掃地機器人-開題報告

1、名希n名號吃CHANGCHUNINSTITUTEOFTECHNOLOGY開題報告設(shè)計題目：基于單片機的掃地機器人設(shè)計學生姓名：王鼎暄學院名稱：電氣與信息工程學院專業(yè)名稱：自動化班級名稱：1142學號：1104421232指導(dǎo)教師：杜波教師職稱：副教授學歷:碩士研究生2015年3月21日開題報告一、選題依據(jù)1 .設(shè)計目的及意義自動掃地機，是一種智能掃地、吸塵工具，是一種配備了微電腦系統(tǒng)的電動保潔設(shè)備，它能能夠按照人們的設(shè)置清潔房間的某一特定部分或全部。清潔機器人最早出現(xiàn)于美國，隨后發(fā)展的歐美，風靡港澳臺，90年代中期進入大陸。國內(nèi)自動掃地機主要幾種品牌：iRobot（美國）、凱馳（德國）、QQ（

2、臺灣）、三葉蟲。帚典）、保時潔（國產(chǎn)）、美嘉樂（國產(chǎn)）、微朗（國產(chǎn)）等。人類的一只腳已經(jīng)邁入了機器人時代的大門，中國10年內(nèi)機器人將融入市民日常生活，機器人將和汽車一樣成為生活必需用具。這些機器人從用途上看，有用于教育類的機器人，有用于服務(wù)類的機器人，有用于制造類的機器人，等等。其中自動掃地機就屬于服務(wù)類的機器人。機器人的發(fā)展就像上世紀80年代的個人電腦、上世紀90年代中期的手機一樣，正處于產(chǎn)業(yè)真正起飛的前夕，巨大的市場前景已經(jīng)展現(xiàn)。資料顯示，2003年至2007年間，全球機器人以每年40%左右的速度增長。據(jù)統(tǒng)計，到2009年年底，全球投入使用的服務(wù)機器人已達到450萬臺。自動掃地機優(yōu)于普通吸

3、塵器的地方主要體現(xiàn)在：省時、省力，整個清潔過程不需要人控制，減輕您操作負擔；還比一般吸塵器的噪音小，清潔房間的過程免受噪音之苦；還可以凈化空氣，內(nèi)置活性炭、吸附空氣中有害物質(zhì)，粉塵凈化率高達96%,清掃效率接近100%;輕便小巧：輕松打掃普通吸塵器清理不到的死角。總之，自動掃地機，具有操作簡單，使用方便、智能、安全、清潔效果顯著的特點。2 .設(shè)計擬解決的工程實際問題本次設(shè)計的掃地機器人有如下技術(shù)指標：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)灰塵識別；（2）實現(xiàn)多種清掃模式；（3）具有防跌落、防撞、自動返回充電等功能；（4）能夠進行電量低、塵盒滿等信息提示；（5）實現(xiàn)無線遙控功能開題報告3 .設(shè)計擬應(yīng)用的現(xiàn)場資料綜述在本

4、設(shè)計中，掃地機的路徑大體分為兩類：面覆蓋的過程，機器人走直線，相當于一個“迂回推進”的過程；從當前點到目標點的尋徑過程，從定位的準確性考慮，路徑段也為直線。開始的時候機器人選擇房間的一個角落（2座墻壁的交接點，便于機器人定位）作為初始點，坐標為（0,0）,即機器人上的p點坐標為（0,0）（本文中的坐標都是指p點坐標），沿一側(cè)墻的方向建立X軸,第一次清掃沿X軸的方向，完成后，返回原點，沿Y軸方向進行第二次清掃。這樣既保證了清潔質(zhì)量，又在很大程度上避免了1次清掃所帶來的死角問題。而且由于2個方向的互補性，并不需要為了遍歷的完整性而采用更為煩雜的路徑，通過2次數(shù)據(jù)融合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機器

