清洁机器人系统设计

精选优质文档-倾情为你奉上本科毕业设计（论文）清洁机器人系统设计 学 院 信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 （光机电一体化方向） 年级班别 2011级（1）班 学 号 学生姓名 指导教师 2015 年 5 月摘要清洁机器人结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现对室内环境的半自动或全自动清洁，替代了传统的人工清洁工作，具有十分广阔的市场前景。本文首先综述了清洁机器人的国内外研究现状，在综合比较了国内外多种典型产品的基础上，提出适合中低端用户使用的清洁机器人整体设计方案。清洁机器人系统由清洁机器人和充电站组成。清洁机器人是实现智能清扫的主体部分，本文介绍了清洁机器人的组成部分，并完成了硬件电路的实现。考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了STC89C52单片机，所构成的单片机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细设计了红外传感器，碰撞检测，电源模块、充电模块、键盘、液晶显示以及各种电机控制等电路。在软件设计方面，采用C51语言编制了控制系统各部分的软件，包括主控程序以及中断服务、红外、碰撞传感器检测等子程序。最后，综合设计结果制作了实验样机，进行实验研究。结果表明，所制作的清洁机器人能够完成房间清扫工作，达到了预期的设计效果。关键词：清洁机器人，智能清扫，单片机系统注：本设计（论文）题目来源于自选。专心-专注-专业AbstractCleaning robot is a combination of sensors, the key technology of mobile robot technology, and other fields, the implementation of the indoor environment of semi-automatic or fully automatic cleaning, replacing the traditional manual cleaning, has the very broad market prospect.This article first summarizes the domestic and foreign research present situation of cleaning robot, on the basis of comprehensive comparison of the various typical products at home and abroad, puts forward overall design scheme suitable for low-end users use cleaning robot.Cleaning robot system consists of a cleaning robot and charging station. Cleaning is the main part of the intelligent cleaning robot, this paper introduces the part of the cleaning robot, and the realization of the hardware circuit are completed. Considering storage, interface resources and the reliable performance, and the host controller chose STC89C52 single-chip computer, made up of single chip microcomputer application system function is strong and high cost performance, fully meet the requirements of control function. Are designed in detail, and the infrared sensors, collision detection, power supply module, the charging module, keyboard, LCD display and a variety of motor control circuit and so on. In the aspect of software design, the use of C51 language to compile the various parts of the control system software, including the main program and interrupt service, infrared and collision sensors DengZi program.Finally, the comprehensive design results made experimental prototype, experiment research. Results show that the production of the cleaning robot can complete the room cleaning work, achieved the desired design effect.Key words: cleaning robot, intelligent cleaning, MCU system目录1 绪 论1.1 题目背景及目的随着科学技术的不断发展，智能机器人技术以始料不及的速度迅速地向各个领域渗透，成为人们日常生活的一部分，不断地改变当今人们的生活方式。