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1、0 引 言移動(dòng)機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)器人的主體,決定了清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間,一般采用輪式結(jié)構(gòu)。傳感器系統(tǒng)一般采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器等構(gòu)成多傳感器系統(tǒng)。隨著近年來(lái)控制技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展,智能清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。吸塵系統(tǒng)在原理上與傳統(tǒng)立式吸塵器相同,主要是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更多考慮結(jié)構(gòu)尺寸、集成度以及一些輔助機(jī)構(gòu)的合理布置和利用,以此來(lái)提高能源利用率和工作效率。本文主要研究智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),最終目標(biāo)是通過(guò)軟硬件的合理設(shè)計(jì),使智能清潔機(jī)器人能夠自動(dòng)避開(kāi)障礙物,實(shí)現(xiàn)一般家居環(huán)境下的自主清潔工作。1 測(cè)控
2、系統(tǒng)組成及功能智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)主要包括控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。其原理如圖1所示。基于清潔機(jī)器人自身體積盡可能小的原則,本設(shè)計(jì)將控制器核心系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)及相關(guān)電路集成在一塊電路板上。為防止干擾,通過(guò)光電隔離器件將各模塊在電氣上隔離開(kāi)來(lái)。利用超聲波傳感器、紅外反射式傳感器和接觸傳感器組成多傳感器系統(tǒng),檢測(cè)信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后送控制器;采用8位單片機(jī)SST89E554RC作為控制器,控制器對(duì)傳感器信號(hào)加以判斷,根據(jù)判斷結(jié)果,選定相應(yīng)的控制策略,并控制語(yǔ)音系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào);在相應(yīng)的控制策略下,通過(guò)專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī),帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪,兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)避障功能;同
3、時(shí),控制器控制小型雙風(fēng)機(jī)真空吸塵系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的清掃。圖1 系統(tǒng)原理該新型智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示,該平臺(tái)為圓形結(jié)構(gòu),兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),具備完整的吸塵系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等功能模塊。最終將在該平臺(tái)上對(duì)本文所介紹的測(cè)控系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖2 智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 CPU控制模塊CPU采用美國(guó)SST公司制造的8位單片機(jī)SST89E554RC。器件使用與8051完全相同的指令集,并與標(biāo)準(zhǔn)的8051器件管腳對(duì)管腳兼容。片內(nèi)擁有1 kB字節(jié)RAM空間,3個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器,4個(gè)8位I/O端口,擁有可編程計(jì)數(shù)陣列(PCA,可提供5路256級(jí)PWM調(diào)速,可通過(guò)全雙工