5、人的路徑為迂回前進的路徑段，每個路徑段的間隔為機器人清潔機構(gòu)的清掃直徑，碰到障礙物后，機器人的轉(zhuǎn)向900并且側(cè)移20cm,在轉(zhuǎn)向90°,這個動作由控制系統(tǒng)做好保存，直接調(diào)用，記為microl。（在前進過程中，發(fā)生碰撞時，機器人的轉(zhuǎn)向所采取的方向，取值可以為“左“或者“右”，由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。開題報告4 .設(shè)計擬應(yīng)用的文獻綜述根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，擬引用如下參考資料完成本次設(shè)計。智能家庭掃地機器人設(shè)計原理研究與分析對家庭型智能掃地機器人的工作原理進行研究與分析，在實踐中發(fā)現(xiàn)該機器人在工作過程中出現(xiàn)清掃區(qū)域劃分不全、對不規(guī)則物體無法完全規(guī)避和大顆粒物質(zhì)無法吸入掃除等問題，針對以上問題應(yīng)用A

6、T89C51單片機、新型軟碰撞板和大口徑吸塵口等設(shè)計來解決，經(jīng)市場調(diào)研證明了這幾種解決方法的可行性。智能掃地機器人技術(shù)的研究與實現(xiàn)該文自主研發(fā)了一套智能掃地機器人模型機，并研究了智能掃地機器人的定位導(dǎo)航技術(shù)，提出了一套基于傳感器探測生成柵格地圖的智能掃地機器人全覆蓋路徑規(guī)劃算法。經(jīng)過研究現(xiàn)有智能掃地機器人的技術(shù)指標和功能特點，本文選擇了航跡推測定位方法、柵格地圖的地圖建立方法和單元區(qū)域分割的路徑規(guī)劃方法。硬件上以STM32F103Z為微控制器，處理傳感器系統(tǒng)提供的各類環(huán)境信息，根據(jù)既定算法驅(qū)動機器人按照規(guī)定的路徑移動。軟件上以傳感器、電機的底層驅(qū)動為基礎(chǔ)，以運算和數(shù)據(jù)處理為核心，以全覆蓋路徑生

7、成為應(yīng)用，完成智能掃地機器人既定功能。本文秉承易于操作、控制成本、提升效率三個出發(fā)點，著眼原理分析、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計三個角度，沿著理論可行、功能實現(xiàn)、算法優(yōu)化的順序，就智能掃地機器人相關(guān)的傳感器技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、路徑規(guī)劃算法逐一進行了展開、描述和討論。家庭清掃機器人的電源自動對接系統(tǒng)家庭清掃機器人的自動充電功能是家庭清掃機器人系統(tǒng)的一個重要方面。由于機器人清掃過程中的電量需求比較大一次充電幾乎不可能完成所有的清掃任務(wù)，因此，對于清掃機器人，如何能夠有效尋找充電站并進行自動對接是衡量清掃機器人性能的一個重要指標。鑒于此，本文對家庭清掃機器人的自動充電問題進行了詳細地研究。本文首先介紹了國內(nèi)外

8、家庭清掃機器人的研究現(xiàn)狀和自動充電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。接著，介紹了在仿真環(huán)境中采取的基于柵格地圖的環(huán)境建模方法，以及為了模擬實際的環(huán)境，采用顏色識別法來識別靜態(tài)障礙物和地面?？紤]到實際應(yīng)用，在尋找充電站之前將原有的地圖進行了坐標平移，以機器人需要充電的位置為原點來構(gòu)建新的地圖。并且有針對性地介紹了機器人和充電站所具有的一些功能，這些功能是仿真算法進行的前提條件。機器人與充電站的對接分為近程對接與遠程對接兩個方面。在遠程又t接中，采用了基于柵格地圖的外螺旋搜索算法。由于在環(huán)境中可能存在障礙物，因此還介紹了尋找目標的過程中，機器人如何有效地靜態(tài)障礙物的策略。接著討論了機器人如何在多個房間內(nèi)尋找充電站的

9、過程。機器人的近程對接分為目標跟蹤階段，目標對接階段和斷點恢復(fù)階段三個階段，這一部分的內(nèi)容在第四章做了重點的介紹。最后,開發(fā)了機器人自動充電系統(tǒng)的仿真平臺，并利用該平臺分別進行了在單個房間和多個房間中機器人尋找充電器的仿真實驗，用來驗證所提出的模型和算法的可行性和正確性。5 .設(shè)計相關(guān)的國內(nèi)外現(xiàn)狀現(xiàn)在國內(nèi)外市場掃地機器人推出速度如雨后春筍，國外品牌中，美國iRobot和Neato掃地機器人比較熱門，國內(nèi)目前比較知名的有科沃斯、地貝、?，斕氐?，其中作為進入掃地機市場的臺灣ProsceniG也是比較熱門的一個品牌。現(xiàn)在有5款掃地機器人來到太平洋家電評測室，包括歐美iRobot、國內(nèi)科沃斯、臺灣Pr