在军事上，为减少人员伤亡，大规模的使用智能化机器人；在抢险救灾中，为营造良好的营救时间，智能机器人深入危险区域进行探测；在航空领域里，智能机器人扮演重要角色，帮助人们完成许多具有划时代的发现。两年前，家庭服务机器人的概念还和普通老百姓的生活相隔甚远，广大消费者还体会不到家庭服务机器人的科技进步给生活带来的便捷。而如今，越来越多的消费者正在使用家庭服务机器人产品。清洁机器人作为家庭服务机器人的一员，结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现地面的半自动或全自动清洁，替代人类完成繁重的清洁工作。本设计的研究旨在开发一部价格便宜，方便使用，体积不大，能够满足家庭清洁要求的清洁机器人。使它能够代替人们完成家庭清扫工作，使科技能够更好地为人类服务。1.1.1 机器人技术概述自50年代第一台机器人装置在美国诞生以来，机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储器，由人将作业的各种要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地模仿示范的动作作业。第二代机器人是装有小型计算机和传感器的离散编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需求。第三代机器人是智能机器人，它不但有第二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作，是人工智能发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。机器人按照智能化程度的高低，可以分为外部受控机器人、半自主机器人和全自主机器人。外部受控机器人的本体没有智能单元，只有执行机构和感应机构，它受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人的动作。半自主机器人具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。全自主机器人的本体上具有感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问题。全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性。自主性是指它可以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。适应性是指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数、调整动作策略以及处理紧急情况。交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。全自主移动机器人涉及诸如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研究。随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广，开始从传统的工业领域，向 军事、公安、医疗、服务等领域渗透。与此同时，机器人的概念也越来越宽，己从狭义的机器人，开始向机器人技术扩展。对于己经相当成熟的工业机器人来说，服务机器人是近年来出现机器人学的一个新领域。包括清洁机器人在内的各种可以直接或者间接为人类服务的机器人都属于服务机器人的范畴。由于服务机器人涉及的领域很广泛，因此到目前为止国际上对服务机器人也还没有一个权威的定义。国际机器人联合会对服务机器人给出的一个初步定义为：“服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备”。德国生产技术与自动化研究所对服务机器人给出的定义则为“服务机器人是一种可以全自主或者半自主地为人类或者设备提供有用服务的机器人”。中华人民共和国国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要对服务机器人的定义为：“智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”。由于服务机器人与普通公众关系密切，最近越来越受到人们的关注，并已经成为一个研究热点。1.1. 2 服务机器人出现原因以往的服务机器人的研究和开发主要在大学和研究所中进行，目前，越来越受 到企业和商业界的重视，这主要是其所具有广大市场和巨大利润所致。