資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGN學(xué)院(部):專業(yè)班級:學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:年月日掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要當(dāng)前,各式各樣的服務(wù)機(jī)器人越來越多應(yīng)用于人們的生活中,從事著與人們生活息息相關(guān)的服務(wù)工作,極大地提高和改進(jìn)了人們的生活質(zhì)量。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人就是在這種背景下誕生的一種家庭服務(wù)機(jī)器人。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃采用區(qū)域充滿的規(guī)劃方法,目標(biāo)是在設(shè)定區(qū)域內(nèi)尋找一條從始點(diǎn)到終點(diǎn)且經(jīng)過所有可達(dá)點(diǎn)的連續(xù)路徑。根據(jù)建立的掃地機(jī)器人平臺,提出清掃機(jī)器人隨機(jī)運(yùn)動路徑規(guī)劃算法。機(jī)器人利用其上安裝的紅外傳感器和攝像頭來識別和感知房間環(huán)境,機(jī)器人開始以螺旋運(yùn)動方式覆蓋房間的空白區(qū)域,當(dāng)遇到障礙物時(shí),啟動障礙物應(yīng)對策略,經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件仿真和在房間環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。關(guān)鍵詞:掃地機(jī)器人,單片機(jī),環(huán)境識別,路徑規(guī)劃

SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTAtpresenttime,moreandmorevariousofservicerobotsaredesignedandappliedtopeople’sdailylife.Theapplicationoftheserobotsispromotingthequalityofpeople’slifetremendouslyastheydealwiththeworksrelatedtopeople’slifeclosely.Indoorautomaticcleaningrobotisoneoftheseservicerobotsdevelopedtohelppeopletocarryoutthetroublesomeroomcleaningwork.ThepathplanningalgorithmofIndoorAutomaticCleaningRobotshouldspreadovertheroomareausingtheareafillingpathplanningalgorithmtofindacontinuouspathfromstarttoend.Arandommovingpathplanningalgorithmisputforwardbasedontheplatform.Thecleaningrobotidentifiestheroomenvironmentusingtheinfraredtransducerandthecameraoutfittedonitsbody.Movinginthespiralmotionmodewiththegraduallyenlargingradius,therobotbeginstoexploreandcleantheblankarea.Whileitencountersobstacleslikewallorfurniture,itwillstartthestrategyofdealingwithobstacles.Thisalgorithmisvalidatedthroughcomputersimulationandrobotexperiment.KEYWORDS:cleaningrobot,singlechipmicrocomputer,environmentidentification,pathplanning

1緒論1.1引言自動掃地機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從理論和技術(shù)上講,自動掃地機(jī)器人比較具體的體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),具有較強(qiáng)的代表性;從市場上前景講,自動掃地機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)度,提高勞動效率,適用于賓館﹑酒店﹑圖書館﹑辦公場所和大眾家庭。因此開發(fā)自動掃地機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場前景。1.2研究現(xiàn)狀:自從19英國人創(chuàng)造了第一臺掃地機(jī),至今為止掃地機(jī)的發(fā)展歷史已有近百年。而后日本、美國、德國、英國等國家就開始了掃地機(jī)的批量生產(chǎn)。當(dāng)前,國外先進(jìn)的掃地機(jī)都在不斷地提高智能水平。吸掃式小型掃地機(jī)是當(dāng)前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的小型掃地機(jī)品種,一般有盤型刷和風(fēng)機(jī)、風(fēng)管道、吸塵嘴等部分。盤刷的設(shè)置加強(qiáng)了對馬路邊溝的清掃,增加了清掃寬度。盤型刷將側(cè)面的垃圾掃到吸塵嘴的工作區(qū)域,再由吸塵系統(tǒng)將垃圾吸入機(jī)內(nèi)的垃圾箱。吸掃式小型掃地機(jī)適合于任何道路環(huán)境的清掃,對污物、塵土都有很好的清掃效果,工作效率高。智能化掃地機(jī)不但給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也產(chǎn)生了顯著的社會效益。1.2.1路徑規(guī)劃技術(shù)路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,而且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理的路徑覆蓋,實(shí)質(zhì)就是掃地機(jī)運(yùn)動過程中的導(dǎo)航和避碰。1.2.2多傳感器融合技術(shù)為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。吸塵機(jī)器人都采用了大量的傳感器,有效地把大量的傳感器觀測信息融合處理,使機(jī)器人獲得最大量的外部環(huán)境信息,運(yùn)用多傳感器融合技術(shù)能夠提高移動機(jī)器人定位、障礙物識別、環(huán)境建模、避障的精度。1.2.3電源技術(shù)移動電源需同時(shí)為移動機(jī)構(gòu)提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。電源在放電過程中具備:①保持恒定的電壓;②內(nèi)阻小以便快速放電;③可充電;④成本低等特點(diǎn)。依托以上關(guān)鍵技術(shù),可實(shí)現(xiàn)以下產(chǎn)品功能:1.自動檢測垃圾并對較臟的區(qū)域重點(diǎn)清掃2.自動尋找智能充電座回去充電3.