10、oscenic以及國產(chǎn)智寶和KV8。本文將從整體外觀、特色功能、清掃能力等多角度進行對比評測，讓五大機器決一高下，看誰的清掃能力更猛。研究現(xiàn)狀：自動掃地機作為服務(wù)機器人領(lǐng)域中的一個新產(chǎn)品，盡管目前國內(nèi)在這方面的研究開發(fā)方面已經(jīng)取得一定的成果，但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決或提高，如路徑規(guī)劃就是其中的一個比較重要的技術(shù)。有的可在房間內(nèi)隨機移動，有的能在單個房間內(nèi)較簡單地以一定的路線移動（不能100%走遍）。事實上，雖然有一些公司推出了一些樣品或產(chǎn)品，但卻不能達到滿意程度：清潔效果不佳，遍歷時間長。目前，在一些發(fā)達國家的辦公室、工廠、車站、機場等場所已廣泛使用到自動掃地機。隨著科學技術(shù)的進步和社

11、會的發(fā)展，人們希望更多地從繁瑣的日常事務(wù)中解脫出來，這就使得自動掃地機進人家庭成為可能。如果自動掃地機性價比足夠高，那么自動掃地機市場將會被看好。二、設(shè)計方案及技術(shù)路線為實現(xiàn)以上指標，將掃地機器人設(shè)計為5部分組成：系統(tǒng)主控制部分、執(zhí)行電機部分、傳感器部分、輸入輸出部分和電源部分。主控系統(tǒng)使用單片機AT89C52控制，包括紅外遙控接收模塊，對輸入輸出器件的操作，對執(zhí)行電機的控制，以及對傳感器的響應(yīng)等。執(zhí)行電機部分是吸塵機器人的主要構(gòu)成部分，包括行走驅(qū)動子系統(tǒng)和吸塵子系統(tǒng)。行走結(jié)構(gòu)采用輪式結(jié)構(gòu)，圓形殼體，底盤為三輪電動小車，前面兩輪由兩個電機獨立驅(qū)動，后輪為萬向輪。吸塵系統(tǒng)用電機帶動清掃刷的轉(zhuǎn)動，

12、清掃灰塵并將灰塵集中于吸風口處，由吸塵機構(gòu)制造強大的吸力將灰塵吸入灰塵存儲箱中。在清掃吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦除殘留在地面上的細小灰塵。輪子電機、吸塵電機和毛刷電機使用的都是無刷直流電機；傳感器部分即檢測子系統(tǒng)，主要為了保障機器人能夠安全地工作；輸入輸出部分包括遙控子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)，能夠較好地實現(xiàn)人機交互的功能；電源部分采用可充電的5伏鋰電池。二、可能存在的問題智能家庭清掃機器人發(fā)展至今已經(jīng)基本普及，雖然智能掃地機器人體積小巧，清掃區(qū)域相對于其他吸塵機器來說更廣，減輕人類操作的負擔等等優(yōu)點，但仍有一定不足。以下為本文對智能家庭清掃機器人分析研究后發(fā)現(xiàn)的問題。(1)清潔區(qū)域劃定不全(2)對不規(guī)則和柱形物體有一定破壞(3)對大顆粒物質(zhì)清潔力度不夠四、設(shè)計成果五、進度計劃K、參考資料1李伯成.基于MCS-51單片機的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計M,電子工業(yè)出版社.2ThoamasL.Floyd.數(shù)字電子技術(shù)(第九版)M.電子工業(yè)出版社.3胡廣書.數(shù)字信號處理理論、算法與實現(xiàn)(第二版)M.清華大學出版社.4黃繼昌.傳感器工作原理及應(yīng)用實例M.北京：人民郵電出版社，19985羅慶生，韓寶玲.一種基于超聲波與紅外線探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)J.計算機測量與控制，2005,(4):304-3066趙海鳴，卜英勇，王紀嬋，周知進.一種高精度超聲波測距方法的研究J.湖南