服务机器人的出现主要有以下几个原因：第一、由于劳动力成本的上升，人们希望能由低成本的服务机器人来替代人工 进行长时间高效率地工作。第二、需要服务机器人替代人类从事危险的工作。机器人可以检修危险的工业设备，处理各种危险物品，巡査核设施以及偏远地区的输油管道，而在安防系统及搜救行动中，机器人更能充当起关键角色。第三、需要服务机器人来照顾老龄人和残疾人。联合国统计预测显示，目前全球老龄人口总数己达6.29亿，到2050年，60岁以上的老龄人口总数将近20亿，占总21%。随着老龄人口的比例上升和残疾人数的增多，更多的老人和残疾人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫。这就需要大量的陪护机器人来帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活，甚至协助医生进行远程监护、诊断并治疗。第四、由于生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，而且中国多年的计划生育政策之后，己经形成了人口倒金字塔结构，使得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，家庭护理机器人、玩具机器人、安控机器人也成为当前社会的需要。第五、随着网络家电、数字家庭的普及，市场迫切需要智能机器人来管理家庭以及辅助安排家庭日常生活。1.1.3 清洁机器人特点吸尘式清洁机器人一般具有如下的特点:1)吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用 性。2)吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、 展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及 走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应性是对 此类机器人的基本要求。3)吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他 一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。考虑到安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护的能力。1.2 国内外研究状况1.2.1 国外产品研究现状在国外，美国、日本、韩国、欧洲等对清洁机器人进行大量的研究和推广。在德国，由Kaercher 公司生产的RC3000（图1.1）是世界上第一台能够自主清洁地面的家庭清洁机器人。它的移动方式是随机的，当遇到障碍物时，它会随机转动一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。其扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下部位置。同时，它设置四种不同的清洁方式，根据地板的清洁状况，可以选择合适的清洁方式；内置光敏传感器，在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会跌落。RC3000具有自动返回充电站充电功能，其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。充电站会一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。图1.1 RC3000和充电站在日本，东日本铁路公司、富士工业有限公司Subaru实验室和JR东方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”,即将待清洗的面积分为若干个单位面积,按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式”，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用IC卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。2012年5月8日，为了应对日本本土自主吸尘器市场的激烈竞争，夏普公司继东芝公司之后，推出新一代智能吸尘器COCORORO（图1.2）。COCORORO圆盘状的外形保证了它在地板上能够出入各种缝隙，机身顶部的LED灯能够显示不同的颜色变换“心情”，或者根据遥控操作做出回应；同时它能够听懂使用者的简单日语，并对一些语音命令做出相应的动作。COCORORO内置红外传感器和摄像头，我们可以通过智能手机遥控操作吸尘器，摄像头拍摄到的画面会实时显示在手机屏幕上。COCORORO采用超声波传感器进行避障，所以它在清洁地板时不会碰到家居和宠物。图1.2 夏普公司的COCORORO在英国，著名的家电厂商伊莱克斯（EIectoIux）于2001 年11 月推出了吸尘器“三叶虫”，高13mm,直径为35mm，表面光滑，呈圆形，如图1.3所示。“三叶虫”内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。