室内智能清洁机器人控制系统设计.docx

室内智能清洁机器人控制摘要室内智能清扫机器人本身具备有传感器检测、移动机器人功能，可以实现室内地面的自主化清洁，当按下启动键清洁机器人开始工作，这样就可以减轻家务人员的劳动量，在科技家具市场发展潜力巨大。本文对现阶段室内智能清扫机器人研发现状进行了综述,总结国内外在该领域的成果与进展情况，在与其他相关机器人的基础上，设计出了一种方便家务人员打扫地面卫生的可行性方案。清扫机器人由一个底盘，三个滚动的轮子及各种传感器组成。考虑到成本问题及可靠性能等，主控器选择了宏晶科技公司的STC89C52单片机，具有功能性和经济性兼顾的优点，且满足可控性强的要求。着重设计了红外避障传感器，液晶显示，红外台阶检测传感器以及清扫吸尘电机控制等电路。关键词：清洁机器人；智能控制；单片机系统Contro1systemdesignofIndoorInte11igentC1eaningRobotABSTRACTIndoorinte11igentc1eaningrobotitse1fhasasensordetection,mobi1erobotfunction,canrea1izetheautonomousc1eaningofindoorf1oors,whenthestartbuttonc1eaningrobotbegantowork,soastoreducetheamountofhouseworkers'1abor,inthetechno1ogyfurnituremarketdeve1opmentpotentia1ishuge.Thispaperreviewsthecurrentstageofresearchanddeve1opmentofindoorinte11igentc1eaningrobot,summarizestheachievementsandprogressinthisfie1dathomeandabroad,anddesignsafeasib1eso1utiontofaci1itatehouseworkerstoc1eanthef1oorhygieneonthebasisofotherre1atedrobots.Thec1eaningrobotconsistsofachassis,threero11ingwhee1sandvarioussensors.Consideringthecostissueandre1iab1eperformance,etc.,themaincontro11erisse1ectedfromtheSTC89C52microcontro11erofMacrochipTechno1ogy,whichhastheadvantagesofbothfunctiona1ityandeconomy,andmeetstherequirementsofstrongcontro11abi1ity.Thedesignfocusesontheinfraredobstac1eavoidancesensor,1CDdisp1ay,infraredstepdetectionsensor,andsweepingandvacuumingmotorcontro1circuits.KeyWords:c1eaningrobot；inte11igentcontro1；MCUsystem摘要IABSTRACTI11绪论11.1 课题设计的研究背景、目的与意义错误!未定义书签。1.2 国内外研究发展现状与趋势错误!未定义书签。1.2.1 国外研究发展现状与趋势错误!未定义书签。1.2.2 国内研究发展现状与趋势22清洁机器人的总体设计32.1 清洁机器人硬件总体设计32.2 清洁机器人本体硬件结构33清洁机器人硬件电路设计53.1 单片机系统电路设计53.1.1 时钟电路53.1.2 复位电路63.2 直流电机驱动电路设计63.2.1 左右轮电机驱动电路63.2.2 清洁机构电机驱动电路73.3 传感器电路设计73.3.1 红外线避障传感器73.3.2 红外台阶检测传感器83.4 1CD显示屏84清洁机器人软件程序设计94.1 清洁机器人软件总体设计94.2 驱动电机控制程序114.2.1 电机正反转控制115仿真调试125.1 系统仿真设计125.1.1 软件介绍125.1.2 仿真调试126结论与展望6.1 结论196.2 展望19参考文献20附录20致谢271绪论1.1 课题设计的研究背景、目的与意义室内智能清扫机器人本身具备有传感器检测、移动机器人功能，可以对室内地面进行全方位清洁，可以有效替代家务人员的工作量。在近些年来，室内智能清扫机器人的发展趋势已经吸引到国内外大量研究人员的注意。作为一款能够自动识别垃圾并进行打扫的清洁机器人来讲，它的出现正是追求智能化，科技化的一个集中表现。从作用表现的角度讲,清洁机器人有效降低了家务人员的工作量，适用于家庭及办公室室内清洁。因此，设计出一种能自主识别垃圾进行清洁卫生的机器人，是本课题着重研究讨论的方向。结合各个传感器以及移动机器人的知识储备,本课题研究方向着重设计出一种价格便宜，全方位覆盖清洁，以及能够识别障碍物从而进行躲避的智能家庭清扫机器人，能够代替人力劳动，让家务活动更方便快捷，更具有科技化。在当代世界经济的快速发展下，人们的学习工作压力逐渐增加，因此为了减轻人们的劳动工作量，就成了新一代家电所追求的目标，而智能化家具是这一目标的最高体现。本课题介绍了智能清洁机器人在无人情况下能够自主进行打扫卫生，从而使得生活更加方便快捷。通过收集相关资料，目前设计室内智能清洁机器人控制系统有多种方法，如基于arm的家用清洁机器人的控制系统设计、基于Iabview的智能拖地小车系统设计、基于单片机的智能清洁机器人。