智能掃地機器人課程設(shè)計

1、1 1、課題背景及研究的目的和意義1.1 課題背景掃地機器人是服務(wù)機器人的一種， 可以代替人進(jìn)行清掃房間、 車間、墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機器人的設(shè)計方案。其具有實用價值。室內(nèi)清潔機器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開； 能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形比較緊湊，運行穩(wěn)定，噪音??；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結(jié)合掃地機器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。1.2 研究目的和意義國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心邱權(quán)博士介紹說

2、，掃地機器人可以看作是一種智能吸塵器，通過其基于傳感器檢測的智能運動規(guī)劃算法使原本由人操作的吸塵器成為一個可自主運行的智能化設(shè)備。它通過各種傳感器，比如碰撞開關(guān)、紅外接近開關(guān)、超聲傳感器、攝像頭等，來感知自身的位置和狀態(tài)，通過智能算法決定當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)。它可以根據(jù)某個傳感器檢驗地面清潔程度，根據(jù)歷史信息確定哪些區(qū)域已經(jīng)打掃過，它的充電座會發(fā)出紅外線信息，在電量低于一定值后，它開始尋找紅外信息來自動充電。防跌落是基于機器人底部所安裝的紅外傳感器檢測地面的距離，當(dāng)距離發(fā)生變化時機器人將停止并改變路線。由于掃2 地機器人是一個智能化產(chǎn)品，1.3 工作原理掃地機器人機身為可移動裝置，機器人依托紅外識別

3、以及超聲波測距從而避障，配合芯片控制內(nèi)部電機轉(zhuǎn)動以及內(nèi)部真空環(huán)境吸塵，通過路線設(shè)計，在室內(nèi)自由行走，由中央主刷旋轉(zhuǎn)清掃，并且輔以邊刷，沿直線或者之字形活動路徑打掃。2、設(shè)計要求與內(nèi)容1）以 at89s52 系列單片機為核心設(shè)計移動清掃機器人電機驅(qū)動與控制電路，采用紅外傳感器和超聲波傳感器完成障礙物檢測電路設(shè)計，完成充電站檢測電路設(shè)計，完成避障算法與路徑規(guī)劃算法設(shè)計。2）按鍵選擇清掃模式和充電模式。3）顯示方式 led 顯示當(dāng)前時間和機器人當(dāng)前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設(shè)計3.1 設(shè)計任務(wù)1）利用 at89s52處理器編程實現(xiàn)電機驅(qū)動。2）液晶顯示掃地機器人的內(nèi)部參數(shù)。3）當(dāng)掃地機器人顯示電量不足時

4、，無線模塊發(fā)送命令到充電樁，開始進(jìn)行充電模式，此時紅外發(fā)射光線充電樁與掃地機器人充電接口對接，此3 時超聲波實時測量兩者之間的距離控制掃地機器人與充電樁之間的距離，防止速度過快損毀機器。4）按鍵實現(xiàn)充電，清掃，停止3 種模式對掃地機器人進(jìn)行模式的切換。5）用 protel 繪制詳細(xì)電路原理圖，標(biāo)明元器件的型號、參數(shù)和引腳功能符號，電路圖應(yīng)符合電氣要求。3.2 系統(tǒng)整體框圖3.3 選擇方案論證3.3.1 單片機選擇方案論證方案一：使用公司的at89s52作為主控制器。 at89s52是一種低功at89s52 驅(qū)動電壓控制按鍵tft液晶屏超聲波紅外無線模塊4 耗、高性能 cmos8 位微控制器，具

5、有8k 在系統(tǒng)可編程 flash 存儲器。使用 atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統(tǒng)可編程 flash ，使得 at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案二：綜上所述，選擇方案一，價格適中，可操作性強，且現(xiàn)在使用 at89s52也是一種難度適中的選擇。3.3.2 驅(qū)動芯片選擇方案論證方案一： 6612 芯片？方案二： uln2003是一個非門電路，包含7 個單元，各二極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。 用