同时，能够对障碍物进行识别和处理，重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。为了限制“三叶虫”的活动范围，用户需要在楼梯间或其它没有天然障碍物的地方，贴上特制的可粘式磁带。“三叶虫”每次充电后可以工作一小时左右，当电量不足时，它会自动回到充电卡座自行充电；如果此时房间还没有清扫完毕，充好电后它会自动回到原处继续清扫。图1.3 “三叶虫”20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人RoboScrub，该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。2002年月清洁机器人Roomba”在美国面市，运用人工智能运转与导航侦测技术，搭配独有的真空吸孔与旋转刷，清洁效果特别好。它具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。只要按下开关，Roomba就会全自动在指定的区域吸尘打扫，碰到障碍物会自动躲避，遇到楼梯或台阶也会自动侦测而不会掉下去。同时，Roomba会自主规划路线对家庭地面进行清洁。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以在外出期间可以让Roomba在家进行清扫。如图1.4所示。图1.4 iRobot公司的Roomba1.2.2 国内产品研究现状在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等也对清洁机器人进行大量的研究并取得了一些成果。对清洁机器人相关技术，如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。目前国内的科沃斯、福玛特、海尔等公司已经相继推出他们的清洁机器人产品。现在市场上，海尔公司的SWR-C1清洁机器人在功能上相对比较健全。它具有五大功能：定时预约清扫、智能远程操控、虚拟墙分区清扫、智能防跌撞、智能回归充电。它能够设定时间对清扫区域进行清扫，同时可以通过配置红外线虚拟器，阻止机器人进行无需清扫区域，实现清扫的目的。如图1.5所示。图1.5 海尔公司的SWR-C11.3 论文构成及研究内容本文主要内容是清洁机器人系统设计，主要完成了控制部分软硬件的设计，其中包括硬件控制电路的设计，以及相应的软件程序的编制、调试。主要内容安排如下：第一章阐述了智能清洁机器人的相关概念，分析了清洁机器人国内外的研究 动态和发展趋势，提出了课题的研究背景、意义和主要内容。第二章对清洁机器人的设计方案比较以及对总体设计进行了说明，包括整个机电系统的结构组成和工作原理。第三章对清洁机器人的硬件控制电路进行了详细的设计，包括单片机系统、传感器器系统、电机驱动电路以及主要控制芯片的介绍等。2 清洁机器人的总体设计2.1 总体设计方案比较论证方案一：采用组合逻辑电路控制清洁机器人运行利用数字电路知识用各种逻辑电路搭建出清洁机器人的控制系统，对车速和车的行进方向进行控制，再利用红外对管实现避障和对台阶的检测，以及利用逻辑电路控制电机驱动，从而达到并实现题目要求和发挥。这种方案下，所有控制电路都要手工制作，非常复杂，规模大不易实施，而且这种控制电路精度不高，反应不够灵敏，可行性差。方案二：采用智能控制器控制清洁机器人运行利用控制芯片作为智能小车的核心控制系统，例如单片机、FPGA和DSP等等。用控制芯片控制清洁机器人的系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，适应科技先进性，而且各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。因此，采用方案二作为智能小车的控制系统。2.2 核心模块方案设计控制系统的核心模块也就是控制器，是小车的大脑，主要用于传感器信号的接收、辨认和处理、以及对电机控制等。下面列出三种控制器的选择方案：方案一：采用先进的FPGA编程控制器件。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用DSP编程控制器件。DSP因为数字处理与通信领域的空前发展而近显火爆，应用面很广泛，DSP主要是面对数字信号方面的处理，其针对性有速度快，精度高等优点，但是，而DSP强调的是较大的数据处理能力,如在运行控制,图像处理等方面，占有较大优势，而在这个智能车小系统中则没有必要使用如此精确的控制器件，而且价格方面也不低，固不宜采用。方案三：采用单片机编程控制器件。用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统控制器，单片机也叫单片微型计算机，在控制领域应用非常广泛，具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性等优点，是小型控制系统的首选。而且单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。本系统属于小型控制系统，用单片机作为控制芯片非常合适，因此采用方案三。2.3 避障模块方案设计方案一：采用超声波传感器。