智能控制系统的扫地机设计毕业设计 37页

本科毕业设计说明书扫地机的智能控制系统设计SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGNn毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　n学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日n指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日nn评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日n教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日32n扫地机的智能控制系统设计摘要摘要目前，各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。室内智能扫地机器人就是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人。室内智能扫地机器人的路径规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的连续路径。根据建立的扫地机器人平台，提出清扫机器人随机运动路径规划算法。机器人利用其上安装的红外传感器和摄像头来识别和感知房间环境，机器人开始以螺旋运动方式覆盖房间的空白区域，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性。关键词：扫地机器人，单片机，环境识别，路径规划32nSWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTAtpresenttime,moreandmorevariousofservicerobotsaredesignedandappliedtopeople’sdailylife.Theapplicationoftheserobotsispromotingthequalityofpeople’slifetremendouslyastheydealwiththeworksrelatedtopeople’slifeclosely.Indoorautomaticcleaningrobotisoneoftheseservicerobotsdevelopedtohelppeopletocarryoutthetroublesomeroomcleaningwork.ThepathplanningalgorithmofIndoorAutomaticCleaningRobotshouldspreadovertheroomareausingtheareafillingpathplanningalgorithmtofindacontinuouspathfromstarttoend.Arandommovingpathplanningalgorithmisputforwardbasedontheplatform.Thecleaningrobotidentifiestheroomenvironmentusingtheinfraredtransducerandthecameraoutfittedonitsbody.Movinginthespiralmotionmodewiththegraduallyenlargingradius,therobotbeginstoexploreandcleantheblankarea.Whileitencountersobstacleslikewallorfurniture,itwillstartthestrategyofdealingwithobstacles.Thisalgorithmisvalidatedthroughcomputersimulationandrobotexperiment.KEYWORDS:cleaningrobot,singlechipmicrocomputer,environmentidentification,pathplanning32n1绪论1.1引言自动扫地机器人是当今服务机器人领域的研究热点。从理论和技术上讲，自动扫地机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性；从市场上前景讲，自动扫地机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于宾馆﹑酒店﹑图书馆﹑办公场所和大众家庭。因此开发自动扫地机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。1.2研究现状：自从1904年英国人发明了第一台扫地机，至今为止扫地机的发展历史已有近百年。而后日本、美国、德国、英国等国家就开始了扫地机的批量生产。目前，国外先进的扫地机都在不断地提高智能水平。吸扫式小型扫地机是目前国内外应用最为广泛的小型扫地机品种，通常有盘型刷和风机、风管道、吸尘嘴等部分。盘刷的设置加强了对马路边沟的清扫，增加了清扫宽度。盘型刷将侧面的垃圾扫到吸尘嘴的工作区域，再由吸尘系统将垃圾吸入机内的垃圾箱。吸扫式小型扫地机适合于任何道路环境的清扫，对污物、尘土都有很好的清扫效果，工作效率高。智能化扫地机不仅给企业带来巨大的经济效益，同时也产生了显著的社会效益。1.2.1路径规划技术路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径,并且实现所需清扫区域的合理的路径覆盖,实质就是扫地机运动过程中的导航和避碰。