定時(shí)清掃4.當(dāng)機(jī)器被卡住能自動擺脫5.支持遙控6.邊角清掃程序7.不重復(fù)清潔、不留死角和樓梯防跌落功能1.3研究內(nèi)容:1.3.1自動返回充電功能啟動機(jī)器人自動充電模式,它在完成工作后會自動返回充電并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。用戶只要打開機(jī)器人,剩下的清潔工作就不用擔(dān)心了。1.3.2具有預(yù)約定時(shí)自動清掃功能能夠預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時(shí)間,能夠放心上班和出差,也能夠自動打掃。1.3.3脫困功能能夠順利跳過2CM高的電線等雜物,具有聰明的擺脫困境功能,入遇困境,機(jī)器人會自動嘗試用各種辦法擺脫困境。1.3.4防跌落功能在樓梯,會議桌等地方工作也不用擔(dān)心機(jī)器會跌落而造成順壞及危險(xiǎn),機(jī)器人自動感知到危險(xiǎn)而避開。1.3.5液晶顯示屏智能報(bào)警提醒智能識別系統(tǒng)能夠幫助您判斷機(jī)器人使用過程中出現(xiàn)的問題,智能識別系統(tǒng)能夠自動識別各種異常情況。1.3.6靈巧邊刷單獨(dú)的邊刷控制邊刷高速旋轉(zhuǎn),將墻角/墻邊的垃圾清掃出來并進(jìn)入塵盒,真正的有效清掃邊角灰塵。1.3.7解決智能掃地機(jī)重復(fù)清理一個地方的問題1.4論文主要完成的工作課題主要完成的工作包括清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),驅(qū)動電機(jī)選擇,傳感器的選擇,控制算法的研究,硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及試驗(yàn)。1.4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇。1.4.2避障系統(tǒng)控制方案包括機(jī)器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選擇。1.4.3控制系統(tǒng)硬件部分包括單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)和傳感器檢測硬件電路設(shè)計(jì)。1.4.4控制系統(tǒng)軟件部分包括單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2單片機(jī)2.1單片機(jī)簡介常見英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī),單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器,控制器,存儲器,輸入輸出設(shè)備構(gòu)成,相當(dāng)于一個微型的計(jì)算機(jī)(最小系統(tǒng)),和計(jì)算機(jī)相比,單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講:一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜,為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。汽車上一般配備40多片單片機(jī),復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時(shí)工作。2.1.1硬件特性1、單片機(jī)包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2個16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,實(shí)現(xiàn)模塊化;3、單片機(jī)可靠性高;4、處理功能強(qiáng),速度快。5、低電壓,低功耗,便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品6、控制功能強(qiáng)7、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。2.2AT89C51單片機(jī)本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測和控制核心。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4KB的可重復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(ROM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。2.2.1AT89C51主要性能參數(shù)1.與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2.有4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器3.有1000次的擦寫周期4.全靜態(tài)操作:0Hz~24MHz5.有128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM6.有32個可編程I/O口7.有2個16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8.有6個中斷源9.低功率空閑和掉電模式2.2.2AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4K字節(jié)Flash閃速存儲器,128字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線,兩個16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí),AT89C51可將至0Hz的靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容,但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。2.2.3AT89C51引腳VCC:電源電壓GND:接地P0口:P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O,也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作輸出口用時(shí),每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路,對端口寫”1”可作為高阻抗輸入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí),這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口:P1口是一個攜帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫”1”,經(jīng)過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平,此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個電流(IIL)。P2口:P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口寫”1”,經(jīng)過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時(shí)可作輸入口,作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個電流(IIL)。圖2.1圖2.1AT89C51芯片表2.1端口引腳第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2(外中斷0)P3,3(外中斷1)P3.4T0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)