利用超声波的特性实现对障碍墙壁的测量和有效规避，超声波传感器波的发射角小，检测灵敏度高，但是超声波传感器使用成本不低，而且不能体现设计才能，不宜采用。方案二：采用激光传感器。通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，这在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。激光测距虽然原理简单、结构简单，但是因为激光测距传感器售价太高，不适合自主设计使用。方案三：采用红外对管传感器。用红外对管传感器采集信息，以红外线为介质测量判断障碍，从而达到避障的效果。它的优点是消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，制作也比较简单。因此，方案三在小系统中非常适用，采用方案三。2.4 清洁机器人系统的整体构架整体设计方案的系统框图如图2.1所示图2.1 清洁机器人硬件系统结构原理图各模块的组成和功能介绍如下：（1） 控制器（单片机）：主要由单片机STC89C52RC组成，它的主要功能是完成主控程序对模块接口的控制，是程序运行的载体并实现对整个机器人的控制。（2） 传感器：主要由红外避障传感器、红外防跌倒传感器、碰撞传感器组成，这些传感器用来控制小车的行走方向以及实现避障、防跌倒功能。（3） 电源模块：将充电电池的7.2V电压转换为稳定的5V电压供单片机、传感器以及其他模块使用。（4） 电机驱动：主要由行走电机驱动、毛刷电机驱动和吸尘电机驱动组成，其中行走电机主要控制左右行走轮从而带动清洁机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负责清洁除尘工作。3 清洁机器人的硬件设计3.1 STC89C52单片机介绍本设计采用常用的STC89C52作为主控芯片，具备编程简单，价格便宜的特点，而且在电动小车的领域中使用广泛。以下是对该单片机进行简单的介绍。3.1.1 STC89C52的主要性能STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。（1）标准功能具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。（2）主要特性1）8K字节程序存储空间；2）512字节数据存储空间；3）内带4K字节EEPROM存储空间;4）可直接使用串口下载；（3）器件参数1）增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051.2）工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）3） 工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz4）用户应用程序空间为8K字节5）片上集成512 字节RAM6）通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片8） 具有EEPROM 功能10）共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2 10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12）工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）13）PDIP封装3.1.2 STC89C52单片机最小系统STC89C52单片机的最小系统电路如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统（1）复位电路为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。本系统复位电路采用上电复位和按键复位。上电复位是指单片机在接通电源时对MCU自动复位。按键复位由复位按键产生一个持续时间大于两个机器周期的高电平到复位引脚RST对MCU复位。当电源刚接通时，电容C3对下拉电阻开始充电，由于电容两边的电压不能突变，所以RST端维持高电平，实现对单片机的上电复位，即接通电源就完成对系统的初始化。在此基础上加上一个开关，就能实现按键复位。（2）振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。3.2 电源转换电路的设计电源是任何一个系统稳定运行的前提条件，本设计采用以LM7805CV稳压芯片为核心设计的稳压电源，其工作原理为：当两节3.7V干电池串联后通过P4端输入，经过稳压芯片LM7805CV转换后输出稳定的5V电压。为了使运行稳定，单片机和电机的供电系统采用独立供电的方法。所以该电源模块设计为两路稳压5V输出。其电路原理图如图3.2所示。图3.2 5V稳压电源模块3.3 L298N驱动芯片的介绍L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。直流电机驱动电路使用最广泛的就是H 型全桥式驱动电路。这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。