1.2.2多传感器融合技术为了让吸尘机器人正常工作,必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控,并感知机器人所处工作环境的静态和动态信息,使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。吸尘机器人都采用了大量的传感器,有效地把大量的传感器观测信息融合处理,使机器人获得最大量的外部环境信息,运用多传感器融合技术可以提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度。1.2.3电源技术32n移动电源需同时为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压,为吸尘操作模块及传感观测模块提供能源等。电源在放电过程中具备:①保持恒定的电压;②内阻小以便快速放电;③可充电;④成本低等特点。依托以上关键技术,可实现以下产品功能:1.自动检测垃圾并对较脏的区域重点清扫2.自动寻找智能充电座回去充电3.定时清扫4.当机器被卡住能自动摆脱5.支持遥控6.边角清扫程序7.不重复清洁、不留死角和楼梯防跌落功能1.3研究内容：1.3.1自动返回充电功能启动机器人自动充电模式，它在完成工作后会自动返回充电并进入待机状态。用户只要打开机器人，剩下的清洁工作就不用担心了。1.3.2具有预约定时自动清扫功能可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。1.3.3脱困功能可以顺利跳过2CM高的电线等杂物，具有聪明的摆脱困境功能，入遇困境，机器人会自动尝试用各种办法摆脱困境。1.3.4防跌落功能在楼梯，会议桌等地方工作也不用担心机器会跌落而造成顺坏及危险，机器人自动感知到危险而避开。1.3.5液晶显示屏智能报警提醒智能识别系统能够帮助您判断机器人使用过程中出现的问题，智能识别系统能够自动识别各种异常情况。1.3.6灵巧边刷单独的边刷控制边刷高速旋转，将墙角/墙边的垃圾清扫出来并进入尘盒，真正的有效清扫边角灰尘。32n1.3.7解决智能扫地机反复清理一个地方的问题1.4论文主要完成的工作课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计，驱动电机选择，传感器的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。1.4.1机械结构部分包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择。1.4.2避障系统控制方案包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择。1.4.3控制系统硬件部分包括单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感器检测硬件电路设计。1.4.4控制系统软件部分包括单片机控制系统的软件设计。32n2单片机2.1单片机简介常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作。2.1.1硬件特性1、单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高；4、处理功能强，速度快。5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品6、控制功能强7、环境适应能力强。2.2AT89C51单片机本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2.2.1AT89C51主要性能参数1.与MCS-51产品指令系统完全兼容2.有4K字节可重擦写Flash闪速存储器32n3.有1000次的擦写周期4.全静态操作：0Hz~24MHz5.有128×8字节的内部RAM6.有32个可编程I/O口7.有2个16位定时/计数器8.有6个中断源9.低功率空闲和掉电模式2.2.2AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。2.2.3AT89C51引脚VCC：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。作输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。P1口：P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。32n图2.1AT89C51芯片P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：表2.1端口引脚第二功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）32nP3.2（外中断0）P3,3（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）32n3智能扫地机各系统分析用红外传感器、光电传感器、接触传感器完成自动避障。用光电编码器检测电机的转速。利用PWM技术来动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。总系统框图如图3.1所示。图3.1硬件设计总框图3.1智能扫地机传感器系统传感器系统是扫地机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息，是扫地机的重要组成部分，由多传感器及相关信号处理电路组成。在非结构化环境下，传感器系统为扫地机的正常工作发挥着无可替代的作用。