智能控制系統(tǒng)的掃地設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGN學(xué)院（部）：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：年月日掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要目前，各式各樣的服務(wù)機(jī)器人越來越多應(yīng)用于人們的生活中，從事著與人們生活息息相關(guān)的服務(wù)工作，極大地提高和改善了人們的生活質(zhì)量。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人就是在這種背景下誕生的一種家庭服務(wù)機(jī)器人。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的途徑規(guī)劃采用區(qū)域充滿的規(guī)劃方法，目的是在設(shè)定區(qū)域內(nèi)尋找一條從始點(diǎn)到終點(diǎn)且通過所有可達(dá)點(diǎn)的連續(xù)途徑。根據(jù)建立的掃地機(jī)器人平臺(tái)，提出清掃機(jī)器人隨機(jī)運(yùn)動(dòng)途徑規(guī)劃算法。機(jī)器人運(yùn)用其上安裝的紅外傳感器和攝像頭來辨認(rèn)和感知房間環(huán)境，機(jī)器人開始以螺旋運(yùn)動(dòng)方式覆蓋房間的空白區(qū)域，當(dāng)碰到障礙物時(shí)，啟動(dòng)障礙物應(yīng)對策略，通過計(jì)算機(jī)軟件仿真和在房間環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人，單片機(jī)，環(huán)境辨認(rèn)，途徑規(guī)劃

SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTAtpresenttime,moreandmorevariousofservicerobotsaredesignedandappliedtopeople’sdailylife.Theapplicationoftheserobotsispromotingthequalityofpeople’slifetremendouslyastheydealwiththeworksrelatedtopeople’slifeclosely.Indoorautomaticcleaningrobotisoneoftheseservicerobotsdevelopedtohelppeopletocarryoutthetroublesomeroomcleaningwork.ThepathplanningalgorithmofIndoorAutomaticCleaningRobotshouldspreadovertheroomareausingtheareafillingpathplanningalgorithmtofindacontinuouspathfromstarttoend.Arandommovingpathplanningalgorithmisputforwardbasedontheplatform.Thecleaningrobotidentifiestheroomenvironmentusingtheinfraredtransducerandthecameraoutfittedonitsbody.Movinginthespiralmotionmodewiththegraduallyenlargingradius,therobotbeginstoexploreandcleantheblankarea.Whileitencountersobstacleslikewallorfurniture,itwillstartthestrategyofdealingwithobstacles.Thisalgorithmisvalidatedthroughcomputersimulationandrobotexperiment.KEYWORDS:cleaningrobot,singlechipmicrocomputer,environmentidentification,pathplanning

1緒論1.1引言自動(dòng)掃地機(jī)器人是當(dāng)今服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從理論和技術(shù)上講，自動(dòng)掃地機(jī)器人比較具體的體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性；從市場上前景講，自動(dòng)掃地機(jī)器人將大大減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，合用于賓館﹑酒店﹑圖書館﹑辦公場合和大眾家庭。因此開發(fā)自動(dòng)掃地機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場前景。1.2研究現(xiàn)狀：自從192023英國人發(fā)明了第一臺(tái)掃地機(jī)，至今為止掃地機(jī)的發(fā)展歷史已有近百年。而后日本、美國、德國、英國等國家就開始了掃地機(jī)的批量生產(chǎn)。目前，國外先進(jìn)的掃地機(jī)都在不斷地提高智能水平。吸掃式小型掃地機(jī)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的小型掃地機(jī)品種，通常有盤型刷和風(fēng)機(jī)、風(fēng)管道、吸塵嘴等部分。盤刷的設(shè)立加強(qiáng)了對馬路邊溝的清掃，增長了清掃寬度。盤型刷將側(cè)面的垃圾掃到吸塵嘴的工作區(qū)域，再由吸塵系統(tǒng)將垃圾吸入機(jī)內(nèi)的垃圾箱。吸掃式小型掃地機(jī)適合于任何道路環(huán)境的清掃，對污物、塵土都有很好的清掃效果，工作效率高。智能化掃地機(jī)不僅給公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益。1.2.1途徑規(guī)劃技術(shù)途徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點(diǎn)和目的點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的途徑,并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理的途徑覆蓋,實(shí)質(zhì)就是掃地機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的導(dǎo)航和避碰。1.2.2多傳感器融合技術(shù)為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。吸塵機(jī)器人都采用了大量的傳感器,有效地把大量的傳感器觀測信息融合解決,使機(jī)器人獲得最大量的外部環(huán)境信息,運(yùn)用多傳感器融合技術(shù)可以提高移動(dòng)機(jī)器人定位、障礙物辨認(rèn)、環(huán)境建模、避障的精度。1.2.3電源技術(shù)移動(dòng)電源需同時(shí)為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。電源在放電過程中具有:①保持恒定的電壓;②內(nèi)阻小以便快速放電;③可充電;④成本低等特點(diǎn)。依托以上關(guān)鍵技術(shù),可實(shí)現(xiàn)以下產(chǎn)品功能:1.自動(dòng)檢測垃圾并對較臟的區(qū)域重點(diǎn)清掃2.自動(dòng)尋找智能充電座回去充電3.定期清掃4.當(dāng)機(jī)器被卡住能自動(dòng)擺脫5.支持遙控6.邊角清掃程序7.不反復(fù)清潔、不留死角和樓梯防跌落功能1.3研究內(nèi)容：1.3.1自動(dòng)返回充電功能啟動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)充電模式，它在完畢工作后會(huì)自動(dòng)返回充電并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。用戶只要打開機(jī)器人，剩下的清潔工作就不用緊張了。1.3.2具有預(yù)約定期自動(dòng)清掃功能可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時(shí)間，可以放心上班和出差，也可以自動(dòng)打掃。1.3.3脫困功能可以順利跳過2CM高的電線等雜物，具有聰明的擺脫困境功能，入遇困境，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)嘗試用各種辦法擺脫困境。1.3.4防跌落功能在樓梯，會(huì)議桌等地方工作也不用緊張機(jī)器會(huì)跌落而導(dǎo)致順壞及危險(xiǎn)，機(jī)器人自動(dòng)感知到危險(xiǎn)而避開。1.3.5液晶顯示屏智能報(bào)警提醒智能辨認(rèn)系統(tǒng)可以幫助您判斷機(jī)器人使用過程中出現(xiàn)的問題，智能辨認(rèn)系統(tǒng)可以自動(dòng)辨認(rèn)各種異常情況。1.3.6機(jī)靈邊刷單獨(dú)的邊刷控制邊刷高速旋轉(zhuǎn)，將墻角/墻邊的垃圾清掃出來并進(jìn)入塵盒，真正的有效清掃邊角灰塵。1.3.7解決智能掃地機(jī)反復(fù)清理一個(gè)地方的問題1.4論文重要完畢的工作課題重要完畢的工作涉及清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及實(shí)驗(yàn)。1.4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)部分涉及機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。1.4.2避障系統(tǒng)控制方案涉及機(jī)器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的擬定和控制算法的選擇。1.4.3控制系統(tǒng)硬件部分涉及單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和傳感器檢測硬件電路設(shè)計(jì)。1.4.4控制系統(tǒng)軟件部分涉及單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