L298N芯片如图3.3所示：图3.3L298N芯片原理图3.3.1 L298N的工作原理L298N内部电路如图3.4所示。图3.4L298N内部电路其工作原理是：L298N内部集成了两个由四只NPN型三极管组成的H桥电路（A、B）。ENA与内部编号为“1”的与门相连和其下面的与门相连。ENA常处于高电位（5V）。信号输入端IN1直接与“1”与门相连与“1”与门下方的与门取反后相连。当从IN1输入高电位时“1”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截止，OUT1端口输出高电平。信号输入端IN2直接与“2”与门相连与“2”与门下方的与门取反后相连。当从IN2输入高电位时“2”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截止，OUT2端口输出高电平。同理当IN1与IN2分别输入低电平时OUT1与OUT2分别输出低电平。在这两种情况之下由于OUT1与OUT2的点位相同故不能驱动电机转动。只有当IN1、IN2其中一个输入高电平另一个输入低电平信号时才能驱动电机转动且IN1、IN2的高低还可控制电机的正反转（即IN1=H、IN2=L与IN1=L、IN2=H驱动电机的转动方向是相反的）。IN3、IN4、OUT3、OUT4与IN1、IN2、OUT1、OUT2的原理完全相同。3.4 左右轮驱动电机电路设计图3.5是本模块设计的电路原理图，整个模块由两部分组成，分别为L298N和保护电路部分。以下是对保护电路部分的介绍：如图J1和J2是两个输出端口是接电机线圈，势必就会产生反电势，对L298N 形成冲击，易造成损坏，特别是对于大于电源电压和负电压更容易损坏L298N，所以在每根线上都加上2个二极管1N4007进行保护。工作过程是这样：当反电势为正，超过电源+0.7V时，下端二极管导通，这样输出线就被限位在电源电压+0.7V 上，不会超过这个数值（对电源充电）。当反电势为负，低于-0.7V时，上端二极管导通，这样输出线就被限位在-0.7V上，不会低于-0.7V了。这两个二极管是作为箝位使用，使得输出线上电压（或叫电位）被箝位在-0.7V+Vcc+0.7V之间。保护电路部分的主要构成为八只1N4007整流二极管组成。1N4007主要具有以下特性：(1)较强的正向浪涌承受能力为30A；(2)最大正向平均整流电流为1A；(3)最高的反向耐压为1000V；(4)较低的反向漏电流，为5uA（最大值）；(5)正向导通压降为1V。因为这种二极管具有高耐压、高承受电流、低反向电流等特性而且它价格便宜容易得到，因此采用它来搭建保护电路。3.5 清洁机构电机驱动电路清洁机构的边刷电机和吸尘电机都是由继电器驱动的，单片机的I/O口只需给出一个控制信号，经三极管放大后驱动继电器，常开端口闭合就可以驱动电机工作。具体电路见图3.6所示，此种驱动方式简单实用。因为清扫电机和吸尘电机并不需要对速度进行控制，同时也不需要经常的停启。故将模块的输入端口接一个低电平电压（电源地）来控制继电器吸和就行。3.6 红外传感器3.6.1 红外避障传感器模块该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围230cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。其电路原理图如图3.7所示： 图3.7 红外传感器避障模块电路3.6.2 红外台阶检测传感器红外台阶检测使用集成的红外传感器，如图3.8所示。当传感器前方没有物体时，其输出高电平，有物体时输出为低电平。使用时不需要再外接元件，只需要给其提供+5V的电源就可以工作，但有效检测距离较近，比较适用于机器人地盘用于台阶的检测。机器人地盘上在前进方向共使用了两个集成的红外传感器，分别安装在两个驱动轮的前端，这样只要其中任意一个传感器检测不到地面（遇到有台阶情况），输出即为高电平，单片机检测到这个高电平就立即停止前进，防止跌落。3.7 碰撞传感器在实际应用中，红外避障传感器探测的范围存在盲区，因此在机器人前端设计了一个约120度的碰撞板。在碰撞板的左右两侧各装有一个碰撞传感器，考虑到要求的可靠性高，所以采用机械式的碰撞传感器，其原理就是一个行程开关，外形和引脚如图3.9所示。当没有发生碰撞时，输出为高电平；发生碰撞时，输出信号为高电平。这样就达到了对碰撞的检测。4 脉冲调制技术4.1 PWM技术原理脉冲宽度调制（PWM）是一种通过利用一系列脉冲的宽度对信号进行控制的技术，目的是为了等效地获得所要求的波形，包括频率和幅值，实现了对模拟信号电平进行数字编码。其实现方式主要是通过使用高分辨率计数器，调制方波的占空比或者频率来完成非一个具体模拟信号的控制。PWM控制技术是随着全控型电子产品的出现和快速发展，才得到真正的广泛应用，技术也越来越成熟。最常见的应用是在逆变电路中，获得了空前的发展，常见的方法可以总结为8种：等脉宽PWM法、SPWM法、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM法等等。本课题采用的方法是目前使用广泛的SPWM法，实现方案多，技术比较成熟，容易控制模拟信号。SPWM法是根据PWM控制技术的中的一个重要的理论为基础，即把冲量相等而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，其输出会达到相同的效果，对应的波形基本重合，达到同步的控制效果。