-1-自动避障扫地机器人设计目录TOC\o"1-3"\h\u28301摘要 -2-183301绪论 -4-191092机器人整体结构设计 -4-28002.1设计要求 -4-223322.2设计方案 -5-200973机械结构设计 -6-23433.1行走装置设计 -6-64033.2转向结构设计 -7-16583.3车架机构设计 -8-45173.4驱动电机选型 -9-136703.5驱动轴的设计 -10-313713.6清扫装置设计 -12-228653.7关键零部件的静力学分析 -16-133284控制系统设计 -19-311174.1主控模块 -19-141054.2避障模块 -22-263344.3电机驱动模块 -26-99834.4软件程序开发 -28-77395结束语 -30-24543参考文献 -31-摘要随着科技的发展，电子技术和互联网技术取得一定程度的突破，智能家居也逐渐走进人们的生活。以MCU为核心技术的小型化、智能化、多功能化芯片的快速发展，为智能家居的应用提供了发展的空间和进一步的保证。本文以自动避障扫地机器人设计作为主要研究课题，由于检查扫地机器人的研究成果在国内和国外的抓取规划理论，扫地机器人详细设计，机械结构的总体结构，完成机器人的行走机构、底盘机构、驱动机构、清扫机构等模块，并对驱动轴关键零件进行有限元分析。以单片机控制技术为基础，设计出了自动避障扫地机器人的控制系统。详细设计了自动避障扫地机器人的芯片、传感器模块、驱动模块。本次设计定位精度较高，结构简单，性交比高的优点，满足指标要求。关键词:自动避障；扫地机器人；有限元分析1绪论自20世纪60年代以来，机器人技术取得了巨大的成就，并且机器人技术逐渐的成熟起来。工业机器人在生产环境中得到了广泛的应用，但早期工业机器人性能低下，灵敏性能低下，智能较低，不能独立行动，不能完成工作，因此高智能的机器人受到越来越多的关注。随着科技水平的发展和人们生活质量的改善，高智能的机器人能够为家庭服务做出更多的贡献。因此，高智能机器人和较为完善的服务性能机器人逐渐进入人们的日常生活当中，为人们的智能生活提供了许多便利。为实现《中国制造2025》将机器人作为发展的主要内容之一，逐步缩小与美国等科技发达国家的距离，工信部、国家发改委、财政部联合印发的《机器人产业发展规划（2016-2020）》提出要提高机器人的发展领域，以服务型的家用机器人为主。我国家用型服务机器人会出现更多的发展机遇。扫地机器人作为一种新型的家用机器人，在智能家居生活日益普及的今天，我国公民对家用机器人的需求逐渐增大，其智能水平越来越受到人们的关注。家用扫地机器人作为一种机动性强、效率高、性能优化、并且制作相对便捷的机械，在机器人选择中占据一定的优势。简易的自动避障扫地机器人是在玩具小车上放置一些传感器、驱动芯片和清扫刷等，简易扫地机器人便可完成。在玩具小车上所装配的传感器、芯片、扫刷等价格优惠，并且也可人工操作，所以自动避障机器人是一个实现智能化设计的良好平台。因此在装有传感器等的家用扫地机器人上对相关软件和硬件进行的预设和实现具有深远意义。目前，传统的扫地机器人控制技术采用红外避障技术，如无头苍蝇、碰撞范围广、覆盖范围小、重复清扫、效率低等，已不能满足人们的需要。本文则基于此，设计了一款基于全遍历路径规划的扫地机器人，以实现优化人们生活性能的扫地机器人作为实现目标，应用芯片STM32作为主要的控制，对应用到的传感器、电机、风扇、清扫刷等进行一系列的控制，从而实现识别垃圾、清扫垃圾和自动避障等功能。