智能清掃機器人

1、摘要總體方案是設計一個自主控機器人，在一個模擬的平面結構內運動，移動機器人本體，完成自主移動、避障功能。盡快遍歷每一個角落，完成任務，這個工作受多個因素的影響。其中在現(xiàn)實生活中清潔機器人清理的過程中，利用了機器人自身的傳感系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和自主蔽障系統(tǒng)，自動記錄時間系統(tǒng)等。整個系統(tǒng)的電路結構簡單，可靠性能高。實驗測試結果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設計方法及測試結果分析。采用的技術主要有：(1)通過編程來控制小車的速度；(2)傳感器的有效應用；關鍵詞80C51單片機、光電檢測器、PWM調速、電動小車、舵機,國內外研究現(xiàn)況在日本，東日本鐵路公司、shinko電器公司和HowaX業(yè)有限公

2、司聯(lián)合研制了車站地面清掃機器人.機器人可沿墻壁從任何一個位置自動啟動.利用不斷旋轉的刷子將廢棄物掃入白帶容器中1日本靜甲株式會社的清水工廠開發(fā)出一種自動清掃機器人.可用于各種工廠的清掃工作.機器人采用光纖陀螺控制方向.采用編碼器和超聲波傳感器測距.采用光學探測器探測障礙物機器人的四周裝有橡膠墊.橡膠墊內部裝有觸覺傳感器.一旦機器人與人接觸.觸覺傳感器信號會使機器人停下來1以保證人的安全Br-3這些應用還都是用于工業(yè)或者公共的場合.真正具有里程碑意義的是2002年9月清潔機器人Roomba美國面市.這是一款面向家庭的機器人。重約2ky直徑為762mm(30").具有高度自主能力.可以游

3、走于房間各家具縫隙間.靈巧地完成清掃工作.據(jù)說這是將用于軍事的“躲避地雷的移動技術，應用到了吸塵器上。"Roomba的動作有點遲緩.但卻能穩(wěn)定安全地完成任務由于能夠在完成任務后自動切斷電源.所以可以在外出期間讓'Roomba在家進行清掃英國法國和澳大利亞也都推出過清潔機器人產(chǎn)品在國內，對清潔機器人相關技術如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃機器人控制、電源與電源管理、動力驅動等技術的研究.哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等高校，也對清潔機器人進行了大量的研究，并取得了一些成果，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質和技術基礎2 .設計思路為了制作一個能夠覆蓋

4、全區(qū)域的清潔機器人，首先是設計一個移動的平臺。為了簡便起見，設計了兩輪車身，兩個后輪做主動輪，主動輪用兩個直流電機。從動輪用一個萬向輪。清掃裝置用一個伺服電機帶動一個灰塵刮和一個刷子，產(chǎn)生推動力達到除塵的目的。在車身前部放置一個儲存垃圾的箱體。在車身的最后還設計了一個抹地機械手，進一步達到清潔的目的，機械手下帶有灑水除塵裝置，機械手上面的水箱帶有一個用伺服電機控制的門，用來控制灑水量。車身上部安裝了一個光電開關，以達到避障的作用。3 .電子電路的設計采用一塊彳處理器STC89C52為控制系統(tǒng)的核心，負責控制電機、障礙檢測信號處理、舵機控制、液晶顯示等。電機驅動模塊采用單片機作為電機的控制單元，

5、使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化,從而實現(xiàn)電機調速。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM信號輸出到電機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小。直流電機控制，液晶顯示模塊和單片機最小系統(tǒng)由一個電源供電。障礙檢測模塊用于檢測小車前進路上的障礙物，如有障礙則進行避讓。液晶顯示模塊用于顯示當前小車運行狀態(tài)。1 .機械方案的設計小車的驅動設計為二輪驅動。而二輪驅動又分為前輪和后輪驅動。后輪驅動的好處是：轉向性能得到改善。前輪是轉向輪，使得轉向時的行駛方向容易控制，不容易出現(xiàn)過度轉向的現(xiàn)象，轉向安全性也得到提高。2 .車體結構設計為了滿足機器人的

6、性能要求，機器人的機械結構應該具有穩(wěn)定性，運動靈活性和足夠強度的特點，同時尺寸要小，容量要大，重量要輕。清掃小車的機械結構組成部分主要有：車體的設計，傳感器的安裝。為了保證小車良好的直線性，采用雙電機驅動左右兩輪的方式，在車體的前端裝有一個不銹鋼萬向滾珠，這樣可以使小車獲取較好的機動性和靈活性。底盤采用鋁合金框架，以增大其堅固性，減輕重量。3 .單片機STC89C52勺系統(tǒng)設計由于51系列單片機在我國普及的時間比較早，開發(fā)和應用的實例比較多，在學習編寫程序時有豐富的實例可以參考和借鑒。因此，我選擇51系列單片機進行控制。本設計中我選用了STC公司的STC89C52。3.1 STC89C52的特