扫地机传感器系统的性能越好，自动避障和路径规划方案就越容易实现，控制系统的程序就更容易编写和执行，扫地机系统的整体性能也就越好。移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两大类。内传感器主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感器包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。扫地机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息，以实现扫地机32n的自主避障。由此可见，传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选择和执行质量。对工作环境下的障碍物信息，可以通过外部传感器获得，移动机器人上常用的探测障碍物的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器和视觉传感器等几种。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器通过计算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距。超声波传感器波束较宽，方向性差，但是其环境适应能力强，探测距离远，采集信息速度快，且比一般视觉传感器和激光测距仪都要便宜，因此在许多方面得到广泛应用。红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等优点，但是其受环境影响较大，当探测头被灰尘等污染后，其探测性能将大大下降。红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。红外光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，它的探测距离比较近，从几个毫米到几十厘米不等。因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。接触传感器通过与被测物体的接触来确定被测物体的相关信息，如物体的存在与否、物体的形状和位置、接触面的压力分布及大小等等。接触传感器主要有限位开关、接触开关等，这些传感器结构简单、信号易处理、适应能力强且价格低廉。由于超声波传感器、红外光电传感器和接触传感器都具有价格低廉、工作可靠、速度快等优点,因此广泛应用于移动机器人的局部导航。经过对比分析，本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构建清扫机器的传感器系统。将这些传感器合理布置在清扫机周边位置上，通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据通讯，控制系统根据获得的传感器系统信息做出避障决策，实现自主避障。3.1.1测速装置模块32n测速信号通过在电机的转子上加装带有黑白条纹的圆盘，再利用光电开关得到电机每转一圈产生若干个脉冲信号，据此可以算出电机的实际转速。这种简易的光电开关测速法成本低，性能可靠，可以在电机转速不高，精度没有严格要求的情况下使用，这种测速装置可以构成里程计。根据里程计的返回脉冲数可以计算出电机行走的距离，并间接得到行走速度。图3.2EW462内部原理示意图3.1.2碰撞检测碰撞检测采用霍尔元件EW462，芯片的内部原理框图如图3-4所示，芯片的工作方式如图3-5所示。芯片的供电电压范围为4.5V~18V，灵敏度高，阻抗低，工作的最大输出电流为15mA。当芯片的正上方有S极磁场时，霍尔元件输出高电平，当元件偏离磁场后，元件输出低电平。通过控制霍尔元件正上方的磁场极性，可以控制元件输出信号的变化趋势。当极性相反时，元件在偏离磁场时为高电平，正对磁场时为低电平。3.2驱动系统驱动器就是驱动扫地机的动力部件，最常用的就是电机。扫地机最主要的控制量就是控制扫地机的移动，扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机，控制电机转的圈数就可以控制扫地机移动的距离和方向、清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。所以，第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。一般有专门的控制卡和控制芯片来进行控制。有了这些控制卡和芯片，然后把微控制器与其连接起来就可以用程序来控制电机。第二个问题是控制电机的速度，在扫地机上的实际表现就是它的实际运动速度，扫地机走的快慢全靠电机的转速，这样就要求控制卡对电机有速度控制。机器人的工作电机分为行走、吸尘和毛刷电机。机器人行走结构中前面有一个从动转向轮，两侧各有一个驱动轮，由无刷直流电机进行控制。清扫结构主要使用真空吸尘器和由电机带动的旋转毛刷。永磁无刷电动机具有效率高，功率大，体积小，控制精度高等明显特点在机器人领域有着广泛的应用。无刷直流电机具有良好的调速性能，由于它采用电子换向，脉宽调制脉冲调速，在进一步提高直流电机性能的同时，又克服了直流电机传统机械换向带来的一系列问题，从而大大延长了电机的使用寿命。直流无刷电机控制电路主要有控制电路微处理器、数字信号处理器和专用集成电路等3种方式。使用单片机辅以外围处理电路的方法，其测32n频、换相、控制调节等均由软件实现。选用单片机软件编程的方法控制无刷直流电机。吸尘器内的风机和带动毛刷的电机都使用直流电机，由于不需要调速、换向，因此控制方法比较简单。图3.3主从动轮分布图电机的运动系统结构如图3-2，它决定了机器人的运动空间，采用轮式结构。