本次设计所需要的的设备具有价格便宜、所需要的的能耗较小，并且具有耐磨性和耐消耗、实用方便的性能。加深在此方面的研究，提高扫地机器人清洁效率。2机器人整体结构设计2.1设计要求作为避障扫地机器人系统的核心功能，自动寻迹功能对测距传感器有一定的要求，主要要求如下：（1）功能上：输出、输入端口能够与Arduino主控板相互进行连接。（2）性能上：能达到避障扫地机器人系统的环境信息采集要求，并且所采集到的信息具有可靠性、准确性。（3）价格上：在满足以上要求的基础上，要求测距传感器的售价不能过高。在性能上，对测距传感器的要求最为重要也最为苛刻，主要有：（1）测量精度：由于扫地机器人的障碍物主要来自前方，所以测距传感器均布置于扫地机器人的前方，因此在扫地机器人行驶的过程中，车速对测距传感器会有一定的影响，要求避障扫地机器人在运动过程中的距离测量精度能够达到1mm。（2）测量范围：在检测到障碍物后，需要有停止信号发出时间以及扫地机器人有一个停止时间，此过程中扫地机器人会继续前进。为了保证扫地机器人在停止过程中不与障碍物发生碰撞，必须提前进行检测，已提供Arduino发出停止信号的时间以及扫地机器人停止过程的时间。所以测距传感器必须保障在扫地机器人前方的1cm左右有可靠的测距信息。（3）其他要求：测距传感器只需要在一般自然环境下正常工作即可，所以在工作温度在0~50度，光照强度为自然光关照强度的条件下工作即可。2.2设计方案扫地机器人的系统包括机械、主控和传感器三部分。传感器系统需要感受到机器所处环境的信号实现避障和识别的功能，机械系统包括机器本体、清扫和移动方式，等等，主要作用功能包括移动，清扫，控制系统需要实现接收传感器系统的信号和对信号的识别和处理。并通过系统的分析，根据定位算法和路径规划算法进行计算，控制机器人的运动和清扫模块的运动，实现定位和完成清扫等功能。扫地机器人的机械结构主要包括对移动机构、清扫机构和扫地机器人机身的设计。（1）移动机构设计市面已有的扫地机器人三种运动类型:轮式、履带式和腿式。本文设计的主要目的是对地面环境进行扫地，并选取轮运动机构，该机构结构简单，操作方便，运动灵活。两个驱动轮分别由带光电编码器盘的直流电机控制，采用差动驱动机构实现机器人的旋转操作，驱动轮起辅助支撑作用，四个驱动轮均为全向轮。（2）清扫机构设计清扫装置为扫的方法来完成地面的清扫。地面上的杂物主要是通过清扫来实现的，如毛发、瓜类、墙边、死角等。因此，两侧侧刷的设计是执行清扫任务，侧刷驱动电机必须以较高的速度运行，否则土壤碎片很难完全清扫干净，扬起的纸屑和粉尘通过进气风扇。旋转导致内部和外部压力下降。（3）机身设计为了使扫地机器人控制灵活，需要设计一个智能机身。，前广泛使用的方形阀体。顶盖保护机箱，安装固定控制系统和支撑功能，并使用集尘器存放清扫后的垃圾。各功能模块如下:1）电源模块:将12V直流输入电压转换为几种不同的输出电压，满足不同系统运行电压的要求;2）光电编码器:根据支付算法估算机器人的距离和方向;3）传感器:结合光电传感器，结合数据确定扫地机器人的位置;4）超声波传感器：能量的反射消耗，计时器计算距离，技术也较为成熟;5）碰撞开关:其他测距传感器短暂失灵时通过接触碰撞触发;6）液晶显示模块:持显示扫地机器人的状态;7）驱动轮:电机在主控系统的控制下完成工字型的路线;8）清扫真空模块:包括侧刷和抽风机驱动，负责扫地机器人行走过程中的垃圾清扫和地面吸尘，是扫地机器人功能的直接组成部分。图1扫地机器人总体框图3机械结构设计3.1行走装置设计自动避障扫地机器人所处环境复杂，而且地面上容易出现障碍物，在清扫过程中对机器人的自动避障和工字型的行走路线有一定的要求。