户外攀爬清洁机器人设计

摘要

随着社会的发展，楼房越来越高，现代化大楼越来越多采用玻璃幕墙，对于高层住宅

人们要完成玻璃外部清洁工作也迫在眉睫。传统的清洁方式效率很低，而且危险系数也很

高。本课题为了满足社会的实际需求，设计出了攀爬清洁机器人，不仅降低了人T的劳动

强度，也提高了工作的效率。市场上户外攀爬清洁机器人的技术还处于初级阶段，在使用

的过程中也出现了很多问题。本次设计研究通过户外攀爬清洁机器人的工作原理及过程，

解决了清洁机器人中攀爬难于清洁这一问题，通过周密的计划和设计，反复的论证方案,

设计出一种最合理、最符合实际应用的方案。攀爬清洁机器人在玻璃上的行走、转向及其

自动规避的功能、清洁的功能等几个主要的功能阐述了机器人的功能及其应用。攀爬清洁

机器人的工作原理是基于STM32单片机，利用轮式的左右轮的控制模式来实现轮部的控制

工作，使轮部电机按其规划的速度运动，当机器人遇到障碍物时，传感器将采集到的信息

和数据传输到显示屏，单片机读取显示模块的无线电信号，控制越障臂进行规避和移动。

配合由单片机读取的无线电信号控制清洁装置进行清洁任务。

关键词：轮式；规避；无线信号；STM32单片机；显示模板

I

ABSTRACT

Withthedevelopmentofsociety,thetechnologyofoutdoorclimbingcleaningrobotinthe

marketisstillintheprimarystage,andtherearemanyproblemsintheprocessofusingit.

Modernhigh-risebuildingsarealsoendless,thebuildingisgettinghigherandhigher,peopleto

completetheglasscleaningworkisalsoimminent.Traditionalcleaningmethodsareinefficient

anddangerous.Inordertomeetthepracticalneedsofthesociety,theclimbingcleaningrobotis

designed,whichreducesthelaborintensityandimprovestheworkefficiency.Thisdesignstudy

throughtheworkingprincipleandprocessofoutdoorclimbingcleaningrobot,solvethecleaning

robotintheclimbingdifficulttocleanthisproblem,throughcarefulplanninganddesign,

repeatedargumentationprogram,designamostreasonable,themostconsistentwiththeactual

applicationoftheprogram.Climbingcleaningrobotontheglasswalking,steeringandits

automaticavoidancefunction,automaticcleaningfunctionandseveralothermainfunctionsof

therobot'sfunctionanditsapplicationarcdescribed.Theworkingprincipleoftheclimbingand

cleaningrobotisbasedonSTM32microcontroller,usingthecontrolmodeoftheleftandright

wheelsofthewheeltypetorealizethecontrolworkofthewheelpart,sothatthewheelmotoran

itsplannedspeedmovement,whentherobotencountersobstacles,thesensorwillcollectthe

informationanddatatransmittedtothedisplay,themicrocontrollerreadsthedisplaytemplate

radiosignal,andcontrolstheovcr-thc-barricrarmtoevadeandmove.Inconjunctionwiththe

radiosignalreadbythemicrocontrollertocontrolthecleaningdeviceforcleaningtasks.

Keywords：Wheeled;circumvention;wirelesssignal;STM32microcontroller;displaytemplate