7、點STC89C52具有以下幾個特點：STC89C52與MCS-51系列的單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容；片內有8k字節(jié)在線可重復編程快擦寫程序存儲器；全靜態(tài)工作，工作范圍：0Hz33MHz;三級程序存儲器加密；128X8位內部RAM;32位雙向輸入輸出線；兩個十六位定時器/計數(shù)器；五個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級；一個全雙工的異步用行口；間歇和掉電兩種工作方式。3.2 STC89C52的功能描述STC89C52是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器,片內有8k字節(jié)的在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)

8、和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能5。STC89C52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于8k,四個I/O口全部提供給用戶。可用5V電壓編程，而且擦寫時間僅需10毫秒，僅為8751/87C51的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬（2.7V6V）,全靜態(tài)工作，工作頻率寬在0Hz24MHz之間，比8751/87C51等51系列的6MHz12MHz更具

9、有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。STC89C52芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀/寫操作。3.3 STC89C52弓唧功能STC89C52單片機為40弓|腳芯片如圖4-1。1P1.0VCCPl.lP0.0Pl.2P01Pl.3P0,2Pl.4P0,3PL5P0.4Pl.6P0,5PL7P0,6RESETP0.7FJ.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.1P3.4P2,6P3.5P2,5P3.6P2,4P3,7P2,3XTAL2P2,2XTAL1P2.1GN

10、DP2.0402393394375356箋7343339321031113012231328142715261百251?24132319222021AT69C51圖4-1STC89C52管腳圖口線：P0、P1、P2、P3共四個八位口。P0口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀/寫操作。P0也用以輸出外部存儲器的低8位地圖1址。由于是分時輸出，故應在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號用ALE。P1口是專門供用戶使用的I/O，是準雙向口。P2是從系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用。不擴展外部存儲器時，P2口也可以作為用戶I/O口線使用，P2也是準雙向口。P3口是雙功

11、能口，該口的每一位均可獨立地定義為第一I/O功能或第二I/O功能。作為第一功能使用時操作同P1口。P3口的第二功能如表4-1所示。（2）控制口線：PSEN（片外選取控制）、ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲器選擇）、RESET（復位控制）；（3）電源及時鐘：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法。3.4 STC89C52復位電路設計89系列單片機與其他微處理器一樣，在啟動時都需要復位，使CPU及系統(tǒng)各部表4-1P3口的第二功能端口功能各個功能P3.0RXD（串行口輸入端）P3.1TXD（串行口輸出端）P3.2INT0（外部中斷0請求輸入端，低電平有效）P3.3INT1（外部中斷1請

12、求輸入端，低電平有效）P3.4P3.5P3.6P3.7T0（定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端）T1（定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端）WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始工作。單片機的外部復位電路有上電自動復位和按鍵手動復位兩種。上電復位利用電容器充電來實現(xiàn)。上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖。只要RST引腳端保持10ms以上高電平，就能使單片機有效地復位。vccp-iVCCCl'IQiiFAT89C51RSTRI圖4-2上電復位電路按鍵手動復位又分為：按鍵電平復位和按鍵脈沖復

13、位。按鍵電平復位相當于按復位鍵后復位端通過電阻與Vu電源接通；按鍵脈沖復位利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖在這里，采用按鍵脈沖復位（如圖4-3）,當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作很快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以能滿足復位的時間要求。|vccvccAT83C51RSTGND圖4-3手動復位電路在實際的應用系統(tǒng)中，有些外圍芯片也需要復位，如果這些復位端的復位電平要求與單片機的復位要求一致，則可以與之相連。在有些應用系統(tǒng)中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC電路接斯密特電路后，再接入單片機復位端和外圍電路復位端。這特別適合于應用現(xiàn)場干擾大、電壓波動大的工作環(huán)

14、境。并且，當系統(tǒng)有多個復位端時，能保證可靠地同步復位，在此稱其為同步復位電路。4 .電機驅動模塊的設計為了使選定的電機在峰值轉矩下以最高轉速驅動負載，電機的功率估算如下:Pm二(1.5-2.5)Mp.'p1020(4-1)式中：Mp為峰值轉矩8P為最大角速度，本系統(tǒng)為20rad/s”為傳動效率，一般為0.80.9由上式求得電機的功率要在21.2瓦以上，對系統(tǒng)的各種性能和參數(shù)進行分析后，我們選用功率為35瓦，120轉/分的直流電動機作為機器人的行走電機。運動控制器芯片輸出PWM(pulsewidthmodulation)信號，電壓為脈沖形式,由于輸出的電流很小，不能驅動電機。使用電機驅動