采用红外传感器和微波雷达传感器相结合的原理，计算位置距离并且重新规划行进路线，判断出障碍物的大小决定万向轮的左右转弯，自动避障扫地机器人行进工字型的行走方式。自动避障扫地机器人的转向驱动采用差速运动，将驱动轮对称布置于车体轴线两边，且独立的固定于车体中部位置，通过控制电机使左右驱动轮产生速度差，实现机器人的行驶和转向功能。机器人驱动模块结构设计包括：步进电机、齿轮减速器和车轮，结构如下图所示。在机器人的一侧驱动模块中，主动轮与主动轮齿轮通过螺钉固定同轴连接，主动轮上装有轴承。所述主动轮与所述主动轮支架通过轴连接;驱动齿轮与电机齿轮构成减速机构，通过齿轮的啮合传递电机扭矩。在驱动轮支架上安装两个弹簧减震器。机器人驱动模块的结构设计不仅需要满足机器人系统功能和基本参数的要求，而且要求装配简单，易于实现。图2车轮机构模型从上图2中可以看到，为了满足机器人的运动性能，本文选择了双边轮组的设计方案。车轮直径一般在50mm-150mm范围内。轮辋直径选择100mm，胎面宽度选择50mm。设计了如图3.1所示的车轮。为了具有简单紧凑的结构，减小清扫机的整体尺寸，本文采用直齿圆柱齿轮直接与车轮外缘相连来传递动力。对于机器人驱动模块，这种弹簧阻尼设计的优点如下:(1)保证机器人驱动轮与地面充分接触。(2)当机器人行走的地面不平整时，驱动轮可以在减震系统的作用下与地面形成弹性接触，从而避免了驱动轮的悬架和无法提供驱动力。(3)当机器人行走的地面不平整时，机器人可以在减震器弹簧的作用下调整高度，保证机器人行走的稳定性。3.2转向结构设计为了便于转运和维修，本文设计的转向方式为方向盘人力转向和驱动电机自动转向两种。考虑到动力来源，本设计选用电机控制的自动转向方案（郭晓克，2016）。具体方式为对扫地机器人前轮转向结构加装转向驱动电机，通过控制该电机提供转向力矩从而实现转向控制。该方案相较于电液控制方案，成本低、结构简单。工厂自动避障扫地机器人前轮转向结构三维模型如图3所示，为了便于控制方向需要减小方向盘和转向电机的转向力矩，转向力矩输入轴和车轮转向轴通过齿轮啮合的方式进行传动，传动比为2.5。图3转向结构3.3车架机构设计机器人的框架使用井字形的整体焊接框架,主体通过某种方式放置四个梁板和四个纵向梁板搭接,构成整个底盘系统骨架,中间的梁和纵梁位置焊接网,构成一个正方形车架纵梁,在其上焊接一块圆形板，通过圆形板上的孔，使其可以与旋转轴承通过高强度螺栓连接，最终形成车架焊接总成的底盘系统，以承载整个车辆的重量和物理诊断设备。另外，前两块梁板与后两块梁板之间应焊接在车轮安装板上。图4底盘车架结构设计3.4驱动电机选型要求扫地机器人结构紧凑且可以差速控制通过大曲率弯管，所以选择速度容易控制，驱动能力强，结构尺寸小的空心杯直流电动机作为行走机构的驱动电动机：（1）扫地机器人在地面上行走时的阻力分析为了确定扫地机器人行走机构驱动电机的功率，需要考虑以下因素造成的阻力。①扫地机器人自重形成的阻力；②地面变形造成的阻力；③扫地机器人携带负载造成的阻力；④转动阻力；⑤车轮装置运行的内阻力；⑥外部行驶的阻扫地机器人的转动阻力相对于负载阻力较小，且扫地机器人在转动工作时阻力较大，尤其是在垂直地面中阻力是摩擦阻力与扫地机器人自重及所携带负载的和。所以利用计算扫地机器人垂直方向的行走阻力乘以修正系数的方法来求解行走机构驱动电动机的功率。