3智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析用紅外傳感器、光電傳感器、接觸傳感器完成自動避障。用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用PWM技術(shù)來動態(tài)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。經(jīng)過軟件編程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)行進(jìn)、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。經(jīng)過對電路的優(yōu)化組合最大限度地利用AT89C51單片機(jī)的全部資源。P0口用于數(shù)碼管顯示,P1口用于電動機(jī)的PWM驅(qū)動控制,P2、P3口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是:充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源,降低了總體設(shè)計(jì)的成本?？傁到y(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖3.1智能掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖傳感器系統(tǒng)是掃地機(jī)的感覺器官,負(fù)責(zé)采集環(huán)境障礙物和自身狀態(tài)的信息,是掃地機(jī)的重要組成部分,由多傳感器及相關(guān)信號處理電路組成。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下,傳感器系統(tǒng)為掃地機(jī)的正常工作發(fā)揮著無可替代的作用。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能越好,自動避障和路徑規(guī)劃方案就越容易實(shí)現(xiàn),控制系統(tǒng)的程序就更容易編寫和執(zhí)行,掃地機(jī)系統(tǒng)的整體性能也就越好。移動機(jī)器人傳感器系統(tǒng)常見的傳感器大致能夠分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩大類。內(nèi)傳感器主要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比如速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器主要有測速發(fā)電機(jī)、加速度計(jì)、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息,以實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的自主避障。由此可見,傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機(jī)自動避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對工作環(huán)境下的障礙物信息,能夠經(jīng)過外部傳感器獲得,移動機(jī)器人上常見的探測障礙物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波,由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的,它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小,特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本事很大,特別是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器經(jīng)過計(jì)算超聲波的發(fā)射接收時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)定量測距。超聲波傳感器波束較寬,方向性差,可是其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),探測距離遠(yuǎn),采集信息速度快,且比一般視覺傳感器和激光測距儀都要便宜,因此在許多方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測視角小、方向性好、信號處理簡單和反映速度快等優(yōu)點(diǎn),可是其受環(huán)境影響較大,當(dāng)探測頭被灰塵等污染后,其探測性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件,它是把光信號(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn),而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,它的探測距離比較近,從幾個毫米到幾十厘米不等。因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器經(jīng)過與被測物體的接觸來確定被測物體的相關(guān)信息,如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器主要有限位開關(guān)、接觸開關(guān)等,這些傳感器結(jié)構(gòu)簡單、信號易處理、適應(yīng)能力強(qiáng)且價(jià)格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人的局部導(dǎo)航。經(jīng)過對比分析,本設(shè)計(jì)方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機(jī)周邊位置上,經(jīng)過相應(yīng)的信號處理電路與微處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊,控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策,實(shí)現(xiàn)自主避障。3.1.1測速裝置模塊測速信號經(jīng)過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝帶有黑白條紋的圓盤,再利用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生若干個脈沖信號,據(jù)此能夠算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種簡易的光電開關(guān)測速法成本低,性能可靠,能夠在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高,精度沒有嚴(yán)格要求的情況下使用,這種測速裝置能夠構(gòu)成里程計(jì)。