目录

第1章绪论................................................................1

1.1课题研究背景........................................................1

1.2课题研究意义.......................................................1

1.3国内外研究现状及发展趋势...........................................1

1.4研究内容...........................................................3

第2章整体设计方案.......................................................4

2.1总体结构..........................................................4

2.2系统的工作原理....................................................4

2.3系统的主要特点.....................................................4

第3章控制系统设计........................................................6

3.1控制系统的设计.....................................................6

3.2气体压力传感器.....................................................6

3.3蜂鸣器报警系统....................................................7

3.4微动开关..........................................................8

3.5LCD1602显示屏......................................................8

3.6SG90舵机...........................................................9

3.7障碍物检测模块.....................................................10

3.8L298N驱动电机......................................................11

3.9WTFT模块...........................................................12

第4章系统的软件设计.....................................................15

4.1软件的主设计.......................................................15

4.2超声波模块程序设计................................................17

4.3WIFI模块程序设计.................................................17

4.4SG90舵机程序设计.................................................18

4.5L298N驱动电机程序设计.............................................20

4.6微动开关程序设计..................................................20

4.7显示模块的设计....................................................22

4.8气压检测模块设计..................................................23

in

第1章绪论

1.1课题研究背景

随着社会一直在向前发展，城市里越来越多的高楼大厦采用玻璃幕墙，与比同时，都

市的环境状况也每况愈下，清洁问题也成为了让人头疼的首要问题，因此完成清洗大楼玻

璃壁面的工作也越发迫在眉睫。工人们大都依赖传统模式下的升降机平台对大楼逐层进行

清洗，效率较低，且工作环境格外恶劣，尤其遇上恶劣天气，危险指数也将大大增长。本

课题在符合社会现状的基础上，满足社会的实际需求，采用爬壁机器人对楼层外壁以及玻

璃进行清洗，减轻工人劳动负担的同时，也提高工作效率和安全指数。

1.2课题研究意义

户外攀爬清洁机器人是具有清洁高层建筑玻璃功能的壁面移动机器人，它的应用可以