其中左右轮为主动轮，需要用可调速的电机控制，前面的转向轮为从动轮，便于机器人的转向。直流电动机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优良的动态特性，所以一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电动机如交流变频电动机、步进电动机的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中仍有着广泛的应用。采用广泛应用的脉宽调制技术控制电动机电枢的电压。所谓PWM控制技术，就是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的。产生PWM信号常用的4种方法如下：(1)分立电子元件组成的PWM信号发生器。这种方式是用分立的逻辑电子元件组成信号电路，是较早采用的方法，可靠性、可调性较差；(2)软件模拟式。利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM波，该方法占用CPU的时间较多，控制软件较复杂；(3)专用PWM集成电路。采用专用的PWM集成电路芯片，该方法功能强，但增加了调速系统的成本开销；(4)单片机的PWM口。新一代的许多单片机具有PWM调速功能。通过单片机的初始化设置，使其自动发生脉冲波，只有在改变脉冲宽度时才进行干预，该方法控制直流电动机转速简单、可靠。所以使用单片机的PWM口作为电机的PWM调速控制。无刷直流电动机简称BLDC，学名是无换32n向器电机或无整流子电机，是一种新型的无级变速电机。它具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单，制造方便，不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。选用的轮子驱动电机即为无刷直流电机，其工作电压是10~15V，最大工作电流0.84A，正常工作电流0.4A，有专门的换向控制引脚，高低电平控制正反转。该电机可以由PWM信号直接驱动，允许的脉宽调制脉冲信号输入参数为：允许输入PWM的频率最大为50kHz；高电平的输入电压范围为2.0V~5.0V；低电平的输入电压为0V~1.0V；输入开路电压为4.5V~5V。3.3红外遥控系统红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，继彩电、录像机之后，红外线遥控在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也实现广泛的应用。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控能可靠且有效地隔离电气干扰。基于以上优点，故采用红外遥控装置来控制智能扫地机的清扫方式及开机与关机。遥控发射器遥控接收器图3.4红外遥控系统通常红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编码/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图3.2所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。红外接收芯片选用TFMS5380。在遥控器上使用单片机进行红外功能编码，在扫地机上，由于单片机处理任务很多，因此选用专用的解码芯片。解码芯片是REALTEK公司生产的一种用于遥控小卡车的CMOS大规模集成电路RX6B，它有七个控制键来控制小卡车的移动。由于编码和解码的振荡频率必须一致，频率的大小由OSCI和OSCO之间的电阻决定。四个红外接收管的信号通过与门与芯片的输入端SI相连，使得解码芯片在接收到任意方向的红外线信号时都能正常工作。32n图3.5IMP813L芯片3.4浮动开关电路浮动开关是一个安装在轮子内侧的机械开关，轮子上有弹簧装置，当轮子浮起时，开关断开扫地机停止前进，实现了防跌落功能。防跌落功能有效的保护了扫地机各部位免遭摔坏，所以是必不可少的。3.5看门狗几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致EPROM中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。IMP813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。IMP813L有双列直插和贴片封装形式，其双列直插如图所示，引脚功能如下：第1脚为手动复位输入，低电平有效；第2、3脚分别为电源和地；第4脚为电源故障输入；第5脚为电源故障输出；第6脚为看门狗输入，第7脚为复位输出，第8脚为看门狗输出。IMP813L的性能特点：IMP813L的内部结构框图如图3.5，具有以下主要性能特点：由图可知该芯片具有以下主要性能特点：(1)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。32n(2)看门狗电路输出。如果在1.6s内没有触发该电路(即第6脚无脉冲输入)，则第8脚输出一个低电平信号。图3.6IMP813L的典型应用电路(3)手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出。(4)1.25V门限值检测器，第4脚为输入，第5脚为输出。当第4脚电压低于1.25V时，第5脚输出一个低电平信号。IMP813L的典型应用电路：IMP813L的典型应用电路如图3.6所示。图中单片机以AT89C51为例，IMP813L的第1脚与第8脚相连。第7脚接单片机的复位脚(AT89C51的第9脚)；第6脚与单片机的P1.4相连。