根據(jù)里程計(jì)的返回脈沖數(shù)能夠計(jì)算出電機(jī)行走的距離,并間接得到行走速度。圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖3.1圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖碰撞檢測采用霍爾元件EW462,芯片的內(nèi)部原理框圖如圖3-4所示,芯片的工作方式如圖3-5所示。芯片的供電電壓范圍為4.5V~18V,靈敏度高,阻抗低,工作的最大輸出電流為15mA。當(dāng)芯片的正上方有S極磁場時(shí),霍爾元件輸出高電平,當(dāng)元件偏離磁場后,元件輸出低電平。經(jīng)過控制霍爾元件正上方的磁場極性,能夠控制元件輸出信號的變化趨勢。當(dāng)極性相反時(shí),元件在偏離磁場時(shí)為高電平,正對磁場時(shí)為低電平。3.2驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動器就是驅(qū)動掃地機(jī)的動力部件,最常見的就是電機(jī)。掃地機(jī)最主要的控制量就是控制掃地機(jī)的移動,掃地機(jī)驅(qū)動器中最根本的問題就是控制電機(jī),控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就能夠控制掃地機(jī)移動的距離和方向、清掃機(jī)械的彎曲的程度或者移動的距離等。因此,第一個要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動。一般有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制。有了這些控制卡和芯片,然后把微控制器與其連接起來就能夠用程序來控制電機(jī)。第二個問題是控制電機(jī)的速度,在掃地機(jī)上的實(shí)際表現(xiàn)就是它的實(shí)際運(yùn)動速度,掃地機(jī)走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速,這樣就要求控制卡對電機(jī)有速度控制。機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個從動轉(zhuǎn)向輪,兩側(cè)各有一個驅(qū)動輪,由無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動的旋轉(zhuǎn)毛刷。永磁無刷電動機(jī)具有效率高,功率大,體積小,控制精度高等明顯特點(diǎn)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能,由于它采用電子換向,脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速,在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時(shí),又克服了直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來的一系列問題,從而大大延長了電機(jī)的使用壽命。直流無刷電機(jī)控制電路主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號處理器和專用集成電路等3種方式。使用單片機(jī)輔以外圍處理電路的方法,其測頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實(shí)現(xiàn)。選用單片機(jī)軟件編程的方法控制無刷直流電機(jī)。吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī),由于不需要調(diào)速、換向,因此控制方法比較簡單。圖3.3主從動輪分布圖電機(jī)的運(yùn)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2,它決定了機(jī)器人的運(yùn)動空間,采用輪圖3.3主從動輪分布圖直流電動機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)良的動態(tài)特性,因此一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其它電動機(jī)如交流變頻電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)的挑戰(zhàn),但直流電動機(jī)依然是許多調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇,在生產(chǎn)、生活中仍有著廣泛的應(yīng)用。采用廣泛應(yīng)用的脈寬調(diào)制技術(shù)控制電動機(jī)電樞的電壓。所謂PWM控制技術(shù),就是經(jīng)過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷,把直流電壓變成電壓脈沖序列并經(jīng)過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的。產(chǎn)生PWM信號常見的4種方法如下:(1)分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器。這種方式是用分立的邏輯電子元件組成信號電路,是較早采用的方法,可靠性、可調(diào)性較差;(2)軟件模擬式。利用單片機(jī)的一個I/O引腳,經(jīng)過軟件對該引腳輸出高低電平來模擬PWM波,該方法占用CPU的時(shí)間較多,控制軟件較復(fù)雜;(3)專用PWM集成電路。采用專用的PWM集成電路芯片,該方法功能強(qiáng),但增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷;(4)單片機(jī)的PWM口。新一代的許多單片機(jī)具有PWM調(diào)速功能。經(jīng)過單片機(jī)的初始化設(shè)置,使其自動發(fā)生脈沖波,只有在改變脈沖寬度時(shí)才進(jìn)行干預(yù),該方法控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速簡單、可靠。因此使用單片機(jī)的PWM口作為電機(jī)的PWM調(diào)速控制。無刷直流電動機(jī)簡稱BLDC,學(xué)名是無換向器電機(jī)或無整流子電機(jī),是一種新型的無級變速電機(jī)。它具有直流電機(jī)良好的調(diào)速特性,但由于沒有換向器,因而可做成無接觸式,具有結(jié)構(gòu)簡單,制造方便,不需要經(jīng)常性維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的變速電機(jī)。選用的輪子驅(qū)動電機(jī)即為無刷直流電機(jī),其工作電壓是10~15V,最大工作電流0.84A,正常工作電流0.4A,有專門的換向控制引腳,高低電平控制正反轉(zhuǎn)。