给人们带来便利，而且在成本方面也会降低。还有，人们在高层进行清洁作业时，安全问

题也是最重要的因素，机器比人工清洁的更快，同时这款机器人的广泛应用也将对清洁业

的发展起推动作用，增加了社会的经济效益。综上，户外攀爬清洁机器人的设计与研究有

良好的应用前景。

1.3国内外研究现状及发展趋势

户外攀爬清洁机器人又叫做壁面移动机器人，它能够在墙壁上自由移动并且能够完成

清洁任务的自动化机港人V机器人最基本的功能是吸附到墙壁上并且可以自由的移动。而

常见的吸附方式有两种:真空吸附和永磁吸附。真空吸附:机器人利用底部的吸盘产生负压,

而对其壁面或者玻璃进行吸附，任何环境都可以吸附；永磁吸附对环境的要求比较高，必

须在有磁性的环境下使用C永磁吸附又可以分成两种：永磁体、电磁体，大多只能吸附在

导磁性壁面上。本次设计的户外攀爬清洁机器人的功能主要是：对建筑物外壁进行清洁。

近年来，机器人的发展迅速，在各个领域中被广泛应用，机器人是一种自动机械装置，且

擅长高空极限作业，愈发成为研究的重点。户外攀爬清洁机器人适用于很多方面⑴。

自20世纪90年代以来，我国也开展了相关的研究，对壁面或者玻璃的清洁。而常见

的吸附方式有真空吸附和磁吸附，二两种方式各有各的优缺点。在真空吸附中，它不会受

到环境的影响，但是当遇到凹凸不平的壁面时，也会对吸盘的吸附有一些影响。而磁吸附，

又分为电磁铁和永磁铁，它的运作需要电来对其控制，操作相对简单一点，但是对环境的

要求很高，只能在有磁性的环境下使用，其中永磁铁不需要电，但是它的控制比较麻烦，

它的磁性特别强，能在凹凸不平的壁面上作业，其吸附力远远大于真空吸附且不会漏气，

但使用的材料必须是导磁材料P中国、美国、日本、韩国以及欧洲的一些国家都相继推出

了各国研究制造的玻璃清洁机器人，清洁机器人的研究技术正在逐步趋于成熟，但还有很

多人不太了解有关方面的知识，很多相关的技术从外行人的视角来看，还是可望而不可即

的，同时在互联网卜.相关的文字论述寥寥无几，因此我们有必要针对玻璃清洁机器人的研

究展开相关科普与说明。

2009年武汉理工大学陈明森在《爬杆机器人运动原理及动力学与研究》文章中剖析了

爬杆机器人功能机构的协调配合、攀爬力的变化与结构参数之间的关系，利用预紧拉力弹

簧安装在凸轮夹紧结构上，突破了变值径杆爬行的阻碍。基于变值径杆爬行的基本条件，

对攀爬手臂夹持的重合度问题进行探究，当攀爬杆件直径最小时，耍确保清洁机器人可以

夹紧，不会掉落，当攀爬杆件直径最大值时不会锁死，依据这两个极限点，从而计算出机

器人的尺寸。清洁机器人结构简单，整休紧凑，组装灵巧，控制简便。而该机器人也有缺

点，就是爬行速度较慢，同时只能垂直沿上攀爬，需要添加安装换向机构，或者修改凸轮

才能实现机器人的正反转向；可攀爬的对象只有类似杆状的建筑物，越障能力有缺失，智

能控制机构不太完善，不能处理好工况较为复杂的情况。2019年彭上乾在《垂直攀爬机器

人设计与研究》中为了提高攀爬机器人的性能，满足垂直攀爬机器人在墙面上自重轻、负

载能力强和行走方便的要求，设计了机器人的机械结构，先使用软件构建一个有关清洁机

器人的模型，采用机架、外部吸盘组、内部吸盘组和滚珠丝杠机构来构成垂直攀爬机器人

的主要机械结构，由气缸控制外部吸盘组的伸缩结构，内部吸盘组和滚珠丝杠的滑块连接

在一起，通过步进电机旋转，进而带动滑块运动，最后完成内部吸盘组的运动，内部吸盘

组的数字舵机来操纵清洁机器人实现转向运动。垂直攀爬机器人能够从地面跨过到墙面，

这是利用了三个旋转关节，数字舵机进行驱动，可以让三个关节完成旋转运动，满足了驱

动系统质量轻、效率高、响应速度快、动作灵活、位移偏差小、安全可靠、维护方便、经

济合理和体积小等要求，提高了垂直攀爬机器人的动作特性，很大程度上改善了机器人的

运动精度。2020年李钟谷在《磁吸附式金属攀爬机器人优化设计与实验研究》中为了使机

器人替代人力进行故障检测和表面清洁，替代起重机攀爬到难以到达的高耸金属结构的表

面，加大提高的安全性和生产效率。作者生产设计了4种相关的产品，首次制造的产品采

用的是外置车轮的形式，在其车轮下边安装了永磁铁，但是试验下来发现做出的产品体积

太大不灵活，不适合在不同环境使用，而且控制难度高；第二次产品使用了一个减速器，

而且自锁功能也安装上，在安全性能上提高了不少，但是缺陷还是有；第三次产品把它的

结构改造，在体积重量方面，有了明显的下降，但是还是不太理想；第四个，效果有了显

著的提升⑵。

2

日本在这个机器人上投入很多，其中还有一种固定式的清洁机器人，它将机器人固定

在一个位置，然后依靠轨道和吊装系统的升降功能对其进行清洁任务。机器人可以自动的

清洁，而且在清洁系统安装了好多的清洁吸盘，这样大大的提升了工作效率，不过这样下

来，它的设计成本大大的提升了，不太适合日常所需要的标准。而且还要在清洁的部位安

置轨道，它的清洁环境受到了大大的限制，降低了工作效率。德国马格堡的自动控制与操

作的研究所，德国的生产与设计研究所，根据德国的环境设计出来了一系列的清洁装置，

他主要采用的模块化的设计方法，设计出了机器人可以在高楼卜自由移动擦玻璃的机器人0