6、于感性負(fù)載時，該腳接負(fù)載電源正極，起續(xù)流作用（在感性負(fù)載中，電路斷開后會產(chǎn)生很大的反電動勢，為防止損壞達(dá)林頓管，接反相的二極管來構(gòu)成通路，使之轉(zhuǎn)換為電流）。另外二極管的作用，驅(qū)動電流斷開時，電機內(nèi)的電感產(chǎn)生很大的反電動勢，每一個單元的二極管都與三極管的集電極相連，產(chǎn)生反電動勢時就構(gòu)成了放點回路，從而保護(hù)了三極管。方案三：使用東芝半導(dǎo)體公司tb6612fng 驅(qū)動芯片。 tb6612fng 體積小，發(fā)熱小，不需要加散熱片，外圍電路比較簡單，只需要外接電容就可以直接驅(qū)動電機。綜上所述，選擇方案一和二，體積小，電路簡單，所以選擇l298 作為移動驅(qū)動電路，選用uln2003 作為清掃電機驅(qū)動電路。5

7、 3.3.3 無線模塊選擇方案論證方案一：選用rf903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到500米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)距離的要求、另外性能強大，增加了電源切斷模式、可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能、抗干擾能力強。方案二：選擇 nrf24l01無線模塊，此模塊的體積小，但功耗大綜上所述，選擇方案一，價格低，受環(huán)境溫度小，綜合性能更強，所以選擇。3.3.4 時鐘模塊選擇方案論證方案一：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合, 如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費,且價格也相對較高 , 所以也不采用此種作為顯示. 方案二：采用tft液晶顯示屏 , 液晶顯示屏的顯示功能強大,

8、 顯示尺寸小巧 , 管腳占用少，適合單片機特點。3.4 硬件電路設(shè)計3.4.1 原理圖設(shè)計6 3.4.2 獨立式鍵盤設(shè)計綜合掃地人的無線控制，功能模塊分為清掃模式，自動充電模式，暫停三大塊，所以應(yīng)該有按鍵供選擇。獨立式鍵盤設(shè)計結(jié)構(gòu)簡便，設(shè)計可靠。獨立式按鍵比較簡單， 它們各自與獨立的輸入線相連接， 如圖所示。獨立式按鍵原理圖4 條輸入線接到單片機的 io 口上，當(dāng)按鍵 k1 按下時， +5v 通過電阻 r1 然后再通過按鍵 k1 最終進(jìn)入 gnd 形成一條通路，那么這條線路的全部電壓都加到了 r1 這個電阻上，keyin1 這個引腳就是個低電平。當(dāng)松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通過，那么

9、keyin1和+5v 就應(yīng)該是等電位，是一個高電平。我們就可以通過 keyin1 這個 io 口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。7 3.4.3 蜂鳴器報警電路如圖所示， 因 gpio口輸出電流有限， 而蜂鳴器在蜂鳴時需要較大的電流， gpio輸出口無法滿足要求。而8550 最大可提供 1a的輸出電流，足以驅(qū)動蜂鳴器。所以，我們用gpio口來控制 8550 的導(dǎo)通與截止，從而來控制蜂鳴器。當(dāng)向 f1 寫入邏輯 1 時，f1 輸出高電平（ +3.3v） ，8550 的基極電流為 0，此時 q1處于截止?fàn)顟B(tài)，電源不能加到蜂鳴器的正極上，蜂鳴器不能蜂鳴；當(dāng)向 f1寫入邏輯 0 時，f1 輸入低電平（

10、0v） ，8550的發(fā)射極和基極之間產(chǎn)生電流，此時q1導(dǎo)通，蜂鳴器開始蜂鳴。8 3.4.4 移動驅(qū)動電路 l298 內(nèi)部的原理圖l298 引腳符號及功能引 腳功 能sensa 、sensb 分別為兩個 h橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地ena 、enb 使能端，輸入 pwm 信號in1、in2、in3、in4 輸入端， ttl邏輯電平信號out1 、out2 、out3 、out4 輸出端，與對應(yīng)輸入端同邏輯vcc 邏輯控制電源， 4.57v vss 電機驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓高gnd 地l298 的邏輯功能in1 in2 ena 電機狀態(tài)x x 0 停止in1in2enaou