該電機(jī)能夠由PWM信號直接驅(qū)動,允許的脈寬調(diào)制脈沖信號輸入?yún)?shù)為:允許輸入PWM的頻率最大為50kHz;高電平的輸入電壓范圍為2.0V~5.0V;低電平的輸入電壓為0V~1.0V;輸入開路電壓為4.5V~5V。3.3紅外遙控系統(tǒng)紅外遙控是當(dāng)前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn),繼彩電、錄像機(jī)之后,紅外線遙控在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。工業(yè)設(shè)備中,在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下,采用紅外線遙控能可靠且有效地隔離電氣干擾?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),故采用紅外遙控裝置來控制智能掃地機(jī)的清掃方式及開機(jī)與關(guān)機(jī)。遙控發(fā)射器遙控接收器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)一般紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成,應(yīng)用編碼/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作,如圖3.2所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器;接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。紅外接收芯片選用TFMS5380。在遙控器上使用單片機(jī)進(jìn)行紅外功能編碼,在遙控發(fā)射器遙控接收器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)圖3.5圖3.5IMP813L芯片浮動開關(guān)是一個安裝在輪子內(nèi)側(cè)的機(jī)械開關(guān),輪子上有彈簧裝置,當(dāng)輪子浮起時(shí),開關(guān)斷開掃地機(jī)停止前進(jìn),實(shí)現(xiàn)了防跌落功能。防跌落功能有效的保護(hù)了掃地機(jī)各部位免遭摔壞,因此是必不可少的。3.5看門狗幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路,對復(fù)位電路的基本要求是:在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位,在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致EPROM中的數(shù)據(jù)被修改;另外,單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí),由于干擾等各種因素的影響,有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作,為了克服這一現(xiàn)象,除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器(有些單片機(jī)無看門狗定時(shí)器)外,還需外加看門狗電路;除此以外,有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來,因掉電的發(fā)生往往是根隨機(jī)的,因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路,在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。IMP813L剛好能滿足這些要求,下面具體介紹該芯片的性能特點(diǎn)及使用方法。IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式,其雙列直插如圖所示,引腳功能如下:第1腳為手動復(fù)位輸入,低電平有效;第2、3腳分別為電源和地;第4腳為電源故障輸入;第5腳為電源故障輸出;第6腳為看門狗輸入,第7腳為復(fù)位輸出,第8腳為看門狗輸出。IMP813L的性能特點(diǎn):IMP813L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.5,具有以下主要性能特點(diǎn):由圖可知該芯片具有以下主要性能特點(diǎn):(1)復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí),第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出,復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms,高電平有效,復(fù)位門限的典型值為4.65V。(2)看門狗電路輸出。如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路(即第6腳無脈沖輸入),則第8腳輸出一個低電平信號。圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路(4)1.25V門限值檢測器,第4腳為輸入,第5腳為輸出。當(dāng)?shù)?腳電壓低于1.25V時(shí),第5腳輸出一個低電平信號。IMP813L的典型應(yīng)用電路:IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖3.6所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例,IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C51的第9腳);第6腳與單片機(jī)的P1.4相連。在軟件設(shè)計(jì)中,P1.4不斷輸出脈沖信號,如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán),則P1.4無脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平,該低電平加到第1腳,使IMP813L產(chǎn)生復(fù)位輸出,使單片機(jī)有效復(fù)位,擺脫死循環(huán)的困境。另外,當(dāng)電源電壓低于門限值4.65V時(shí),IMP813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出,使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài),不執(zhí)行任何指令,直至電源電壓恢復(fù)正常,可有效防止因電源電壓較低時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生錯誤的動作。電源故障輸入PFI經(jīng)過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1．25V時(shí),電源故障輸出腳第5腳PF0變低,可引起AT89C51中斷,進(jìn)行電源故障處理,或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。IMP813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片;它使用簡單、方便,它所提供的復(fù)位信號為高電平,因而是應(yīng)用于復(fù)位信號為高電平場合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。3.6液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn),在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊,經(jīng)過與單片機(jī)連接,編程,完成顯示時(shí)間及清掃機(jī)行進(jìn)速度的功能。圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路液晶顯示模塊電路如圖3.7。它由以下幾個部件組成:單片機(jī)AT89C51、液晶字符顯示部件DM-162、電源供電部分。單片機(jī)部分:采用AT89C51芯片實(shí)現(xiàn)對DM-162的控制顯示字符顯示模塊:選擇2行16個字的顯示容量.電源部分:+5V電壓供電,維持系統(tǒng)的正常工作,同時(shí)加載10K電位器以適應(yīng)不用亮度的顯示字符即對比度的調(diào)整。

