毕业设计论文基于Stm32扫地机器人的控制系统设计.docx

基于Stm基扫地机器人的控制系统系统设计ContrO1SyytemDesignOfSweepingRobotBasedOn8tm32摘要今天，随着现代科学和技术的进步与发展，现代化的科学和技术正在改变我们日常生活中的各个方方面面。因为人们生活的巨大压力，没有时间打扫家务。基于以上原因可以看出，扫地机器人在我们的生活中是一个必不可少的物品。扫地机器人的作用是可以帮助我们减少日常繁杂的劳动，从而节省出大部分的时间去做其他事情，它可以有效的提高我们的生活质量。到目前为止，扫地机器人的相关技术已经逐步成熟，并且具备广阔的市场前景。清扫机器人的自动化控制是提高其智能化程度、降低生产费用的关键,并且具备重大的研究价值。本文先简单介绍清扫工业机器人的研究发展背景、国内外的研究发展现状和价值,之后，逐步讲解了扫地机器人相关的自动化控制的技术。主控板采用Stm32f103zet6作为主控单元芯片、外置红外传感器、超声波传感器、MPU6050陀螺仪等器件。本人完成了该扫地机器人的软件和驱动程序，而且通过编写相关的程序完成了PID.PWM控制和路径规划的算法。扫地机器人的外置红外传感器、超声波传感器可以从四周的环境中探测是否需要进行清扫，而且路径规划的算法可以通过对四周环境不同的变换来给该机器人规划合适的路线,PID实时输入一个控制量来自动控制发电机的转速，保证清扫机器人运转的稳定。最后，制作好了一个机器人样机，并对PTD参数做了调整。通过试验验证了自动化机器人监测系统的设计合理。关键词：扫地机器人：PID参数：STM32单片机：红外传感器AbstractToday,withtheprogressanddeve1opmentofmodemscienceandtechno1ogy,modemscienceandtechno1ogyarechangingeveryaspectofourdai1y1ife.Thero1eofsweepingrobotistohe1pusc1eantheground,canhe1pusreducethedai1ycomp1icated1abor,soastosavemostofthetimetodootherthings,itcaneffective1yimprovethequa1ityofour1ife.Sofar,there1atedtechno1ogyofsweepingrobothasgradua11ymatured,andhasabroadmarketprospect.Theautomaticcontro1ofc1eaningrobotisthekeytoimproveitsinte11igenceandreducetheproductioncost,andhasgreatresearchva1ue.Thispaperfirstbrief1yintroducestheresearchanddeve1opmentbackgroundofindustria1c1eaningrobot,theresearchanddeve1opmentstatusandva1ueathomeandabroad,andthengradua11yexp1ainstheautomationcontro1techno1ogyre1atedtothesweepingrobot.Themaincontro1boardusesSTM32F103ZET6asthemaincontro1unitchip,externa1infraredsensor,u1trasonicsensor,MPU6050gyroscopeandothercomponents.Icomp1etedthesweepingrobotsoftwareanddriver,andthroughthepreparationofre1atedprogramstocomp1etethePID,PWMcontro1andpathp1anninga1gorithm.Sweepingtherobot'sexterna1infraredsensors,u1trasonicsensorscandetectwhetherfromtheenvironmentaroundtheneedtobec1ean,andpathp1anninga1gorithmcanthroughtothesurroundingenvironmentofdifferenttransformationp1antheappropriateroutetotherobot,therea1timeinputacontro1PIDtoautomatica11ycontro1thespeedofthegenerator,ensurethestabi1ityofthec1eaningrobot.Fina11y,arobotprototypeismade,andthePIDparametersareadjusted.Thedesignoftheautomaticrobotmonitoringsystemisverifiedbyexperiments.Keywords：Sweepingrobot:PIDparameters:STM32MCU:infraredsensor摘要31绪论11.1 课题研究背景和意义11.2 国内外研究现状及发展趋势21. 4扫地机器人的机械结构设计31.5 扫地机器人的单片机控制技术41.6 本文的主要研究内容51. 7本章小结6第2章硬件电路设计72.2 电机72.3 电机驱动82.4 4编码器92.5 控制核心112.6 外部信息采集122.7 7MPU6050.