15、芯片的目的就是將運動控制器的輸出電流放大，從而獲得足夠大的功率，驅動電機轉動。驅動芯片的工作原理非常簡單，即利用晶體三極管能放大電流的原理，將基極的電流放大到100m以上然后從發(fā)射極輸出。本驅動系統(tǒng)選用的是意法半導體聯(lián)合公司SGS-Thomsor)生產(chǎn)的電機驅動芯片L298N。L298N為含有15個引腳的直插式芯片。L298N具有以下主要性能：(1)體積?。洪L*寬*高=19.6mm*17.5mm*5mm;(2)操作電壓范圍大：操作電壓范圍從4V到46V;(3)抗干擾能力強：低于1.5V的電壓均視為低電平，對噪聲由較強的抑制作用；(4)配備散熱片，減少溫度對電子元器件的影響；(5)邏輯電平為十5

16、V;(6)工作效率高：一塊L298N可以驅動2臺電機，故機器人只需配備一塊L298N;(7)輸出電流大：L298N可以將電流放大到4A;機器人采用專業(yè)驅動芯片L298N為主構成驅動電路。它內部包含4通道邏輯驅動電路。具額定工作電流為2A,最大可達4A,Vss電壓最小4.5V,最大可達46V。L298N可以驅動兩個二相電機，如圖圖4-6所示：輸出電壓最高可達46V,可以直接通過電源來調節(jié)輸出電壓，由于其工作電流在22.5A之間，故滿足我們的要求。而且電路簡單，使用比較方便。在使用L298N時，可以用L297來提供時序信號，這樣可以節(jié)省單片機I/O口的使用，也可以直接用單片機輸出時序信號。在電路設

17、計時，檢測電阻Rs必須考慮以下幾種選擇因素：電阻本身可達到的功耗L298N允許的檢測電壓為2.3V,超過這一幅度芯片會自動保護。允許電流和功率限制。假設可能出現(xiàn)的最大電流為IMAX,驅動電源電壓為U,采樣電阻阻值為Rs,由以上條件我們得出：1RSXIMAX<2.3MMAX<2(4-3)(U-0.7)MMAX<25我們采用的驅動電源為12V,故計算得出RS=1C比較合適。機器人的速度的大小采用PWM方法進行控制。PWM控制就是周期T固定不變，根據(jù)輸入信號的大小，用軟件改變脈沖的占空比，即可改變電機的平均電壓，從而控制電機的轉速，所以也稱為脈寬調制。PWM調速通常配合橋式驅動電路

18、對直流電機進行調速，其調速范圍也很寬。在本驅動電路中由于開關管存在開通和關斷時間，因此造成了上下橋路直通短路的問題，直通短路的存在，容易使開關管發(fā)熱，甚至導致燒毀，而且電機在正反轉切換時存在著死區(qū)時間的問題，但在正轉啟動和反轉啟動時沒有。故解決這一問題可從硬件電路和軟件兩個方面下手，硬件電路解決較麻煩還存在不穩(wěn)定因素，因此利用軟件解決是最好的辦法6o5.舵機的模塊伺服電機簡稱舵機，是自動裝置中的執(zhí)行元件，它最大的特點是可控。在有控制信號時，舵機就轉動，且轉速大小正比于控制電壓的大小，除去控制信號電壓后，舵機就會即停止轉動。舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系

19、統(tǒng)。減速齒輪組由電機驅動，其輸出端帶動一個線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉角坐標轉換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅動電機正向或反向轉動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖最終趨于零，從而達到使舵機精確定位的目的。舵機主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。標準的舵機有三條控制線，分別為電源、地及控制。電源線與地線用于提供內部的直流電機及控制電路所需要的能源，電壓通常介于4V6V之間，該電源應盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。本設計選用國產(chǎn)的SG-5001型號的

20、舵機。此舵機可以達到控制上的精度而且價格便宜。舵機電源引線三條線中橙色的線是控制線，連到控制芯片上。紅色的線是電源正極線，工作電壓是5V。黑色的是地線。舵機的工作原理：舵機的控制端需輸入周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms2ms,而低電平時間應在5ms20ms,并不很嚴格。表4-2表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂在180度范圍內轉動時與輸入脈沖的對應關系。舵機的瞬時運動速度是由其內部的直流電機和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅動下，其數(shù)值唯一。但其平均運動速度可通過分段停頓的控制方式來改變。單片機可以產(chǎn)生PWM信號，由AT8

21、9C51得P3.1端口輸出。輸出得PWM信號通過光耦隔離傳送到舵機中。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后剔除干擾，產(chǎn)生標準的PWM方波信號，我在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用模塊化的供電供電方式，通過光耦來隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的電源。為了保證電流我設計的電源模塊是用7805構成的單獨電源，為指定的負載供電。表4-2特定周期下正脈沖寬度與輸出角度關系輸入正脈沖寬度（周期為20ms）伺服電機輸出臂位置_ne_0.5msLJ-90°c1.0msLJ-45&#

