智能掃地機(jī)器人課程設(shè)計

1、1、課題背景及研究的目的和意義1.1 課題背景掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)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(jī)器人的設(shè)計方案。其具有實用價值。室內(nèi)清潔機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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，掃地機(jī)器

2、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(yùn)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(yùn)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(jī)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(jī)器人將停止并改變路線。由于掃地機(jī)器人是一個智能化產(chǎn)品,1.3 工作原理掃地機(jī)器人機(jī)身為可移動裝置，機(jī)器人依托紅外識別以及超聲波測距

3、從而避障，配合芯片控制內(nèi)部電機(jī)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(jī)為核心設(shè)計移動清掃機(jī)器人電機(jī)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(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設(shè)計4.8.2 設(shè)計任務(wù)1）利用AT89S52&理器編程實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。2）液晶顯示掃地機(jī)器人的內(nèi)部參數(shù)。3）當(dāng)掃地機(jī)器人顯示電量不足時，無線模塊發(fā)

4、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(jī)器人充電接口對接，此時超聲波實時測量兩者之間的距離控制掃地機(jī)器人與充電樁之間的距離，防止速度過快損毀機(jī)器。4）按鍵實現(xiàn)充電,清掃，停止3種模式對掃地機(jī)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。4.9.2 系統(tǒng)整體框圖紅外電壓控制驅(qū)動超聲波AT89S52按鍵TFT液晶屏無線模塊4.10.2 選擇方案論證4 單片機(jī)選擇方案論證方案一：使用公司的AT89S52作為主控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器

5、。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。綜上所述，選擇方案一，價格適中，可操作性強(qiáng)，且現(xiàn)在使用AT89S52也是一種難度適中的選擇。4 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

6、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(jī)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(diǎn)回路，從而保護(hù)了三極管。方案三：使用東芝半導(dǎo)體公司TB6612FN區(qū)動芯片。TB6612FN系積小，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(jī)。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乍為清掃電機(jī)驅(qū)動電路。4 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

7、和遠(yuǎn)距離的要求、另外性能強(qiáng)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(qiáng)。方案二：選擇NRF24101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(qiáng)，所以選擇。4 時鐘模塊選擇方案論證方案一：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)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(fèi)，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(qiáng)大，顯示尺寸小巧，管腳占用少，適合單片機(jī)特點(diǎn)。4.11.2 硬件電路設(shè)計4 原理圖設(shè)計4 獨(dú)立式鍵盤設(shè)計綜合掃地人的無線控制，功能模塊分為清

8、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(dú)立式鍵盤設(shè)計結(jié)構(gòu)簡便，設(shè)計可靠。獨(dú)立式按鍵比較簡單，它們各自與獨(dú)立的輸入線相連接，如圖所示獨(dú)立式按鍵原理圖4條輸入線接到單片機(jī)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，Keylnl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Keyln1和+5V就應(yīng)該是等電位，是一個高電平。我們就可以通過Keyln1這個IO口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。4 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

9、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，F(xiàn)1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，F(xiàn)1輸入低電平（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33VLSLElvllRI3.QI施k對5仆峰叫器阻號OL298內(nèi)部°獅即圖OUT26創(chuàng)力電源-IfD-<IN1IN2-ENA,emQxi二：IN4一IN3dENBOUT3OU

10、T4L298引腳符號及功能引腳功能sensasensb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PWM1號IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號OUT1OUT2OUT3OUT4輸出端，與對應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.57VVSS電機(jī)驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓局GND地L298的邏輯功能IN1IN2ena電機(jī)狀態(tài)XX0停止101順時針011逆日卅000停止110停止當(dāng)使能端為高電平時，輸入端IN1為PWM1號,IN2為低電平信號時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號，IN2為PW時號時，電機(jī)反轉(zhuǎn);IN1與IN2相同時，電機(jī)快速停

11、止。當(dāng)使能端為低電平時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。在對直流電動機(jī)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(diǎn)是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，缺點(diǎn)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(jī)的電壓，從而實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。IMl二HVI4清掃電機(jī)驅(qū)動電路高耐壓、大電流復(fù)合晶體管IC-ULN2003ULN2003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(diǎn)如下：ULN200

12、3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CMO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)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)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,電流二500mA輸入電壓=5V,適用于TTL、COM,S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

13、輸出端允許通過電流為200mA飽和壓降VCE約1V左右，耐壓BVCEO勺為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)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003寸，上拉2K的電阻較為合適，同時，COMH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(dú)每個單元驅(qū)動電流最大可達(dá)500mA9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCCW16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(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動

14、的系統(tǒng)。VIM總Jlui10|11IKI(»lIII16QUTI45IX，fUN】t>1If?iqoirT：i1<N-MWtWTfl1401JT3KJFJJTU，jLIJUJHJd1Y31N4rHTA1301)74|1VMs"I斗c'>J"INKtM1Tn6；r?7，IHAOUre118Nf7K+1N73丈71。口w0.rtMF'fcfV'ilvfTnFLi.HLJLLJCYl8N&ULN200?IH-0GND<10aiBF睛掃血機(jī)中動34y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(jī)器

15、人采用超聲波傳感器實現(xiàn)避障。超聲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(jī)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(diǎn)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。紅外線檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)。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(diǎn)：紅外線對透明或半透明的障礙物具備較強(qiáng)的穿透性，機(jī)器人將無法感應(yīng)到礦泉水瓶、落地式玻璃門等物體。止匕外，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(jī)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(diǎn)，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(jī)器人產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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)vrt1紅外測距vetVDDGWOUTO|P32江外時片IJ9于紅外接收模塊無線通信模塊RF903奠塊性能及特點(diǎn)：1)433MHZF放ISM頻段免許可證使用2)最高工作速率50kbps,高效GFS明制，抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場合3）125頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；內(nèi)置

18、硬件CRC僉錯和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制4）低功耗3-3.6V工作，待機(jī)模式下狀態(tài)僅為2.5uA,TXMODE+10dBm情況下，電流為40mARXMOD614mA收發(fā)模式切換時間<650us5）模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），可直接用接各種單片機(jī)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RF905S瑜程接口類似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(qiáng)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，提示用戶當(dāng)前信號質(zhì)量比較

19、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)距離的要求電量剩余檢測電路檢測電池剩余電量使用ADC奠塊，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100-P。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消除；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心否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。

20、比較完畢后，I假存器中的狀態(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I松乎稱量一個未知質(zhì)量的物體時的操作過程一樣，只不過使用的整碼質(zhì)I也一個比一個小一半。I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。|R4TFT"喀IIcadcr3模數(shù)轉(zhuǎn)換降壓電路DF1117系列穩(wěn)壓器可提供1A