这一主题设计的自动避障机器人的室内清洁工作,以及轮脚与地面接触面积较大,刚性结构的带轮子的地面,所以机器人的自动避障行走在地上车轮和地面变形很小可以忽略,所以步行机制只考虑内部运行阻力和外部运动阻力。自动避障清扫机器人行走机构的驱动力主要是车轮与地面的摩擦。外部驱动阻力主要是车轮与地面之间的滚动阻力，硬橡胶与铸铁地面之间的滚动阻力系数约为0.014。清扫机器人行走机构的内阻包括滑轮与同步带之间以及传动齿轮之间的摩擦阻力。一般内阻系数0.03~0.07，设计考虑0.06。设扫地机器人自身重量为G1，牵引所能携带负载的力为G2，取g=10，则可近似估计该扫地机器人在水平地面上的直线行走阻力F1为：F1=0.014G1+0.06G1+G2=0.074G1+G2近似估计该扫地机器人在大坡度地面上的直线行走阻力F2为：F2=0.014G1+0.06G1+G1+G2=1.074G1+G2（2）总阻力估算取扫地机器人总阻力修正系数为K=1.2，可得扫地机器人的行走总阻力为F0=KF2（3）电动机的选择计算假设机器人重G1=10Kg（三维模型质量为4.3Kg，材料为合金铝）、可以携带负载所需牵引力G2=10Kg，垂直行走阻力F2为：F2=1.074G1+G2=207.4N则机器人的总阻力为：F0=KF2=1.2×207.4=248.88N每只车轮足的阻力为：F===82.9N设同步带轮节径d=40mm，每只车轮足所受阻力矩为：T=F=82.9=1.66（N*m）设机器人行进速度为8m/min，电机输出转速为：n===63.69≈64（rpm）车轮足电机输出功率P，可以通过下式求出：T=9550P===11.12W在《机械设计手册》（软件版）中查的锥齿轮传动效率为0.94，直齿轮的传动效率为0.97，计算得电动机效率为12.20W。自动避障扫地机器人在地面上部作业环境复杂，转弯与越障等都需要较大的功率，并要求选择的电动机性价比高，结构尺寸要较小，可以安放在车轮足内部，所以选定额定功率为20W额定电压为24V的瑞士MaxonRE-25直流空心杯电动机驱动行走机构，具体参数见下表。表1MaxonRE-25电动机参数表参数名称单位数据参数名称单位数据标称功率W20转速常数rpm/V217额定电压V24转速/转矩斜率rpm/mNm38.3空载转速rpm5190机械时间常数ms4.22空载电流mA14.4转子惯量gcm210.5额定转速rpm4130外壳-环境热阻K/W14额定转矩mNm28绕组-外壳热阻K/W3.1额定电流A0.652绕组热时间常数S12.2堵转转矩mNm136电机热时间常数S612堵转电流A3.1环境温度℃-20~80最大效率%87绕组最高温度℃100相间电阻Ω7.73最大轴向载荷N3.2相间电感mH0.832最大径向载荷N16转矩常数mNm/A43.9重量g1303.5驱动轴的设计一般来说，轴的设计是与形状和尺寸相结合的，受一些轴的质量要求和一些物理几何约束。轴的设计必须满足使用的强度要求，使其具有良好的加工性能和合理的结构。轴按刚度设计意味着轴的静刚度相对较高，即在工作过程中无显著性；当设计轴高速运行或周期性地在环境负荷恢复中发生变化时，必须在计算临界转速极限的基础上确定轴的稳定性，以避免产生共振。通常情况下，轴的设计方法会因设计而异。轴的一般设计方法如下：（1）轴的最小直径往往是根据扭转强度约束确定的；（2）根据轴零件之间的定位装配、轴的加工等几何约束确定轴的几何尺寸，再由轴的结构设计确定；（3）轴的物理约束通常由轴的结构尺寸和运行要求来选择。最后，根据确定的引用对象，测试是否满足相应的物理限制，然后制作相应的模板，直到声明为止。