实验结果证明窄脉冲在冲量相同，形状不同时输出的波形傅立叶分析，在低频率基本重合，只在高频率是有所差异。图4.1中的A、B、C表示是三种形状不同但是面积相同的窄脉冲，即冲量都等于1，但是A代表矩形脉冲，B代表三角形脉冲，C代表正弦半波脉冲，图中D的窄脉冲设置为单位脉冲函数。图4.1不同形状的窄脉冲当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应波形如图4.2所示。它们输出波形尽管在高频率的时候有所不同，但在低频率的时候是重合的，其效果是基本相同的。适合用于哪些载波频率工作在较低频率场合的系统。图4.2输出波形SPWM法是根据上述的理论，把脉冲宽度时间占空比按正弦规律变化，在经过适当的滤波，屏蔽高频率段的波形，使其输出的脉冲电压的冲量和需要输出的正弦波的冲量相等，就能输出与正弦波等效的PWM波形。常见的具体实现SPWM的方法是面积法。等面积法就是根据SPWM法的控制原理，通过控制逆变电路中开关器件的通断时刻，产生等幅不等宽的矩形脉冲电压与所希望输出的正弦波在相应时间区间内等效，那就可以通过计算矩形脉冲的频率和幅值，并存入微处理器里，构成PWM信号的控制单元。因此PWM单元就能输出逆变电路所需脉冲电压的频率和幅值，输出的波形也很接近正弦波。4.2 PWM技术产生根据PWM的基本原理，常用两种产生PWM信号方法：一种方式是在占空比不变的情况下产生频率不同的脉冲，称作脉冲调制；另一种是在频率不变的情况下产生占空比不同的脉冲；称作脉宽调制。第一种方法需要产生很多不同频率的脉冲，条件相对苛刻，不容易实现，还会是电机振动或发出噪声。因此本课题中使用的是第二种方法脉冲调制，输出在频率恒定下改变占空比的PWM脉冲，意味着在整个过程中改变的仅仅是PWM的占空比，至于其他参数，尤其是脉冲频率保持不变，通过调整工作周期在基本周期内的长短来控制输出波形。4.3 PWM控压调速原理本课题使用的是直流电机，直流电机自身构造复杂，成本较高，维修困难，但是其效率高，转速快，小巧，稳定而用途广泛。直流电机最大的优点就是易于调速，非常适合本系统对电机的快速控制要求。直流电机的转速与加在电机两端的电压成正比，而电机两端的电压又与控制波形PWM的占空比成正比，可见电机的速度与输出波形的占空比成正比，占空比越大，电机两端的电压越高，电机转得越快，相反，占空比越小，电机两端的电压越低，电机转得越慢。从而完成PWM单元对智能清洁机器人的调速过程。根据SPWM法可知，在同一个周期里，加在惯性环节两端的PWM脉冲与冲量相等的直流电加在直流电机的电压等效，输出的频率和幅值相等。因此假设在时间T内，脉冲宽度时间是，幅值为。图4.3PWM脉冲由图4.3可知时间T内，等效的脉冲直流电压为：（4-1）设，则上式可化为：(为脉冲幅值）（4-2）式4-2中为脉冲的占空比。如果PWM 脉冲为周期性的矩形脉冲，周期时间为T，如图4.4所示，则和此脉冲的等效直流电压为：(为矩形脉冲占空比)（4-3）图4.4周期性PWM矩形脉冲占空比通常表示工作时间即开关管导通的时间与时间周期的比值。由上式可知等效直流电压的大小有脉冲的幅值和占空比决定的，但是实际系统中实时改变脉冲幅值是比较困难的，容易导致系统的不稳定，因此一般是设置为恒定的数值，通常改变占空比来控制等效直流电压在0U之间调节，从而实现STC89C52RC芯片对直流电机的控制。5 清洁机器人软件设计5.1 行走电机控制程序5.1.1 电机正反转控制清洁机器人左右轮分别有一直流电机驱动，需要实现差速驱动。在本设计中，主控单片机主要负责对电机进行控制及响应避障传感器检测到的信号。其中，其中具体L298N 控制电机运转的真值表如表5.1（只选取一路电机）。表5.1 L298N 控制电机运转的真值表 ENA IN1 IN2 运转状态 0 X X 停止 1 1 0 正转 1 0 1 反转 1 1 1 刹车 1 0 0 停止其中，“1”代表单片机输出高电平；“0”代表单片机输出低电平。当单片机的两个控制IO 口同时为高电平或同时为低电平时电机都不能转动。只有当一个IO口输出高电平而另外一个输出低电平时直流电机才能转动。而且输出的高电平与电平顺序不一样直流电机的转动方向也会不一样。例如，要使小车前进就必须使两个电机同时正转，其程序如下：void go()/前进IN1=1;IN2=0;IN3=1;IN4=0;zkb1=25;zkb2=25;同理，只需改变电机驱动芯片的输入信号，便可控制小车的动作方向。5.1.2 电机转速控制清洁机器人在完成清洁过程中，并不需要很高的行走速度，因此，通过PWM方式可以将电机的转速控制在一个稳定的低速状态。PWM波的产生可以采取延迟和定时器两种方式实现。采用延迟法太占系统资 源，所以选择用定时器来产生PWM波。这里我们提出一种只使用一个定时器便能产生多组PWM波的新方法。其原理是设定一个周期时间为T, 将这一个周期时间等分成N份，如图5.1所示，每一小段时间为t，t为定时器的定时时间。在定时中断程序中，PWM1和PWM2都先赋高电平，根据需要的占空比，如PWM1为30%、PWM2为50%时，PWM1在三个定时中断后变为低电平，而PWM2继续为高电平，直到5个定时中断后才转变为低电平，取10 个定时中断为一个周期，这样循环就产生了两个占空比不同的PWM波。