柏林火车站有庞大的玻璃隧道，就由该系列机器人之一完成了清洁工作。该机器人在横向

轨道上水平吊挂，能够顺着轨道左右移动，也可以顺着竖直轨道上下移动，成功清洗一大

块隧道玻璃。普茨迈斯特公司经过了5年的研究，研究出了一种“清洗巨人”，它主要是

对飞机进行清洗工作的，还可以对飞机进行抛光、清洁、涂漆等功能，还可以清洗一些制

造厂的大门或者玻璃、橱窗等⑶。

1.4研究内容

本设计主要研究户外攀爬清洁机器人的控制系统。基于STM32单片机为主控制器，并

加以气体压力传感器、超声波传感器、驱动电机、显示模板、蜂鸣器、无线模板等构成机

器人的控制系统。利用左右轮驱动电机的控制模式来实现轮部控制工作，使轮部电机按其

规划的路径运动，当机器人移动遇到障碍物时，传感器将采集到的信息和数据传输到显示

屏，单片机读取显示模块的无线信号，控制越障壁进行避障和移动，并配合由单片机读取

的无线电信号控制清洁装置进行清洁任务。

3

第2章整体设计方案

基于擦窗的工作环境，为了满足清洁需求，清洁机器人需要适应各种各样的工作环境,

能应对恶劣天气、能清洁光滑的玻璃；具有一定的容错能力，尽最大可能的保障安全，所

以选择使用负压吸盘吸附方式C清洁机器人在清洁有水渍的玻璃面时容易打滑，因此，机

器人移动装置要求和玻璃面有较好的亲和性，接触面积增大，摩擦力增大，所以决定使用

履带式行走方式。

2.1总体结构

清洗机器人包含了五大部分：首先是移动部分，其次是吸附部分，然后是清洁部分，

然后还有检测位置和目标位置的部分，最后是其他的一些。移动部分：采用两个电机对其

进行控制，可以实现机器人前后左右的移动；吸附部分：使用吸盘对壁面进行吸附，防止

脱落还用一个绳子对其固定；清洁部分:在吸盘底部安装清洁布，一边固定、一边用清洁

布清洁；位置检测:利用传感器对目标位置和自身位置进行检测，当发生问题时，能够及

时的传出信号，机器人做出规避或者转向⑷。

2.2系统的工作原理

在吸盘的底部安转了吸附部分，先将机器人放在壁面上进行吸附，然后用手机app或

者遥控器或者自动移动来让机器人进行移动，自由移动时，一边先固定，然后电机正转或

者反转来进行清洁和移动，当一边固定时，另一边就移动，前进或者后退。在它工作时，

吸盘属于吸附状态，吸附在物体表面进行清洁，完成清洁任务。除此之外，还要考虑机器

人自身的重量，还有它的吸盘与不同环境下的吸附力，基于这两点要求，吸盘的摩擦系数

较低，既能满足在玻璃表面滑行的需求，又能维持较好的吸附力，不会掉落⑸。

清洁机器人使用真空吸附的方式，在其底部安装上压力传感器，当其压力不够时或者

有漏气现象出现时，就是报警并将信号传给上位机，然后再重启吸盘，防止它脱落几

2.3单片机的选型

方案一：选用51单片机来作为机器人的主控制器，51单片机是一种超大规模集成电

路将程序储存器（ROM）、数据储存器（RAM）、8个CPU、中断源、输入和输出口集中到

一块电路板上的微型计算机系统在工业控制领悟广泛的应用⑺。

4

方案二：选用STM32单片机来作为机器人的主控制器，在信息周刊《探析单片机硬件

电路设计》中，可以得知STM32单片机是“一种针对应用化的新型内核。”在STM32单片

机中，根据存储空间的大小和使用性能的强弱，可以分为通用性和增强型。STM32单片机

有很强的信息处理能力，它通过最小的硬件来满足用户的需求。集成了复位电路、低电压

检测、调压器、RC振荡器等，不仅消耗低、成本很低，而且它的性能特别强大。如图2T

所示。

通过两个方案的对比，首先在操作系统方面，STM32提供了非常丰富的数据库，因此

我们可以直接在数据库中提取定义的函数，可以省不少时间，而51单片机是没有这样的

数据库的，需要我们进行程序编写，在某些情况下，还需要牺牲一些功能来实现他的整体

运转；其次在运行速度上看，51单片机的运行速率比较慢，而STM32单片机采用了工作频

率很高的单片机，其速率也提升了很多，而51单片机是不可能做到的；最后在系统资源

方面，51的所有资源都是不及STM32单片机的。所以选择方案二网。

GND

UI

PB121401-3.3V

rnDnIinZ//xrjNcoca/rU^vNGND

PB132

PB13/SCK/CTSGNDUSJT

PBI4338|

PB14/M1S(¥RTS72V

PB15437R

rDlJ/IVlUalKD

PA8536PB11

PA8/CKSDA/RX/PBll

PA9635PB10

PA9/TXSCL/TX/PB10

P/MO734PBI

PA10/RXADC/PB1

PA118DA11XT'ANJPV33PBO

pA10orAl1/VAIMKAADC/PBO

r/\1ZDA10XPAMTV32PA7

PAI51031PA6

rI)AAI13CMISO/ADC/PA6

PB31130PA5

/ArV'/DA<

PB41229PA4

I>|>4/\4|CfMQQ/AIV'/DAA

ORC1Ja28PA3

PB5/SMBAIRX/AIX7PA3

PB61427PA2

PHAACPITY/A|V'/PA)