4智能掃地機(jī)的設(shè)計(jì)4.1自動充電系統(tǒng)自動充電是用對接充電來實(shí)現(xiàn)的,對接充電過程主要用了紅外信號,在智能吸塵機(jī)器人的左側(cè)和后面都有紅外接收器,發(fā)射傳感器則安裝在充電座上,對接充電對掃地機(jī)是非常重要的,因?yàn)闄C(jī)器人自帶的充電電池電量有限,不一定能保證完成清掃工作,這就需要機(jī)器人能自動對接充電。當(dāng)內(nèi)部電源檢測到電壓低于一定值是,掃地機(jī)器人將沿墻壁尋找充電座。一般掃地機(jī)器人按右手法則尋找充電座,因此在掃地機(jī)器人貼墻的一側(cè)(選左側(cè))和后部各裝有一個紅外接收傳感器,當(dāng)側(cè)面的一側(cè)在貼邊過程中收到紅外信號時(shí),掃地機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度,并沿著紅外光路靠近充電座,同時(shí)檢測充電座充電電壓即可確定是否已經(jīng)對接上。4.2驅(qū)動系統(tǒng)電路驅(qū)動系統(tǒng)電路包括驅(qū)動器、光電隔離模塊以及驅(qū)動器保護(hù)電路等部分,如圖3.6所示。在具體電路中,由于單片機(jī)使用5V弱電,而電機(jī)的驅(qū)動電壓為12V或者更高,考慮到單片機(jī)會受到驅(qū)動部分的干擾,因此采用了光電耦合器TLP521,把控制部分和驅(qū)動部分隔離開來。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有20mA左右,不足以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動光電耦合器TLP521工作,因此采用芯片74HC245來增強(qiáng)驅(qū)動能力,為光電耦合器TLP521提供合適的驅(qū)動電流。驅(qū)動器保護(hù)電路由8個高速大電流肖恩特二極管1N5822(圖中D1~D8)組成,用來消除電機(jī)在起停、制動及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢。保護(hù)二極管最好采用高速大電流的開關(guān)管,否則反向恢復(fù)時(shí)間太長,L298N內(nèi)部H橋的上下兩個三極管會因?yàn)殚_閉時(shí)序交叉,導(dǎo)致同時(shí)打開而短路,長期使用狀態(tài)下會造成L298N發(fā)熱或燒毀。按照圖4.1所示電路,系統(tǒng)工作時(shí),單片機(jī)P1口輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動芯片L298N,控制電機(jī)動作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)只需改變PWM調(diào)速脈沖(本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可,理論上能夠?qū)崿F(xiàn)256級調(diào)速。4.3總體軟件流程總流程圖如圖4.1所示,是整個清掃機(jī)運(yùn)行過程的流程圖。其中包括初始化整個系統(tǒng)、啟動各電路模塊、等待接收命令、啟動驅(qū)動系統(tǒng)、檢測障礙、啟動清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過程。(1)首先,啟動清掃機(jī)電源,使各模塊持續(xù)供電。圖4.2總流程圖(2)啟動各電路模塊,啟動液晶顯示系統(tǒng),以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運(yùn)行時(shí)間圖4.2總流程圖啟動清掃機(jī)傳感器系統(tǒng),此項(xiàng)內(nèi)容主要作用是使清掃機(jī)對周圍環(huán)境有一個了解,經(jīng)過對周圍環(huán)境的感知來實(shí)現(xiàn)測距、清掃、避障。本過程主要是經(jīng)過單片機(jī)控制各傳感器及傳感器向單片機(jī)反饋來實(shí)現(xiàn)。啟動紅外接收系統(tǒng),等待接收紅圖4.3圖4.3紅外發(fā)射電路流程圖(3)當(dāng)接收到前進(jìn)指令時(shí),啟動驅(qū)動系統(tǒng)。(4)當(dāng)遇到障礙時(shí)啟動清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng),此過程是整個清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵,此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.4紅外遙控系統(tǒng)流程圖4.4驅(qū)動系統(tǒng)流程發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.3圖4.4驅(qū)動系統(tǒng)流程4.5驅(qū)動系統(tǒng)流程首先是系統(tǒng)初始化工作,即設(shè)置寄存器、配置GPIO、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測GPIO有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發(fā)出控制信號給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號數(shù)據(jù),再經(jīng)過求平均值得到電機(jī)的電流值;對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機(jī)的具體型號乘以一個系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度,啟動總線傳輸,把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4.4所示。4.6清掃避障系統(tǒng)流程清掃壁障流程圖如圖4.5,該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的流程。圖4.5清掃避障流程圖(1)紅外圖4.5清掃避障流程圖(2)由接觸傳感器感知障礙物性質(zhì),判斷其是否是清掃機(jī)可清掃的垃圾。若可清掃則由單片機(jī)向清掃機(jī)械電機(jī)發(fā)出清掃指令,執(zhí)行清掃命令,完成清掃后繼續(xù)等待紅