利用这个原理可以产生多组并行的PWM波。图5.1多组并行PWM波产生原理图按照上述原理就可以产生两组可变占空比的PWM波，分别赋给ENA和ENB,就可以控制两直流驱动电机的转速。具体流程见图5.2，t为一临时变量，zkb1、 zkb2分别为ENA和ENB的占空比，取值050之间。图5.2两组PWM波产生程序流程图具体的程序设计如下：/初始化定时器 中断void init()TMOD=0x01;TH0=0xFF;TL0=0xF6;EA=1;ET0=1;TR0=1;/中断函数+脉宽调制void timer0() interrupt 1TH0=0xFF;/恢复定时器初始值TL0=0xF6;t+;if(t=50)t=0;if(t=zkb1) /当小于占空比值时输出低电平ENA=0; /高于时是高电平，从而实现占空比的调整elseENA=1;if(t=zkb2)ENB=0;elseENB=1;5.2 台阶检测清洁机器人在执行清洁工作时，由于对环境没有认知性，在台阶和楼梯边上有可能会跌倒，而损坏本身电子元件。为了更好地保护清洁机器人，本设计在清洁机器人的底盘前方设置了两个红外传感器器来检测台阶，当其中一个传感器检测到有信号输入，单片机会做出反应，使行走电机停止，然后后退一段距离，而后原地中心旋转一个角度，继续前行，避开台阶和楼梯。程序设计如下：/台阶检测void step_deal()if(tj_1=1|tj_2=1)delay(5);if(tj_1=1|tj_2=1)back();delay(5);turn();delay(5);5.3 避障处理主动回避障碍是清洁机器人的一个基本的安全运动要求，也是机器人能否实现自主作业的关键。5.3.1 未知环境探测清洁机器人被置于一个未知环境下，对环境一无所知，不存在任何先验信息， 包括环境大小、形状、障碍物位置等等，而且环境中不存在如路标等人为设定的参照物。这就需要避障系统首先要求对清洁机器人四周环境进行探测，显然，单一传感器是不能满足要求的。考虑到传感器价位和技术水平的实际情况，用红外传感器和碰撞传感器组成传感器网络对周围环境进行探测是较好的选择，红外传感器有一定的预瞻能力，机械式碰撞传感器性能可靠。关于这两种传感器在第三章已有详细介绍，此处不再赘述。利用红外传感器可以及早地发现远处存在的障碍物，再综合碰撞传感器的探测情况，依据一定的算法，对传感器给出的不确定信息融合，可以得出较为真实的环境状况，从而有利于机器人做出正确的判断。5.3.2 实时避障方法的实现在室内环境中，不仅障碍物形状复杂、摆放零乱，而且由于人员的走动等经常会带来运动的障碍物，这样，为保证机器人能够在室内环境中及时、安全、有效的避障显得尤其重要。对于避障问题的研究，每年都有许多新的方法或者对传统方法的改进出现，比较常见的方法有势场法、栅格法等。由于本文所涉及到的机器人行为，不需要机器人到达精确的目标位置，因此本文给出的是实际应用中一种简单有效的基于多传感器的反应式实时避障策略，它具有快速、实时、高效的特点，特别适合在未知动态环境中进行避障。部分程序设计如下：void bizhang()if(from=1&left=1&right=1&p_left=1&p_right=1) /没有障碍物go();if(p_left=0)/左边碰撞传感器有信号delay(5);if(p_left=0)back();delay(5);turn_R();delay(5);if(p_right=0)/右边碰撞传感器有信号delay(5);if(p_right=0)back();delay(5);turn_L();delay(5);if(from=0&left=0) /前、左红外传感器有信号delay(5);if(from=0&left=0)back();delay(5);turn_R();delay(5);if(from=0&right=0) /前、右红外传感器有信号delay(5);if(from=0&right=0)back();delay(5);turn_L();delay(5);if(from=0)/前方有障碍物delay(5);if(from=0)turn();delay(5);if(left=0)/左方有障碍物delay(5);if(left=0)turn_R();delay(5);if(right=0)/右方有障碍物delay(5);if(right=0)turn_L();delay(5);结 论本文在分析了目前国内外清洁机器人的研究现状后，设计了一种室内智能清洁机器人。对清洁机器人的硬件控制电路进行了设计，完成了该机器人的硬件制作工作，并编制了相应的控制软件，进行了实验研究，达到了预期的设计要求。采用了STC89C52单片机作为机器人核心控制芯片，使用了差速转向式三轮机械结构及红外、碰撞传感器，使得机器人结构简单，功能完善，并且成本相对较低。主要完成了以下几个方面的工作：(1)简要介绍了智能家庭清扫机器人的发展现状进行了比较和分析，说明了 本课题研究内容的优势。(2)在电路硬件设计方面，分别从主控系统、驱动电机部分、传感器部分和电源部分几大功能模块说明了设计思想，方案论证和具体电路的实现。硬件电路模块化的设计思想，有效地提高了工作效率，同时为后续软件设计工作提供硬件开发平台。(3)在软件设计方面，使用KEIL公司的C51uVisio