4、增強(qiáng)型串口實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。2.2 驅(qū)動(dòng)模塊2.3 障礙物檢測(cè)模塊超聲波是一種一定頻率范圍的聲波,頻率為40kHz的超聲波信號(hào)在空氣中的傳播效率最佳。本文選用中心頻率40kHz,測(cè)距范圍在5m以內(nèi)的普通超聲波傳感器。傳感器發(fā)射探頭和接收探頭安裝在機(jī)器人正前方,系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)匯編程序由P3.7口產(chǎn)生精確的40kHz發(fā)射脈沖,每隔25ms發(fā)射一組脈沖,每組的脈沖個(gè)數(shù)取610個(gè),以保證發(fā)射波具備良好的傳播性和反射性。發(fā)射波遇到障礙物反射回來(lái),被接收器接收,轉(zhuǎn)變成電信號(hào)脈沖,對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較和整形等處理后送入單片機(jī)外部中斷口INT1,觸發(fā)單片機(jī)外部中斷,進(jìn)入中斷處理程序,獲取從發(fā)射波發(fā)出到收
5、到反射波時(shí)的時(shí)間間隔即測(cè)距時(shí)間,由此即可根據(jù)超聲波測(cè)距原理計(jì)算出障礙物的距離。主程序中設(shè)定機(jī)器人行走過(guò)程中距離障礙物的最小距離,當(dāng)被測(cè)距離小于最小距離時(shí),控制器向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出避障指令,避開(kāi)障礙物。本設(shè)計(jì)中利用軟件延時(shí)去除串?dāng)_帶來(lái)的誤操作,即在發(fā)射波發(fā)出一段時(shí)間后,再打開(kāi)外部中斷,避免發(fā)射波不經(jīng)反射就直接被接收器接收而引起假中斷。 該模塊用于主動(dòng)探測(cè)機(jī)器人周邊障礙物和地面落差。選用JY043W型紅外反射式傳感器,該型傳感器調(diào)理電路簡(jiǎn)單,安裝調(diào)試方便,每一路的檢測(cè)距離可以達(dá)到 7cm,滿足本文設(shè)計(jì)的需要。該部分由6路檢測(cè)單元組成,其中在機(jī)器人左前方和右前方各安裝2路,配合超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)周邊障礙物
6、的檢測(cè)。另2路分別安裝在機(jī)器人前端左下方和右下方,探頭距離地面4cm,用于檢測(cè)地面是否有臺(tái)階等落差,防止機(jī)器人跌落。紅外反射式傳感器具體工作過(guò)程為,發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí),發(fā)射管發(fā)出紅外信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái),接收管接收到反射信號(hào)后導(dǎo)通,則信號(hào)處理電路的輸出端變?yōu)榈碗娖剑摰碗娖街苯铀腿肟刂破鱌2的一個(gè)端口,當(dāng)控制器檢測(cè)到這個(gè)端口的低電平變化時(shí)則表明該方位發(fā)現(xiàn)障礙物。接觸傳感器具有檢測(cè)范圍大、信號(hào)無(wú)需調(diào)理、占用控制器資源少等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文選擇小型接觸開(kāi)關(guān)作為接觸傳感器,安裝在機(jī)器人前端的緩沖器上,作用在于通過(guò)輕微的碰撞接觸,檢測(cè)那些未能被超聲波傳感器和紅外反射式傳感器檢測(cè)到桿狀或微小障礙物,如座椅腿等
7、。3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 傳感器信息處理當(dāng)各路傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí),控制器必須獲得障礙物的準(zhǔn)確信息后,才能發(fā)出正確的避障指令。為了獲得有效信息,程序代碼中為每一路檢測(cè)信息都設(shè)定一個(gè)標(biāo)志位,主程序不斷檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志位的值的有效性,以此作為障礙物方位信息。對(duì)于不同的傳感器,其信息判斷標(biāo)志位有效值也可能不同。在本文所提到的3種傳感器中,超聲波傳感器的信號(hào)處理程序最為復(fù)雜,其流程如圖3所示。圖3 超聲波傳感器信號(hào)處理程序流程3.2 驅(qū)動(dòng)控制表1 控制信號(hào)與電機(jī)動(dòng)作關(guān)系3.3 避障算法描述根據(jù)模糊控制思想并結(jié)合實(shí)際行走試驗(yàn)設(shè)計(jì)避障算法。以傳感器系統(tǒng)9路傳感器的檢測(cè)距離和障礙物所在的方位為模糊控制輸入量