11、t1out2out3out4in3in4enb6v 動力電源9 1 0 1 順時針0 1 1 逆時針0 0 0 停止1 1 0 停止當(dāng)使能端為高電平時， 輸入端 in1 為 pwm 信號,in2 為低電平信號時 ,電機正轉(zhuǎn)；輸入端 in1 為低電平信號， in2 為 pwm 信號時, 電機反轉(zhuǎn) ;in1與 in2 相同時 , 電機快速停止。當(dāng)使能端為低電平時, 電動機停止轉(zhuǎn)動。在對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件(l298) 在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式在線性放大驅(qū)動方式。半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)優(yōu)點是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小

12、，缺點為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問題嚴(yán)重。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制（ pwm）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。10 3.4.5 清掃電機驅(qū)動電路高耐壓、大電流復(fù)合晶體管iculn2003 ，uln2003 是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅npn 復(fù)合晶體管組成該電路的特點如下：uln2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7k 的基極電阻 , 在 5v 的工作電壓下它能與 ttl和 cmos 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500ma ，并且能夠在關(guān)態(tài)時

13、承受 50v 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。uln2003 采用 dip16或 sop 16 塑料封裝。uln2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16 腳封裝,npn 晶體管矩陣 , 最大驅(qū)動電壓 =50v,電流=500ma, 輸入電壓 =5v,適用于 ttl、coms，由達(dá)林頓管驅(qū)動電路。 uln是集成達(dá)林頓管 ic，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管。它的輸出端允許通過電流為200ma ，飽和壓降 vce 約 1v左右，耐壓 bvceo 約為 36v。用戶輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動繼電

14、器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動 uln2003 時， 上拉 2k的電阻較為合適，同時，com 引腳應(yīng)該懸空或接電源。uln2003是一個非門電路，包含7 個單元，單獨每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá) 500ma ，9 腳可以懸空。比如1 腳輸入， 16 腳輸出，你的負(fù)載接在 vcc 與 16腳之間，不用 9 腳uln2003 是高壓大電流達(dá)林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品, 具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強等特點, 適應(yīng)于各類要求高11 速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。3.4.6 超聲波測距模塊基于超聲波距離傳感器的避障: 目前市場也有一部分掃地機器人采用超聲波傳感器實現(xiàn)避障。超聲

15、波傳感器與紅外傳感器之間的區(qū)別在于，紅外線感應(yīng)屬光學(xué)感應(yīng)技術(shù)，超聲波感歸屬于聲學(xué)感應(yīng)系統(tǒng)的范疇。超聲波音頻發(fā)射頭能夠發(fā)出超過 20khz 的音頻信號，音頻信號碰到障礙物后會反彈回波，機器人的接收器可以接受障礙物反彈的回波并通過分析回波信號判斷前方有無障礙物。超聲波感應(yīng)技術(shù)最大的優(yōu)點是對透明類障礙物具有很高的識別率， 而且可以正確識別任意顏色的障礙物，即使在全黑環(huán)境下也能正常工作。12 3.4.7 紅外模塊紅外線檢測技術(shù)的優(yōu)點：技術(shù)成熟、成本低廉、使用壽命長和工作可靠性高。一對優(yōu)質(zhì)的紅外線對管價格低廉，而且具有工作壽命長和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點。紅外線本身屬于不可見光，完全可以在黑暗環(huán)境中正常工作，

16、在日常清潔使用中具備較高的工作可靠性。紅外線檢測技術(shù)的缺點：紅外線對透明或半透明的障礙物具備較強的穿透性，機器人將無法感應(yīng)到礦泉水瓶、落地式玻璃門等物體。此外，光波具有最易被黑色物體吸收而被白色物體反射的特性。通常情況下，采用該檢測技術(shù)的掃地機器人在深色障礙物前， 無法正確接收到紅外反射信號。雖然紅外線檢測技術(shù)存在一些缺點，但是作為目前最成熟的障礙物檢測技術(shù)，它仍然將在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)存在，縱觀目前市場上銷售的掃地機器人產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機器人采用紅外傳感器與碰撞傳感器融合方式實現(xiàn)避障。采用這種技術(shù)的產(chǎn)品特征為：在機器人的碰撞欄前端有一圈茶黑色感應(yīng)窗，傳感器安裝在感應(yīng)窗內(nèi)部。該檢測系