由于轴类的设计方法根据要设计的具体情况有很多不同的类型，因此有必要在设计中综合分析结果，以获得更好的设计思路。根据前面的计算，因为机器人由驱动电机来驱动其运行，所以可以得到：车轮轴转速驱动电机的额定功率n1为电机输出效率，n2为变速箱传动效率，n3为联轴器传动效率。轮轴传递功率为受转矩（）的实心圆轴，其切应力：轴的最小直径：轴的材料取45钢，上两式中—轴的抗扭截面系数，；—轴传递的功率，；—轴的转速，；—许用切应力，；—与轴的材料有关的系数，可查得。表2轴材料的选取轴的材料图5驱动后轮轴3.6清扫装置设计（1）清扫刷选型为了保证清扫效率，本设计采用滚刷和边刷结合的清扫方式。滚刷置于工厂自动避障扫地机器人底盘中央，主要任务是将底盘下方的垃圾收集到风机吸口附近。边刷布置在扫地机器人底盘前方两侧，负责聚拢扫地机器人前方的垃圾，使垃圾获得速度，抛向滚刷工作范围。所以滚刷的选型直接影响到垃圾清扫的效果，边刷的选择决定了扫地机器人的清扫宽度。根据实际需要，选择安徽绵阳刷业有限公司生产的扫地机器人滚刷和边刷（实物，滚刷工作长度500mm，边刷工作半径200mm。（2）清扫刷调节装置设计扫地机器人关机或待机状态下，滚刷和边刷需要升起减少磨损增加寿命（毕军立，2019），作业时需要自动放下，且保证边刷接地角度为120°（朱琳佶，2016）。本文所设计的滚刷调节装置如图3.5（a）所示，边刷调节装置如图3.5（b）所示，滚刷调节支架和边刷调节支架分别通过推杆电机与扫地机器人底盘相连，实现电控自动升降。图6清扫结构（3）清扫方式和流程图自动避障扫地机器人的清扫方式包括定点清扫和持续清扫。图7持续清扫流程图图8定点清扫流程图3.7关键零部件的静力学分析首先需要将做静力学分析的软件solidworks并将其打开，然后打开插件中的“solidworkssimulation”，驱动轴的三维模型建立如图9所示，图9模型建立在工具栏中选择Supports（约束）>FixedSupport（固定约束），因为驱动轴与其零件相连，所以加驱动轴为固定约束的面，单击Apply，这样就可以实现固定约束的添加（图中绿色部分为添加的约束面）。图10施加载荷驱动轴空间有限，局部曲率变化较大，虽然四边形网格质量较高，但单纯地使用四边形网格，整体网格质量会下降，因为四边形网格对几何模型的规则行有较高的要求。三角形网格具有很好的适应性，对模型要求较低，但其网格生成质量要比四边形网格低很多。考虑到三角形网格和四边形网格的优缺点，网格划分过程中，对几何规则性较好的流域采用四面体网格；在几何模型突变以及曲率较好的部位，采用三角形网格进行面网格划分，如驱动轴。与面网格相似，网格细化为结构化体网格、非结构化体网格。对应于三角形网格生成非结构化网格，提高网格整体适应性。图11网格划分最后点击“运行此算例”，算例运行时，solidworks会大量增加计算机内存的使用量，耐心等待运行结果即可，如图所示，图3.9-3.11分别为应力、应变和位移的静力分析结果。图12应力分析结果图13应变分析结果图14位移分析结果由于传动轴较长，为了保证其安全可靠，还采用了ANSYSWorkbench对其进行静力分析。分析结果是通过建立分析项、导入或创建几何图形、添加材料库、添加模型材料属性、网格化、添加载荷和约束、结果和后处理等过程得到的。将应力和应变结果与前者进行了比较。分析结果。从分析结果可以看出，最大应力约为33MPa，铝合金材料的许用应力约为300MPa是一个数量级。应力和应变均在1mm左右，说明传动轴的1000N扭矩绝对没问题。