1.2 国内外研究发展现状与趋势1.2.1 国外研究发展现状与趋势在德国，由Kaercher生产的RC3000,是适应当时自动化风潮研发的家庭清洁机器人,首次实现了自主地面清洁功能。其采用随机移动模式，换言之，只有碰撞到障碍物，它才会改变移动方向，继续向前移动，直到遇到下一个障碍物才会改变方向。它的结构设计独特，使它能够去到比较狭小的地方例如咖啡桌和其他家具的下部。而且它拥有四种不同的清洁方式，根据地面环境及周边情况，可以设置不同的清洁方式进行打扫卫生；机器人内部安装了一个光敏传感器，在检测到前方有台阶的情况下，立即停止并向后移动。RC3000还有一个较成熟的功能，即自动充电。设计了一个配套的充电站，并且功能非常齐全，能够进行工作时间与模式的选定，同时具有红外放射功能，另外也提供了遥控自充电和垃圾处理等操作。该设备定位通过内置的红外功能实现，并发射导航信号，命令机器人在电量不足的情况下赶紧返回充电站。在日本，旅客公司、JR公司等联合向市场推出了一款擦洗机器人，获得较好的市场反馈，其工作路径是将清洁物品撒到地面上，然后利用立式装置上配备的旋转刷来完成对地面的清洗工作，再将刷洗出来的的污水排到专门的容器里。通常自动清洗系统存在两个内置模式，一个是区域模式，也就是将需要清洁的地面划分为若干区块，另一种是路线图模式，也就是根据预先规划好的基于当前清扫区域而设计的路径图进行清扫工作。通常机器人存储空间能够容纳8张地图，并且采用了IC卡作为存储介质，该模式缺点在于，障碍物识别功能不全，因此只能在固定区域使用，或重复工作区域。综上所述，国外在智能机器人的领域里发展的较为广泛，除了类似于高层建筑玻璃清洁机器人等常规机器人外，还在其他方面有着重大的研窕的发现，尤其是在各个更为复杂的环境情况下。比如河水面清洁、不规则物体表面上清洁、太空上的表面清洁。所以，国外机器人的整体发展都较为完善。1.2.2 国内研究发展现状与趋势现阶段机器人研究领域，国内属于后发方，哈工大、上交等也在清洁机器人方面上做了不少的研究，经过十几年的研究，国内的机器人技术也发展得较为完善了并在个别领域里还取得了不错的成果。在清洁机器人的相关技术领域里包含着许多研究方面，如机器视觉、机器人识别定位、扫描、路径规划、充电站的可靠性及电源节能管理等技术，为国内的机器人技术起步奠定了物质和技术基础，对将来的机器人现代化，先进化起到了不可替代的作用。早在上世纪九十年代，哈工大就已经开始着重探索机器人技术，并且取得了一定成绩,与港中大合作开发了一款可以全方位移动的机器人。此机器人功能齐全，可执行的操作种类多。该机器人具有以下特点：采用全方位移动技术，机器人可以进行在狭窄环境下的的清洁任务，如狭窄的区域。另外还采用了开放式设计方案，采用了较接结构，因此在需要时能够进行硬件拓展，同时也确保软件普适性和继承性,使得其功能实现更为全面和灵活,具有更好适应性；另外该机器人，能够适应外部较为嘈杂和拥挤的环境。红外避障传感器能更好地在面对障碍物时进行检测,信号反馈回来机器人根据返回来的信号做出转向的改变。此外，这款机器人还具备两种操控方式，一种是人为的用遥控器进行实时操控，另一种是自主运行对周边垃圾进行扫描，当按下启动键就可以自己运行起来；吸尘电机通过管道收缩以及电机的快速转动使得吸尘器吸力增加从而大大提高了吸尘效率。综上所述，国内室内智能清洁机器人研究在于如何对周边障碍物进行检测躲避。2清洁机器人的总体设计2.1 清洁机器人硬件总体设计考虑到清洁机器人如何更方便的转向以及设计的成本问题,决定采用两个行走轮带动一个万向轮的行走机构（如图2-1所示）：底盘为一圆盘，在此上面有两个带驱动电机驱动的左、右轮，这两个驱动电机可以有不同的速度，因此当两电机转速不同，两轮的速度就会有偏差，机器人就会改变前进的方向，从而可以让机器人左右转。而前面的万向轮没有电机驱动，只是起到一个支撑机器人的作用，随转向改变而改变。2.2 图2-1行走机构示意图2.3 清洁机器人本体硬件结构本文项目方案所涉及硬件系统构成如下：单片机STC89C52、状态显示器1602、两种传感器、控制机器人运行的按钮、三种电机驱动器等，这几个模块在单片机的控制命令下，可以对地面环境进行扫描打扫，从而可以按照人们的意愿使清洁机器人实现各种功能清洁机器人各模块间关系具体如图2-2所示。图2-2室内智能清洁机器人硬件系统对各模块简单描述为：(1)控制器(单片机)：基于实用性和经济性等多种考虑，确定为STC89C52RC单片机，且供应方是宏晶科技，其是程序运行的核心介质，让主控程序能够把所有系统部件串联起来，其控制功能面向的是所有功能及机器人启停等(2)电机驱动器：主要由1298和继电器驱动的。由机器人两侧的边毛刷电机驱动器、轮子电机驱动器以及具有关键影响的吸尘电机驱动器,分别进行解释,其中轮子驱动电机,能够通过对走轮的驱动作用实现机器人行走功能，另一个边毛刷电机，能够实现边毛刷旋转动作，最后的吸尘电机驱动吸尘器产生吸力对地面微小的杂物和灰尘进行吸附。(3)传感器：基于该机器人的适用场景采用红外避障传感器叫另外考虑到工作环境问题，还增加了红外台阶检测传感器成。前者实现障碍物躲避，后者实现台阶躲避。(4)状态设置按钮：有一键打扫和停止按键，主要功能为启停清洁机器人工作。(5)工作状态显示器：用于显示机器人当时是处于什么样的状态。3清洁机器人硬件电路设计3.1 单片机系统电路设计STC89C52单片机是目前适用性较为特殊的一种单片机，其研发方是Inte1公司，实现了芯片高度功能集成，能够把诸如CPU、RAM等全都囊括进去，想要基于该单片机构建一个单人使用的系统，只需要在引脚功能点进行连上接口电路即可。并且该单片机还在持续进行型号更新，目前新