1c

ID/1026PAI

■U//OLzAAAUfV'//rPAA1

iDOIO25PAO

PB8/C,AN_RXAArMwV*/rtr>AAUA

PB91724PC15

PB9/CAN-TXOSC32JMJT/PC15

1823PC14

□SV一OSC32JN/PC14

1922PC13

ckJK1V/rV1J

2021VBAT

J1.JIVVBAT

GND3.3VSTM32F1O3C8T6

图2-1STM32单片机引脚图

5

第3章控制系统设计

3.1控制系统的设计

采用STM32芯片为主控制器的核心，再用其单片机来控制电机驱动的模板，来控制

两个电机，同时两个电机我们采用手机APP来控制电机的前进和转向。

系统大体可以分为:蜂鸣器、超声波传感器、STM32单片机、障碍物检测模块、L298N

驱动电机、显示模块、气体压力传感器、SG90舵机、WIFI模块等。

整个工作原理:首先一个发射传感器发射信号，接收传感器收到信号，然后超声波传感

器感知就可以大致得出机器人与目标之间的距离，再通过三边定位来定位他们的坐标信息,

然后收到信号就可以驱动左右轮电机和直流电机对机器人进行实时控制。在超声波完成一

系列的操作中，不仅仅是对机器人进行移动的控制，当机器人遇到障碍物时，能够准确的

避开，并且当机器人找不到目标时，能够控制其传感错来对目标位置进行预测⑼。如图3-1

所示。

图3-1原理图

3.2气体压力传感器

本系统采用HX-710气体压力传感器，它能够很精准的测出气压在变化时侯的数值，

可以测量()~4()kpa的范围°它使用的是单线的SPI,它由时钟引脚SCK组成，所以只需要

直接读就可以，不使用库。气压传感器的内部是由一个顶针和一个能检测到气体强弱的薄

膜来构成，在其外部再连接上一个柔性电阻器。当被测气体的压力降低或升高时，这个敏

感的薄膜就会感受到，再带动它的顶针，同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发

生变化，从传感元件取得0-5V的信号电压，经过AD转换由数据采集器接受，然后数据

采集器以适当的形式把结果传送给上位机。它的操作很简单，而且它的价格便宜，可以降

低很多的成本。如图3-2所示一。

6

GND

U4

GND

PA7

SCL于

3PA6

OUT

4

5V"ZL

5V

图3-2气体压力传感器电路图

图3-3气体压力传感器实物图

3.3蜂鸣器报警系统

蜂鸣器选用的是有源蜂鸣器，由直流电源输入，再通过振荡电路的蜂鸣取样反馈的放

大电路来产生声音，本设计是运用单片机的引脚进行驱动，不需要任何的外部电压。也不

需要任何外部的驱动电路，因为单片机的引脚电流足以驱动蜂鸣器的整个电路C有源蜂鸣

器价格便宜，而且设计也很简单UL如图3-4所示。

图3-4蜂鸣器实物图

7

GND

LSI

图3-5蜂鸣器电路图

3.4微动开关

微动开关是一种具有很小结点间隔，它可以按照其规定的行程进行开关的结构，它的

外部有一个可以按的开关，因为它的触电比较小，所以我们可以称它为微动开关或者光敏

开关。本设计中使用微动开关，可以模拟机器人爬墙后的吸附状态，当微动开关打开或者

关闭时可以将其状态传至上位机"％如图3-6所示。

图3-6微动开关实物图

图3-7微动开关电路图

8

3.5LCD1602显示屏

该产品的核心特性包括：可以同时输出16*2个汉字；内置的芯片可以承受4.5-5.5V的

输入，并且可以承受2.0mA的输出；此外，该产品的模块可以承受5.0V的输出。如图3-

8所示【⑶。

图3-8LCD1602显示屏电路图

图3-9LCD1602显示屏实物图

3.6SG90舵机

SG90舵机，又叫伺服电机，是一种具启具反馈结构的电机，它具布极大的转速能够

很好的完成任务，还能对其进行精准的定向控制。它是一种数字电机，相对于模拟舵机来

说的话，数字舵机在控制电路方面有更多晶体振荡器和微处理器，不仅速率上能够增大,

而且驱动性能上也得到了极大的提升。所以使用了SG90舵机，来模拟机器人的清洁功能。

如图3-10所示。

9

图3-10SG90舵机实物图

U3

OUT

5V

GND

—SG90

GND

图371SG90舵机电路图

3.7障碍物检测模块

使用的一种换能器，输入阻抗很高。采用同相放大接法，前级放大倍数很大。带通滤

波电路接本系统采用超声波传感器HC-SR04检测机器人向前移动路线上.的障碍物，该传感

器接收与发送一体，但测量角度比较狭小，范围只有15°,无法检测机器人移动路线上的