事实上，装配后，底盘上放置了近100Kg的重量，传动轴没有发生明显的变形。这也为机器人减重的优化提供了依据。4控制系统设计4.1主控模块本文开发时选择STM32F407单片机作为计算系统的主控芯片。STM32F407单片机具有高性能，采用CMOS微处理器，可支持8KB闪存，内置256RAM处理芯片。单片机采用高安全性存储技术，可支持各种原始测量的信号和处理。STM32系列单片机的STM32F407微型计算机是一种新型的低功耗高性能8位CMOS微型计算机，完全兼容标准MS-51指令系列和引脚。芯片级加密功能的编程和修改过程简单，数据不易丢失，编程速度快。本设计选用单片机STM32F407，满足本项目机器人的控制的要求。开发周期短，精度高。因此，选择STM32F407单片机进行设计。STM32F407基于ARMCortex-M4系列。与8/16位设备不同，armcortex-m332位RISC计算处理器可以提供非常快的代码效率。STM32F407集成在ARM核心中，兼容多种ARM设备及相关软件。基于该芯片，开发人员使用512KB的内部闪存来存储程序和各种缓冲数据。该SRAM将允许您以处理器的频率读写数据和文件。STM32F407的主要特点如下:（1）内核：能够支持Cortex-M3核心，芯片的工作频率可高达72mhz。（2）内存：256KB闪存，64KBSRAM。（3）时钟，复位和电源管理单元：支持2.0~3.6V的电源电平和输入/输出端口，可编程电压控制，3~25mhz的外部晶体，内部时钟晶振8M，时钟实时32kHz。（4）低功耗：芯片具有自带时钟功能，无需外加芯片可有效降低系统功耗。（5）采用12为的转换芯片，实现数字的输入与输出功能。STM32F407单片机的基本参数如表所示，，STM32F407芯片具有丰富的接口资源，能够满足该系统的基本需求和未来功能拓展需求，表3STM32F407芯片功能与配置外设STM32F407VET6闪存512SRAM64FSMCBank1和Bank2供使用定时器通用TIM2、TIM3、TIM4、TIM5高级PWMTIM1、TIM8基本TIM6、TIM7通信接口SPI（I2S）SPI1、SPI2、SPI3（SPI2和SPI3可作为I2S通信）I2CI2C1、I2C2USART/UARTUSART1、USART2、USART3、UART4、UART5USB1个（USB2.0全速）CAN1个SDIO1个GPIO8012位ADC模块3（16）12位DAC模块2（2）CPU频率72MHz工作电压2.0~3.6V工作温度环境温度：40℃85℃封装形式LQFP100STM32F407是基于Cortex-M3内核的ARM控制器。它具有广泛的片上资源和广泛的应用。该最小系统为控制系统的外围电路设计了USART、SPI、PWM等常用模块。STM32F407单片机最小系统如图15所示。图15单片机最小系统原理图STM32F407单片机具有多个引脚，有的引脚具有多种功能，可以显著提高硬件电路的灵活性。外围电路围绕核心控制芯片STM32F407展开，主要包含单片机用电源和显示器等。OLED显示器用于测量结果的显示，电源负责给单片机和电能采集芯片供电。在单片机的控制过程中，将微控制器的各种寄存器的值重新设置到它们的原始状态称为复位。如果复位电平脉冲宽度为正，则使用开机复位模式。最简单的复位电路，不增加硬件。如图16所示，将电容连接到复位输入引脚上的VCC上，将电阻连接到GND上。图16上电复位电路VCC的上电复位电路包括10uf极化电容，10kΩ电阻。