在软件设计中，P1.4不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.4无脉冲输出。于是1.6s后在IMP813L的第8引脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使IMP813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，IMP813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1．25V时，电源故障输出脚第5脚PF0变低，可引起AT89C51中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。32nIMP813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。3.6液晶显示电路液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里采用2行16个字的DM-162液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示时间及清扫机行进速度的功能。图3.7液晶显示系统电路DM-162液晶显示模块的字符显示，可分为好几种显示模式，这主要取决于对具体的应用。如静态的显示，还是动态的左移或者右移显示。那么这个主要是在程序设计的过程中，进行初始化所决定的。因此，在使用之前先确定使用的目的，选择好显示的方式，当然得找出相应的显示字符的字符代码及在DM-162液晶显示模块的相应显示位置的RAM地址。然后进行每个字符的写入显示。在使用的过程中，还得注意的一点是，可能是显示驱动电压的不稳定性，或者是由于驱动电压的过高，会形成一种“鬼影”的现象，因此需要手动对10K的电位器进行对比度调整以达到显示的良好效果。液晶显示模块电路如图3.7。它由以下几个部件组成：单片机AT89C51、液晶字符显示部件DM-162、电源供电部分。单片机部分：采用AT89C51芯片实现对DM-162的控制显示字符显示模块:选择2行16个字的显示容量.电源部分：+5V电压供电，维持系统的正常工作,同时加载10K32n电位器以适应不用亮度的显示字符即对比度的调整。32n4智能扫地机的设计4.1自动充电系统自动充电是用对接充电来实现的，对接充电过程主要用了红外信号，在智能吸尘机器人的左侧和后面都有红外接收器，发射传感器则安装在充电座上，对接充电对扫地机是非常重要的，因为机器人自带的充电电池电量有限，不一定能保证完成清扫工作，这就需要机器人能自动对接充电。当内部电源检测到电压低于一定值是，扫地机器人将沿墙壁寻找充电座。一般扫地机器人按右手法则寻找充电座，所以在扫地机器人贴墙的一侧（选左侧）和后部各装有一个红外接收传感器，当侧面的一侧在贴边过程中收到红外信号时，扫地机器人顺时针旋转90度，并沿着红外光路靠近充电座，同时检测充电座充电电压即可确定是否已经对接上。4.2驱动系统电路驱动系统电路包括驱动器、光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分，如图3.6所示。在具体电路中，由于单片机使用5V弱电，而电机的驱动电压为12V或者更高，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了光电耦合器TLP521，把控制部分和驱动部分隔离开来。单片机输出端口的电流一般只有20mA左右，不足以或者不能稳定地驱动光电耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245来增强驱动能力，为光电耦合器TLP521提供合适的驱动电流。驱动器保护电路由8个高速大电流肖恩特二极管1N5822（图中D1~D8）组成，用来消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。保护二极管最好采用高速大电流的开关管，否则反向恢复时间太长，L298N内部H桥的上下两个三极管会因为开闭时序交叉，导致同时打开而短路，长期使用状态下会造成L298N发热或烧毁。按照图4.1所示电路，系统工作时，单片机P1口输出的控制信号经过驱动器芯片74HC245和光电耦合器之后输入电机驱动芯片L298N，控制电机动作。当需要调速时只需改变PWM调速脉冲（本设计中由单片机P1.3和P1.6端口产生）的占空比即可，理论上可以实现256级调速。4.3总体软件流程总流程图如图4.1所示，是整个清扫机运行过程的流程图。其中包括初始化整个系统、启动各电路模块、等待接收命令、启动驱动系统、检测障碍、启动清扫避障系统、结束清扫等过程。(1)首先，启动清扫机电源，使各模块持续供电。32n图4.2总流程图(2)启动各电路模块，启动液晶显示系统，以便显示清扫机行进速度及运行时间。此过程通过软件编程控制液晶显示系统及驱动系统向单片机控制系统反馈实现。32n启动清扫机传感器系统，此项内容主要作用是使清扫机对周围环境有一个了解，通过对周围环境的感知来实现测距、清扫、避障。本过程主要是通过单片机控制各传感器及传感器向单片机反馈来实现。启动红外接收系统，等待接收红图4.3红外发射电路流程图外信号。(3)当接收到前进指令时，启动驱动系统。(4)32n当遇到障碍时启动清扫系统及避障系统，此过程是整个清扫系统的关键，此过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断。4.4红外遥控系统流程图4.4驱动系统流程发射电路主程序的流程图如图4.3所示主程序中设置串口工作方式1和定时器T1方式2是为了发射按键代码时产生2000b/s的波特率；定时器T0工作方式2是用来在P3.7引脚上输出38kHz的载波信号。