全部区域。因此，本系统设计一个超声波环，由12个超声波传感器构成，能够检测到机

器人前方180°的范围。为了能够使传感器之间的信号不混淆，那么我们将采取一些措施，

比如把他们的信号进行分类，一类先进行工作和传输，之后才到下一类进行传输信号，以

此来避免三组之间互相干扰的情况。以上两点满足了探测前方180°范围的要求，也极大

程度上减小了传感器之间的干扰影响。在本系统中，软件产生伪随机码m序列，控制器产

生信号后，信号通过控制器的两个端口进行传输，再由放大器最其方大，再由放大器传输

到超声波转化器，超声波就可以发出经过了转化后的超声波信号。它的主频率受电阻的影

响。

超声波信号通过介质传播后很微弱，所以在接受这些信号的时候，对超声波的接受电

路要求很高，其一些精度和增益，能够便于超声波对信号的处理。引脚与单片机相结合，

里边还有放大电路，后级放大电路还有滤波器等【⑶。

10

接收电路分为前置放大电路、电子选通开关、检波电路和视放电路等。传输到超声波

的信号特别小，信号特别弱，所以需要放大器对其进行放大到可以感知到程度。本系统设

计收到信号的过程中，会有很多的干扰源来干扰信号，所以要屏蔽这些干扰源或者放大信

号。

本文设计电路构成是：高抗运算放大器、阻容软件、低通网络。高通网络由R13和

C17构成，低频wC=l/(RU・C16)=38kHz,高频wH=l/(R13・C17)=42kHz,过滤38kHz以

下，42kHz以上的干扰信号°

后级放大电路是由于PIR输出的信号太微弱，需要经过放大电路的放大，过滤掉其他

因素的干扰，提取有用的信号，以此来达到所需要的要求。本次选用的是放大频率比较高

的放大器NE5532,一般的放大器只能达到8HZ,而其宽带可以达到20HZ以上，这样电

路的功率大、失真小、效率高。

高速绝对值电路高速绝对值电路通过放大器放大信号后，它的n序列是接着提现出来

的。这个系统的设计高速绝对值来替代以前的建波电路，以此来调节它的n序列。当输入

的信号为正时，其中二极管的一端为导通状态，另一段为截止状态，在信号处理后，它的

输出为正信号；反之，当输入信号为负时，则二极管的一端为截止状态，另一段也导通状

态，它的输出信号为正信号。所以，当它的输出信号为正信号时.，或者处于负信号时后，

它的输出信号都是正信号।⑸。如图3・12所示。

图372超声波传感器实物图

图3-13超声波传感器电路图

11

3.8L298N驱动电机

根据清洁机器人的设计需求，我们一般选用空间比较小，因为有可能是在室内环境使

用，那么要求噪音要低一些，所以一般选用L298N驱动电机。清洁机器人一般要用两个驱

动器进行驱动，因为要控制它的左右转向，当它向反方向移动时，它可以进行转向自动移

动。然后再调节电机的转速，还可以控制机器人整体的移动速度。当两台电机按相反方向

转动时，清洁机器人向前或向后运动；当两台电机按相同方向转动时，清洁机器人转动方

位。囚此，选择驱动方式时应满足效率高、经济低的需求。如图3-14所示。

图374L298N驱动电机实物图

®|z|18650

||L298N

—广

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5N1

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0»7

图3-15L298N驱动电机电路图

12

3.9WIFI模块

WIFI模块选用的是ESP8266WIFI模块，它具有很强的处理和储存能力，可以让它能通

过串口集成的传感器及其他应用的特定设备，可以最小的占用系统的资源。它是高度的片

内集成，可以很少的占用空间，而且只需要很少的外部电路。在系统表现方面，它具有前

端信号的处理功能、系统故障排除和无线电系统共存特性为消除干扰等。如图3-6所示。

图3-16WIFI模块实物图

PA101

ESP8266

图377WIFI模块电路图

13

表37WIFI模块管脚表

管脚名称管脚功能说明

1VCC电源电源+3.3~3.6VDC

2TX_EN数字输入TX_EN=1TX模式TX.EN=0RX模式

3TRXCE数字输入使能芯片发射或接收

4PWRJJP数字输入芯片上电

5uCLK时钟输入本模块该脚废弃不用，向后兼容

6CD数字输出载波检测

7AM数字输出地址匹配

8DR数字输出接收或发射数据完成

9MISOSPI接口SPI输出

10M0S1SP1接口SPI输入

11SCKSPI时钟SP1时钟

12CSNSPI使能SPI使能

13GND地接地

14GND地接地

14