通过对电容器充电和放电实现外部复位电路，电容器的第一输入是一个临时的高电平，随着VCC充电时间的增加而减少。在开机时，只要VCC上升时间不超过1ms，微控制器就可以可靠地重新启动。4.2避障模块（1）超声波传感器设计声波是一种机械波，人耳可以识别，其频率通常在20赫兹到20千赫之间。20千赫以上的超声波可以简单地理解为“频率大于声波的波”。超声波常用的频带范围从数万赫兹到数万兆赫。在工程中，超声波通常是由电压传感器激励产生的。它还具有一般机械波的折射、反射现象和传播过程中的能量衰减现象。超声波在空气中以较低的频率传播，通常为数万赫兹，在固体和液体中以较高的频率传播。它在空气中分解得更快，在液体和固体中扩散，衰减更少，分布更广泛。利用超声波的物理特性，可以转换成各种超声波传感器，配备各种电路，转换成各种超声波测量装置和装置，并广泛应用于通信、医疗等方面。超声波距离传感器是一种广泛应用于扫面机器人的外接近传感器。其原理很简单:发射器向特定方向发送超声波，并使其同步。当超声波与空气中的障碍物碰撞时，它们会立即被反射回来。当接收器接收到反射波时，同步立即停止。计时器记录的时间乘以超声波的速度等于走过的距离的两倍。根据这个比值，可以计算出辐射点到障碍物的距离，称为时差法。超声波测距广泛应用于液体报警距离的测量和液位的测量。虽然测量范围可以达到100米，但测量精度只能达到厘米级。但这个数字对扫地机器人来说应该足够了。本文选用HC-SR04型超声波测距传感器，实物如图3.5所示。这是一个测量距离的非接触式传感器，测量精度为3mm，测量范围为2cm-400cm，该模块包括发射机、控制电路和接收机。图17HC-SR04实物图测量距离D计算公式见式：其中:D为机器人测量到障碍物的距离，T为高空时间，空气传播速度。超声模块的方案如图18所示。由MAX232驱动芯片传输的触发器输出触发频率为40hz的方波。超声波在空气中传播，遇到障碍物。超声波以回波的形式返回，由接收器接收。波形微弱，有干扰，回波信号经过滤波、放大、整形后转换为高电平信号，利用定时器计算高电平时间，达到测量距离的目的。图18超声波测距模块电路红外传感器设计超声波传感器有测量盲区，所以采用反射式红外传感器模块来消除其缺陷，反射式红外传感器模块主要用于障碍物的预防。本文采用的传感器模型为TCRT5000。如图19(a)所示，目标仅处于超声测距模块的近盲区。检测范围为1-8mm，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，数字开关输出，红外测距电路如图19(b)所示。（a）实物图（b）电路图图19红外反射传感器微波雷达传感器设计微波雷达传感器是利用多普勒效应原理来测量目标的运动、距离、速度、方向、存在等信息的传感器。它的基本原理是微波发射天线辐射到自由空间,当电磁波在自由空间的一个物体,物体表面散射现象,部分的电磁能量通过反射探头表面的对象接收天线,接收天线接收反弹回来的微波信号，通过信号处理电路检测反射波的电磁参数，实现微波感应功能。灰尘传感器设计粒子和分子在光的照射下产生光散射现象，并吸收部分光的照射能量。当一束平行单色光入射到不同的探测粒子场时，由于粒子周围的散射和吸收的影响，光强减弱，得到入射光通过待测浓度场的相对衰减率。相对衰落率的大小可以线性反应的相对浓度粉尘测量,光强度的大小和光电转换的电信号强度成正比,相对衰落率可以通过电信号测量。灰尘传感器的优点有以下几点：1、准确识别污水的脏污程度响应速度快，t＜200ms3、采用发射管、接收器、主板分体式设计，体积小，线缆少，便于在各种复杂的管道结构中灵活走线安装。