22、176;r'c1.5msL-J-0°_E.112.0msrI-45°.*.J_12.5msr90°6,避障傳感器電路模塊的設計紅外避障傳感器原理，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測110，0我們所使用的紅外避障傳感器E18-D80NK是一個NPN型的開關量傳感器，當沒有障礙物時輸出高電平；有障礙物時輸出低電平。正常工作電流為20mA,最大工作電流可以達到100mA,可以

23、直接驅動5V直流繼電器的。紅外避障傳感器前端增加了透鏡，利用其焦距作用，傳感器最遠探測80cm處的物體。對障礙物的感應距離可以根據(jù)要求通過后部的旋鈕進行調節(jié)。該傳感器的輸出信號類型為開關量，可以直接和CPU連接。該傳感器內部集成了放大，比較，調制等電路。使用該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，使用廣泛11o本模塊主要由單片機STC89C52,紅外避障傳感器組成，其中紅外避障傳感器用于檢測是否有障礙物，單片機作為本模塊的關鍵器件用于對光電開關檢測的信號進行判斷和分析，確定出前方障礙的大體情況，并為主控制器提供信號，配合主控制器發(fā)出動作指令。.顯示模塊的設計

24、液晶顯示器作為一種低功耗顯示器件，廣泛應用于計算器、數(shù)字式儀表等低功耗系統(tǒng)中。但一般使用的液晶顯示器均為七段筆劃式，只能顯示數(shù)字和少量字符，對于較復雜的字符或圖形則無能為力。而點陣式液晶顯示模塊可以顯示各種各樣的字符（包括簡單的漢字）,而且點陣顯示模塊具有可編程能力，與單片機接方便。由于以上優(yōu)點，點陣式液晶顯示模塊獲得了廣泛的應用。本設計中液晶顯示模塊選用了JM12864K型液晶顯示器與AT89C51單片機的組合使用，用于顯示仿生爬蟲在運動過程中的狀態(tài)。JM12864K漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X25

25、6點陣顯示RAM（GDRAM）。主要技術參數(shù)和顯示特性：電源：VDD3.3V+5V（內置升壓電路，無需負壓）；顯示內容：128歹UX64行顯示顏色：黃綠顯示角度：6:00鐘直視LCD類型：STN與MCU接口：8位或4位并行/3位用行配置LED背光多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等邏輯工作電壓（VDD）:4.55.5V電源地（GND）:0V工作溫度（Ta）:060c（常溫）/-2075c（寬溫）表4-312864引腳1VSS模塊的電源地2VDD模塊的電源正端3V0LCD驅動電壓輸入端4RS(CS)并行的指令/數(shù)據(jù)選擇信號；串行的片選信號5R/W(SID)并行的讀寫選擇信號；

26、串行的數(shù)據(jù)口6E(CLK)并行的使能信號；串行的同步時鐘7DB0數(shù)據(jù)08DB1數(shù)據(jù)19DB2數(shù)據(jù)210DB3數(shù)據(jù)311DB4數(shù)據(jù)412DB5數(shù)據(jù)513DB6數(shù)據(jù)614DB7數(shù)據(jù)715PSB并/串行接口選擇：H-并行；L-串行161718NC/RETNC19LED_A20LED_K空腳復位低電平有效空腳背光源正極（LED+5V背光源負極（LED-OV.電源供給模塊的設計電源供給模塊是機器人系統(tǒng)提供能源的裝置，當電池的輸出電壓發(fā)生波動時，及負載電路發(fā)生變化時，為了保證數(shù)字電路芯片的邏輯電平不受影響，使機器人能正常的工作，要求電源電壓盡量保持穩(wěn)定，有必要使用穩(wěn)壓芯片。我們選用的直流電機使用的是直流12V電源，驅動電路的供電電源為直流12V電源，驅動電路的輸入信號采用的是5V系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)也采用5V電壓供電。為了提供CPU使用5伏的電源采用的是7805芯片，同時在電源的正極與地線之間加上了去耦電容，它可以作為儲能元件，它吸收或提供該集成電路內部三極管導通、截止引起的電流變化，從而降低系統(tǒng)噪聲。本系統(tǒng)中，為了給數(shù)字部分的電路提供5V的穩(wěn)定電源，我們選用的是美國德州儀器公司生產(chǎn)的芯片：UA7805。它的輸入電壓范圍是7-25V;輸出電壓的范圍是4.8-5.2V。該芯片除了具有良好的穩(wěn)壓功能外，還包含過載保護電路，散熱