17、統(tǒng)的檢測原理為：機器人工作過程中遇到障礙物時，紅外傳感器發(fā)射的光波會因為受到阻礙而產(chǎn)生回波，機器人內(nèi)部紅外接收器檢測到回波后， 會認(rèn)為前方存在障礙物，即命令減緩機器的前進(jìn)速度以慢速碰撞障礙物，確定障礙物的位置后進(jìn)行避障行為?；诩t外線與碰撞傳感器障礙檢測系統(tǒng)是目前掃地機器人中最為成熟也是使用范圍最廣的障礙檢測系統(tǒng)技術(shù)13 3.4.8 無線通信模塊rf903模塊性能及特點：1) 433mhz 開放 ism頻段免許可證使用2) 最高工作速率 50kbps， 高效 gfsk 調(diào)制, 抗干擾能力強 , 特別適合工業(yè)14 控制場合3) 125頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件 crc 檢錯和點對

18、多點通信地址控制4) 低功耗 3-3.6v 工作，待機模式下狀態(tài)僅為2.5ua，txmode 在+10dbm情況下，電流為 40ma ；rxmode為 14ma; 收發(fā)模式切換時間 650us 5) 模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示) ，可直接串接各種單片機使用，軟件編程非常方便6) 增加了電源切斷模式，可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能7) spi 兼容的控制接口，低功耗任務(wù)周期模式，自帶喚醒定時器，與rf905se 編程接口類似8) 增加了 rssi 功能，通過spi 接口可以獲取當(dāng)前接收到的信號強度(0-255) ，可以供當(dāng)前設(shè)備做出決策，比如低于某個數(shù)值50 可以報警

19、，提示用戶當(dāng)前信號質(zhì)量比較低等9) 作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到500 米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)距離的要求3.4.9 電量剩余檢測電路檢測電池剩余電量使用adc 模塊，此模塊是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理是轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為 1000。 這個數(shù)碼被數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓u0，送到比較器中與ux 進(jìn)行比較。若u0 ux，說明數(shù)字過大了，故將最高位的 1 清除；若 u0 ux ，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將最高位的1 保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1

20、15 是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出?？梢娭鸫伪平D(zhuǎn)換過程與用天平稱量一個未知質(zhì)量的物體時的操作過程一樣，只不過使用的砝碼質(zhì)量一個比一個小一半。如下圖，當(dāng)采用壓電阻將輸入的電壓從12v分壓至 5v或者 3.3v 以內(nèi)，然后輸入到 ad轉(zhuǎn)換模塊，為了保護(hù)轉(zhuǎn)換模塊的安全。輸入的電壓經(jīng)過鉗位保護(hù)電路后進(jìn)入ad模塊。由于此轉(zhuǎn)換模塊是10 位的 ad模塊，進(jìn)入之后得到數(shù)字量， 然后進(jìn)過計算可以得到電池的實際電壓，實際電壓 =數(shù)字量 *vi*3/4096 ，vi 是當(dāng)電池充滿電時，輸入到芯片的最大電壓。通過這種方式就能夠計算出電池的剩余電量。16 3.4.10 降壓電路df1117 系列穩(wěn)壓器可提供1a 直流輸出 , 它可運行在輸入輸出相差1v的環(huán)境下。在最大輸出電流時，電壓差設(shè)計可提供最大為1.3v，且它隨著輸出電流的減小而減小。芯片焊接校準(zhǔn)為參考電壓的1% 。這種限流起到平衡的作用，調(diào)整器和電源電路使超負(fù)載最小化。df1117 兼容了其它三終端的系統(tǒng)接口， 并提供了 sot-223和 to-252兩種封裝形式。特性：三端可調(diào)整電壓或穩(wěn)壓為 1.5v 、1.8v、 2.5v 、2.85v、3.3v 和 5.0v，輸出直流為 1a，工作在電壓差為1v，線路調(diào)整率： 最大 0.2%，負(fù)載