（5）碰撞开关碰撞开关是一种用于机器人上方移动装置的接触传感器，当超声波传感器和红外传感器发生故障时，可以用来躲避障碍物。该方案如图20所示。图20碰撞开关电路图4.3电机驱动模块在避障清扫机器人的生产过程中，我们将主要采用直流电机、步进电机、舵机和减速电机。与其他电机相比，直流电动机价格更便宜，型号更多。无刷直流电动机虽然效果较好，但与无刷直流电动机相比，运行控制更复杂，成本更高。因此，本文主要采用无刷直流电机。它主要由定子、转子和电刷三部分组成。其工作原理也比较容易理解。的避障机器人,其主要功能是距离和避障,不需要速度太快,通常采用较低的两端电压的电动机或PWM速度,但两种方法可以使输出扭矩低于正常,或者使他们无法负荷,所以可以采用附加机械的方式使其减速，常见的减速机有齿轮、皮带、蜗轮和蜗轮，由于市场上直齿减速机电机比较齐全，型号繁多，所以本文采用直齿减速机电机。电机驱动模块负责接收控制指令并控制直流电机。使用万向计数器后，驱动清扫机器人左右轮的两台直流电机工作电压为7V，工作电流较小。驱动模块只需要控制两台电机的负载即可。本文的L298N电机驱动模块接收控制系统的控制信号，驱动左右直流电机控制机器人清洁轮的运动状态。L298N电机驱动模块驱动控制芯片为L298N芯片。允许高输入电压高达46V。输出电流可能非常大。电流可以通过3A。直流电机，可用于驱动左右轮。L298N芯片使用的控制信号是逻辑TTL电平。本文在L298N微电路中引入了7V的工作电压。微电路控制电路的电压输入用跳线闭合，5V开关端子由主板供电。使用可选的5V电源。逻辑函数L298N如表5所示，电机驱动电路如图21所示。表5L298N电机驱动模块逻辑功能表ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止L——停止图21电机驱动电路为了准确定位扫地机器人，需要计算扫地机器人本体的运动参数，扫地机器人底盘车轮位置放置四个角。实际测量得到的A轮和B轮DAB直径为0.07m，厚度为0.015m，C轮直径为0.014m，厚度为0.01m。左右车轮A、B之间的中心距离lAB为22m，车轮C到车身中心的距离lOC为0.11m。设左右车轮转速为Rr/min，则左右车轮前进或后退的速度V直行（单位m/s）可以按照下式计算：在本文中，左轮正转，右轮反转，实现扫地机器人的原地右转，利用左右轮的旋转和左右轮的反转来完成扫地机器人的左旋。然后旋转机器人旋转的角速度ω（单位rad/s）可以由下面的公式计算:直流电机的速度放缓后减速机制是R=60rpm，直线运动V0.22m/s，ω旋转为2rad/s，根据方程。在获得扫地机器人本体的运动参数后，利用控制程序可以控制扫地机器人移动到指定位置。4.4软件程序开发（1）软件控制结构机器人必须执行自主定位和全面爬行任务。软件体系结构如图22所示。在应用层，根据机器人在定位和清洗方面的需求，分为:按钮处理、传感器数据采集、定位、运动路径全程规划、运动控制、通信、状态监测、显示等任务;驱动层，ADC采集，RS232,I2C和SPI端口，TIM定时器，EPPROM读写端口和I/O输入/输出端口。图22软件总体框图软件控制程序为了使机器人正常工作，需要对硬件电路编写合理有效的程序。编写程序时，主要观点如下。首先是程序的正确性，保证清扫机器人能按照人的意图正常工作是首要任务;其次是程序的健壮性，在设计程序时要考虑一定的容错能力和恢复能力，减