第4章系统的软件设计

4.1软件的主设计

为了能够使得程序更稳定，编写程序更方便，在软件开发的过程中选用模块化的设计

方法。数据采取无线传输的方式，其中主要包括：主程序、解释和编译程序、无线收发模

板以及它的故障或者诊断程序等。系统在进行初始化时，单片机的各种子程序与辅助程序

对机器人进行控制，一些有存储功能的程序进行文件储存，进而控制整个系统，并进行维

护，使得它可以正常运行C当全部系统软件通电时，下位机中的信息采集模块采集到收集

到的行走信息。在精准的测量与运行的轨迹后，数据采集模块将传输数据到主控制板。控

制器依据读取到的轨迹数据信息和控制参数作出分辨。假如当场检测获得的运行轨迹主要

参数在系统要求范畴内，则回到运行检测控制模块再次下一轮检测。假如检测到现阶段环

境中的运行轨迹超出控制参数，便会运行相对应的机器设备，依照预置的操控方式调整环

境中的机器人的运行轨迹，直到现场环境中的机器人能够完成相应的指标值。在操作系统

的全部运行环节中，上位机软件自始至终与下位机维持通讯。现阶段系统软件中的运行数

据信号会展现在上位机中，客户可以对检测到的信息开展储存和编写。依据系统的工作内

容，可以获得如下图4-1所显示的系统整体流程表。

15

图47系统软件总流程图

16

4.2超声波模块程序设计

当小车向不同方向移动或者转向时，超声波将监测前方和障碍物的距离，当其距离大

于其设定值时，小车继续移动；当小于设定值时，小车停止，蜂鸣器报警。如图4-2所示。

图4-2超声波流程图

4.3WIFI模块程序设计

确定要进行连接，首先先要打开手机上的WIFL然后把单片机的WIFI模块接入。手

机APP上出来登录界面，输入连接密码，这样就把手机和单片机连在一起。WIFI的连接

密码，可以通过程序设定，这里使用初设的密码。如图4-3所示。

17

图4-3WIFI模块流程图

4.4SG90舵机程序设计

负责清洁系统系统的整体用作。当要开始工作时，先对其发送一个行走的指令，机器

人收到伺服指令等任务，硬件的一些载体部分是机器人本身。收到指令，完成清洁任务。

如图4-4所示。

18

检

检

测

测

通输

电入

位脉

置冲

b

制

输出控

快/慢

电机

正反转

图

机流程

90舵

SG

图4-4

19

4.5L298N驱动电机程序设计

负责机器人前后左右的移动，完成机器人对移动指令的接收工作。位置移动信息是它

的主要功能，他可以收到位置信息，然后对信息进行采集，并对输出和输入信号放到一个

函数中，并将伺服函数放到一个函数中，完成机器人的移动。如图4-5所示。

图4-5L298N驱动电机程序图

4.6微动开关程序设计

微动开关的程序运行与机器人的pc上，负责模拟机器人的吸附状态，对机器人的任务

的规划以及设定，TCP/IP通讯等任务。这个程序建立在一些信息查询函数的动态链接库上。

各个不同系统相互调节，在保证一些安全的情况下对用户完全进行开放。当吸附失败时，

蜂鸣器报警；吸附正常，则机器人顺利运行。如图4-6所示。

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结束

图4-6微动开关流程图

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4.7显示模块的设计

在显示屏中需要显示机器人的位置信息和它的周围是否有障碍物，然后在显示出具体

数据，再考虑在价格或者性能方面比较高的显示屏。如图4-7所示。

图4-7显示模块流程图

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4.8气压检测模块设计

采用了气体压力检测模块，当压强不够时，蜂鸣器报警，就会传至上位机和显示屏，当

压强足够时，机器人不断移动。如图4-8所示。

图4-8气压检测模块流程图

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第5章系统的实物与调试

5.1调试过程

本系统为实物中的控制系统，其中以STM32为它的主控制器，它的语言编辑都是以

数据库中的C为编辑语言，各类的传感器为它检测数据，再以电机转动来实现它的功能。

这个系统采用两种工作的模式，一种是自动工作模式，一种是遥控器或者手机APP进行控

制，用户可以通过遥控器等对工作模式进行切换。对实物在不同环境下各个功能的测试,

当上一个功能测试完成后进行下一个的测试工作，这样可以更快的发现问题的所在，确保

机器人出现问题可以很快的解决。逐步完成机器人的调试，并不断完善它的功能，实现实