有按键下时产生外部中断0，寄存器R5和R4中存放的数据是用来控制1min的定时时间。1min之内无按键，则遥控器进入低功耗状态。定时器T0中断程序是将P3.7引脚取反产生38kHz的载波信号，此信号为方波信号。外部中断0的中断程序用于判断按键并发射按键代码，同时还包括按键去抖动和检查设置相关标志位。4.5驱动系统流程首先是系统初始化工作,即设置寄存器、配置GPIO、定时器、A/D转换器和外部中断、启动A/D转换。然后检测GPIO有没有启动信号,检测到启动信号后,从另一个GPIO32n发出控制信号给直流电机加电。从A/D转换器里读取电流信号数据,再通过求平均值得到电机的电流值;对输出脉冲信号的数据进行FFT变换,求出基波的频率,再根据电机的具体型号乘以一个系数得到电机的转速。最后把测试电流和转速送给液晶显示系统显示清扫机行进速度,启动总线传输，把测试结果传输到单片机,以对数据进行保存和分析。软件流程如图4.4所示。4.6清扫避障系统流程清扫壁障流程图如图4.5，该流程是智能清扫机执行清扫命令及躲避障碍的流程。图4.5清扫避障流程图(1)红外光电传感器的红外发光管发射红外光，光波在遇到障碍物后反射，被红外接收管接收，产生一个与光强相对应的电流，电流经LM358组成的两极放大电路放大后，输出一个模拟电压，经A/D转换后输入单片机。32n(2)由接触传感器感知障碍物性质，判断其是否是清扫机可清扫的垃圾。若可清扫则由单片机向清扫机械电机发出清扫指令，执行清扫命令，完成清扫后继续等待红外传感器接收信号。(3)若不可清扫，判断其为墙角类障碍，此时累加器累加判断为墙角的次数。(4)判断墙角累加次数的奇偶，若为奇数则通过控制电机调速模块来控制左右轮速度，控制清扫机行进方向，使其左后转行进。若判断为偶数，则使其右后转行进，本过程实现清扫机的蛇形行进清扫方式，尽可能提高清扫机清扫效率。32n结论本课题设计结合机器人控制原理，使用机器人开发平台，对智能清扫机各部分系统分别作了具体分析。其中包括主控制系统的设计方案，，各传感器电路的选择，电机驱动及调速方式的选择，红外遥控系统的设计。由于单片机是整个智能扫地机的运算处理中心,又是控制中心,是最重要的器件，控制所有模块，所以对其进行了严格挑选。鉴于AT89C51采用高密度、非易失性存储技术，具有功能强大，灵活性高等优点，本课题选用了它。其他电路模块均在考虑灵敏度高、精度适当、工作稳定、可靠性好、经济实惠等原则的基础上进行了选取。通过本课题的设计，我对单片机及传感器的相关原理有了更深刻的理解。并且掌握了直流驱动电路及PWM调速电路的工作原理。最主要是提高了本人研究与分析问题的能力。按照论证方案，在完成智能扫地机硬件电路的研制及控制程序的设计后，经过一段时间的调试，系统各部分运转基本正常。验证了智能扫地机硬件电路设计方案的可行性，达到了预期的目的。但其智能化程度还远远不够。我相信随着科技的不断发展人类的不断进步智能扫地机的前景会更广阔。32n参考文献[1]谭定忠，王启明，李金山，李林.清洁机器人研究发展现状[M].2004[2]邢敏，蒙梅，刘任平.JPcleaner型清洁机器人控制系统设计[M].2006[3]王以伦，邓宝林，王洪涛，冯晨.清洁机器人的自动避障控制系统[M].2005[4]石为人，周学益.室内清洁机器人避障路径规划研究[M].2007[5]谭定忠，王启明，孔凡凯.主动移动清洁机器人运动学性能研究[M].2004[6]时尚预言.自动装置造就“懒汉时代”[J].2001[7]J.Borenstein,Y.Koren.Histogramic.In-MotionMappingforMobileRobotObstacleAvoidance[J].IEEETrans.RoboticsandAutomation,1991,7(3)：278-288[8]SewanKim.AutonomousCleaningRobot:RobokingSystemIntegrationandOverview[A]:Proceedingsofthe2004IEEEInternationalConferenceonRobotics8AutomationNewOrleans,2004,4:4437-4441[9]JosephL，JoneS.MobilRobotS[M].AKPeter，1999.[10]BrianR.Robotsreachthehomefloor[J].IndustrialRobot,2001,28(1):27-2832n致谢在作此次毕业设计的过程中，本人得到了#老师的精心指导，正是因为老师不断的提供大量的资料来源，不仅为我设计出该智能扫地机提供了大量的知识贮备，而且使我学会了从大量的资料中选择出自己需要的东西。在此感谢老师和同学们的帮助，感谢培养我四年的学校。32n学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）：年月日学位论文出版授权书本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级：□公开□保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名：_______导师签名：______________年_____月_____日_______年_____月_____日32n独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名:二〇一〇年九月二十日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名:二〇一〇年九月二十日32n致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。32