8、,以驅(qū)動(dòng)輪的前進(jìn)、旋轉(zhuǎn)和后退動(dòng)作為模糊控制輸出量。超聲波傳感器檢測(cè)最小距離設(shè)定為15cm,距離遠(yuǎn);紅外傳感器檢測(cè)距離為7cm,距離適中;接觸傳感器是在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙物,因此檢測(cè)距離最近。據(jù)此設(shè)距離信號(hào)(記作:D的模糊語(yǔ)言集合為:D近,中,遠(yuǎn)設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量,記作:ND近,MD中,LD遠(yuǎn)以各路傳感器在機(jī)器人上的安裝位置作為障礙物所在方位(記作:A。超聲波傳感器安裝在正前方,在其左右兩邊依次是接觸傳感器、下方紅外傳感器和周邊紅外傳感器。則設(shè)方位信號(hào)的模糊語(yǔ)言集合為:A最左,較左,左,左下,中,右下,右,較右,最右設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量,記作:BL最左,ML較左,L左,LD左下,M中,R
9、右,RD右下,MR較右,BR最右設(shè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)作集合為:右轉(zhuǎn),稍微右轉(zhuǎn),后退,減速,前進(jìn),稍微左轉(zhuǎn),左轉(zhuǎn)設(shè)定其相應(yīng)的語(yǔ)言變量,記作:TR右轉(zhuǎn),TRL稍微右轉(zhuǎn),GB后退,SD減速,GA前進(jìn),TLL稍微左轉(zhuǎn),TL左轉(zhuǎn)對(duì)于清潔機(jī)器人來(lái)說(shuō),在避障的同時(shí),還要能夠?qū)η鍧崊^(qū)域進(jìn)行遍歷。在保證避障和遍歷的前提下,為了減少控制器的計(jì)算量并避免程序復(fù)雜化,本文采用逐一查詢方式獲得模糊控制量之一障礙物方位,根據(jù)障礙物方位即可獲得另一輸入量即機(jī)器人與障礙物間的距離。容易理解,采用逐一查詢方法意味著控制器獲得的障礙物信息來(lái)自于最先被傳感器系統(tǒng)檢測(cè)到的障礙物,而且控制器將根據(jù)最先獲得的障礙物信息來(lái)調(diào)用相應(yīng)的避障策略
10、。因此,當(dāng)有2個(gè)或2個(gè)以上方位有障礙物時(shí),執(zhí)行避障策略時(shí)機(jī)器人有可能與障礙物發(fā)生碰撞。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),只有當(dāng)左邊的最左、較左方位和右邊的最右、較右方位都有一個(gè)或2個(gè)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí),才有可能導(dǎo)致機(jī)器人與障礙物發(fā)生碰撞。為了避免這種情況發(fā)生,將機(jī)器人左右兩邊都發(fā)現(xiàn)障礙物的情況也作為一個(gè)障礙物方位變量,不論機(jī)器人左右2邊是同時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)還是2個(gè)障礙物,都僅設(shè)其模糊語(yǔ)言為左右,設(shè)定相應(yīng)的語(yǔ)言變量為L(zhǎng)R。根據(jù)有利于避碰的原則,將障礙物方位信息的查詢順序確定為:LD,RD,LR,M,BL,BR,ML,MR,L,R(左下,右下,左右,中,最左,最右,較左,較右,左,右從機(jī)器人有效避障并保證盡量少的重復(fù)先前行走軌跡的角
11、度出發(fā),當(dāng)確定了障礙物的方位和機(jī)器人離障礙物的距離后,我們希望模糊控制的輸出量不僅僅是機(jī)器人動(dòng)作集合中某一種動(dòng)作,而是集合里某幾種動(dòng)作的合理組合。因此,針對(duì)不同方位的障礙物信息,對(duì)機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)作集合的7種動(dòng)作 (TR,TRL,GB,SD,GA,TLL,TL進(jìn)行合理組合,即得到相應(yīng)的合成輸出量,記作Fi(i1,2,3。根據(jù)前述方法,最終可歸納出 10種控制規(guī)則,即避障策略,如表2所示。表2 控制規(guī)則表按照障礙物方位信息的查詢順序,其形式是:if(Ai and Dthen Fii1,2,310按照此種方法,在不影響機(jī)器人有效避障和相關(guān)功能的情況下,有效避障的控制規(guī)則大大減少,使避障算法簡(jiǎn)單化。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在智能清潔機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)在一間約10m2的房間中進(jìn)行,在房間中隨機(jī)擺放幾件日常物品作為障礙物,將通過(guò)智能清潔機(jī)器人的行走實(shí)驗(yàn),對(duì)本文所述的智能清潔機(jī)器人測(cè)控系統(tǒng)的軟硬件性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,智能清潔機(jī)器人始終保持直線行走,遇到障礙物時(shí),根據(jù)障礙物信息選擇合適的避障策略避開(kāi)障礙物,然后繼
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