物的设计要求。

5.2电源模块的测试

将通信使用的芯片、存储芯片焊接到一块电路板上，组成最小的控制模块，再一步一

步的调试系统的功能。在上电以前先检查电路是否有短路或短接的现象，首先要保证电路

的安全问题。

电源模块：在不通电的状态下，先让它的输入信号为8v,在此我们可以得到了他的

输出电压大于它的输入电压；加电后，我们首先要保证电路的安全，用万能表检测是否有

短路或者短接的现象，再用滤波器来观察机器人是否满足系统的要求，如果不能够达到，

那么只能更换滤波电容。当所有的测试完成后，连接机器人，检测它的外部电路，当机器

人上电后，再用滤波器进行检测并对信号进行处理，看看其晶振是否起振。如图5-1所示。

图57电源模块

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5.3显示模块的测试

将一些外部硬件和电路安装在一块电路板上，使得它构成单片机，检测其功能并调试,

在上电时，首先先用万能表检测它是否有短路或短接现象，保证电路的安全。然后再连接

显示屏的模块部分，确保显示屏的正负部分不接反，然后点击检测开关，看显示屏是否有

无线数据的输入c有数据，则表明数据采集成功c如图5-2所示c

图5-2显示模块

5.4实物功能的展示

机器人开机处于初始状态时，会建立一个连接手机APP的热点，可以在手机和显示屏

上看到机器人吸附正常、处于清扫关闭状态，距离为46cm、压力为303pa,而我们点击前

进等功能它处于静止状态，加图5-3所示"

阈值设定:距离;50cm压力;200。

图5-3待机状态

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机器人向左转弯时，它的前方距离大于设定值50,可以向左转弯，可以在显示屏和手

机上进行显示。如图5-4所示。

图5-4向左转弯时

机器人向右转弯时，它的前方距离大于设定值50,可以向右转弯，可以在显示屏和手

机上进行显示。如图5-5所示。

图5-5向右转弯

机器人向前向后时，它的前方距离大于设定值50,按向前向后按键，可以在显示屏和

手机上进行显示。

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将机器人阈值设定为距离：30压力：200机器人距离大于30cm时，前后左右可以正

常移动，小于30cm或压力小于200时，机器人停止，蜂鸣器报警。开启清洁系统，舵机

开始模拟转动，如图5-6所示。

图5-6清洁状态

当按限位开关时，机器人的蜂鸣器开始报警，提示吸附失败，并在手机AP、上显示吸

附故障。如图5-7所示。

图5-7吸附故障状态

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结论

本次设计攀爬清洁机器人选用的是STM32单片机对硬件与软件的设计。它的硬件主

要包括:驱动模块、超声波模块、红外显示模块、障碍物检测模块；软件设计主要包括：监

捽系统、卜下位机程序、显示模块的设计°本次设计的软件图以及流程图0

其中在超声波模块中，主要设计了它的发射和接收功能，并在实际应用中能够实现信

号的传输，使得机器人能够正常运行。在直流电机设计中，主要考虑到它的空间占用小和

噪音小的特点进行了选材°在显示模块中，我们主要用LED显示屏，它有很多的功效，比

如在节能方面、显示的清晰程度方面。其中还配置了无线模块，使得它可以和手机或者遥

控器进来信号的传输，当手机或遥控器收到信号时，可以对机器人进行控制，进行移动或

者自助移动，完成清洁任务。主控制落选用了STM32单片机，它可以在很复杂的环境中

进行严格的运算，而且它的消耗功率还很低。

尽管在实物的运行中可以完成基本的清洁任务，但是全部的系统还是有一些问题和需

要优化的地方，必须在之后的设计中不断的完善。

比如在显示模块、无线模块等的选材中，可以选择一些价格更低、功能更好的一些性

价比更高的材料。在功能方面，可以有自动加水、自动上墙和擦拭地板的功能，使得它可

以接受任何复杂环境的工作任务。虽然可以手机APP进行操控，但是功能还是不够完善,

之后可以在监控方面进行努力，对机器人进行全方位的控制，当机器人出现故障或者清洁

难度时，可以很清晰的知道它的问题所在。在之后的学习和作业中，不断的提升自我，使

得攀爬清洁机器人可以更加的完善，并且能够完成更多的功能，更好的完成不同环境的清

洁任务。

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