*132.8 8ATK-ESP8266WIFI模块142.9 程序下载电路模块152.10 电源管理模块172.11 11本章小结19第3章软件设计203.1 软件系统框架203.2 传感器数据读取203.2.1超声波传感器数据203.2.3编码器数据读取243.3电机控制253.3.1PID控制器253.3.2PwM输出273.4数据发送283.4.1子模式选择283.4.2WIFI模块系统参数设置293.5路径规划29第3.5.1弓字型行走303.5.2覆盖算法一313.5.3覆盖算法二323.5.4结束算法333. 6本章、结33第4章实验与调试344. 1PID参数调试344. 1.1P1D参数的作用344.1 .2PID参数调试步骤354.2 巡航算法实验354.3 算法A的测试364.4 算法B的测试374.5 综合测试37第5章总结与展望395. 1全文总结395.2研究展望40致谢41参考文献421绪论1.1 课题研究背景和意义今天,随着现代科学和技术的进步与发展,现代化的科学和技术正在改变我们日常生活中的各个方方面面，人们对于生活质量的要求也越来越多，不想将过多的时间浪费在生活的琐事上。所以目前为止，整个社会对于自动化的要求逐步增高，人们需要各种各样的机器人来代替人类去服务生活。与此同时，机电工程、自动化及其控制、传感器、计算机等也给为人类服务的全自动化机器人提供了应有的知识体系。在这些全自动化机器人中，扫地机器人出现的理念和时间都是最早的一批，它已经拥有了足够成熟的技术来为人类服务。扫地机器人的作用是在室内环境时，它可以自动检测出地面上的垃圾，然后根据系统内的相关算法计算出路线，根据该路线，将地面上的垃圾、浮尘等污染物清扫进自带的垃圾收纳箱中，这样就完成了地面的清扫工作，彻底的解放双手，将时间应用到真正需要的地方。在近几年来，扫地机器人的销售额不断的提升，它已经逐渐的变成人们生活中的必需品，成为家庭生活中必不可少的生活助手。根据相关的数据表明，在最近几年之内中国有关扫地机器人方面的销售额相对于前几年来说在成倍的增长。于2023年截止前，中国市场上的扫地机器人的销售总额度已超过569.7万台，其零售总额已超过89亿元。相比于别的家用清洁电器而言，在中国内的家用扫地机器人的普及率不足7%,还没有达到预想的结果。由此可以看出，在国内，扫地机器人的市场需求量仍然很大。而且，该机器属于消耗品，所以其售后服务也应该跟上发展的脚步，这样才能让更多的消费者满意，从而达到宣传商品的目的。在2023年度，国内的扫地机器人的市场规模巨大，销售了765万台，销售额已经达到了102亿元。销售规模增长了20%o在2023年度，扫地机器人的市场迎来了新的爆发点，这主要是由于疫情的催化作用，所以愈来愈多的企业开始研发各种各样的相关产品。扫地机器人主要是由控制、移动、传感系统以及真空吸尘的系统所构成的。由于需要扫地机器人的范围不断的增多，所以传感系统控制产品的系统还需要不断的完善和改进，才能让扫地机器人适应不同的环境，以便让其更好的工作。现在，对于扫地机器人而言，问题最大的便是感知系统。目前为止，市场上大部分的扫地机器人采用的仍然是最普通的最传统的红外线躲避障碍系统，它在工作时，经常会由于没有检测到障碍物而向无头苍蝇一样到处乱碰，经常会由于这个原因而需要检修。而且，由于算法不够成熟，所走的路线会出现部分重复而部分区域不能清扫。对于现在所要求的生活质量来说，它已经不能满足人们的所需，急需要改进算法来适应多变的环境。而且技术完善的扫地机器人就应该具有很强的应变能力，随着清扫的面积大、清扫的效率提高、规划的路线节约时间和电能等的需求。根据以上的要求，目前的机器人需要根据清扫面积的增大对路径的规划。以上两种的不同之处在于前者是对于周遭的环境只能感知到部分，而后者是对于周遭的环境都可以完全的掌握，根据周围的环境，比如所需要躲避的物体所处的位置、大小以及形状等，设计出一条最近且最优的路线，完美的路径规划的算法能够提高扫地机器人的工作效率以及增大工作面积，所以该算法也是整个扫地机器人系统的核心所在，若实现了该种技术，便可以在在真正意义上帮助人类节约时间、解放双手，从根源上提高人们的生活质量。1.2 国内外研究现状及发展趋势二十一世纪初期，国外一家名为I1EX的公司推出了一款智能三叶虫机器人，是什么导致了对扫地机器人概念的颠覆？这款名为“三叶虫”的机器人是通过一个蛋糕外形的设计以及一个塑料外壳来清扫污染物。在一台机器的控制下，下轮可以旋转，因此，通过仿生技术，根据蝙蝠的超声波技术，从2003年开始，iRobot和Proscenic发布了一系列产品，主要致力于真空吸尘器和碰撞1。从国外的Euromonitor以及IFR的数据所表明的来看，从2019-2023年扫地机器人的行业规模来看，整个全球的发展趋势都是呈上升趋势的，从2023年开始，国外扫地机器人的销售额度相比于2019年来说增长了43%,整个行业的市场规模为45亿美金，对于渗透率来说，2023年的为30%,与2019年的相比较而言，增加了9%02004年，重庆大学的智能与技术研究所与宁波电业有限公司共同开发了一种机器人用于清洁，这款机器人可以打扫房间里的墙壁。未来，美国扫地机器人的发展或将经历由“家庭可选”到“家庭必需”的过程，市场渗透率有望大幅提升2。今天，扫地机器人不仅适应了复杂的家庭环境，而且在很大程度上提高了清洁的效果。目前,清理机器人有几个关键的技术支柱，清洁任务主要分为以下几个阶段：3首先是传感器技术，清洁机器人在传感器的测量和控制下，可以向前和远处移动，单独执行清洁任务；其次是定位功能，扫地机器人的内部系统中有定位的系统，主定位系统是RPS激光