2單片機(jī)2.1單片機(jī)簡介常用英文字母的縮寫MCU表達(dá)單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完畢某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。單片機(jī)由運(yùn)算器，控制器，存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相稱于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)（最小系統(tǒng)），和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都具有單片機(jī)。汽車上一般配備40多片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至也許有數(shù)百片單片機(jī)在同時(shí)工作。2.1.1硬件特性1、單片機(jī)涉及CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2個(gè)16位定期/計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡樸，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化；3、單片機(jī)可靠性高；4、解決功能強(qiáng)，速度快。5、低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品6、控制功能強(qiáng)7、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。2.2AT89C51單片機(jī)本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測和控制核心。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央解決器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。2.2.1AT89C51重要性能參數(shù)1.與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2.有4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器3.有1000次的擦寫周期4.全靜態(tài)操作：0Hz~24MHz5.有128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM6.有32個(gè)可編程I/O口7.有2個(gè)16位定期/計(jì)數(shù)器8.有6個(gè)中斷源9.低功率空閑和掉電模式2.2.2AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，兩個(gè)16位定期/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可將至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定期/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并嚴(yán)禁其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。2.2.3AT89C51引腳VCC：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作輸出口用時(shí)，每位能吸取電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)攜帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸取或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，由于內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。P2口：P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸取或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，由于內(nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。圖2.1AT89C51芯片P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸取或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的圖2.1AT89C51芯片表2.1端口引腳第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3,3（外中斷1）P3.4T0（定期/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定期/計(jì)數(shù)器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

3智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析用紅外傳感器、光電傳感器、接觸傳感器完畢自動(dòng)避障。用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。運(yùn)用PWM技術(shù)來動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)行進(jìn)、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合最大限度地運(yùn)用AT89C51單片機(jī)的所有資源。P0口用于數(shù)碼管顯示，P1口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P2、P3口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：充足運(yùn)用了單片機(jī)的內(nèi)部資源,減少了總體設(shè)計(jì)的成本。總系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖3.1智能掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖傳感器系統(tǒng)是掃地機(jī)的感覺器官,負(fù)責(zé)采集環(huán)境障礙物和自身狀態(tài)的信息，是掃地機(jī)的重要組成部分，由多傳感器及相關(guān)信號(hào)解決電路組成。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，傳感器系統(tǒng)為掃地機(jī)的正常工作發(fā)揮著無可替代的作用。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能越好，自動(dòng)避障和途徑規(guī)劃方案就越容易實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的程序就更容易編寫和執(zhí)行，掃地機(jī)系統(tǒng)的整體性能也就越好。移動(dòng)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大體可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩大類。內(nèi)傳感器重要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比如速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器重要有測速發(fā)電機(jī)、加速度計(jì)、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器涉及CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的重要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息，以實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的自主避障。由此可見，傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機(jī)自動(dòng)避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對工作環(huán)境下的障礙物信息，可以通過外部傳感器獲得，移動(dòng)機(jī)器人上常用的探測障礙物的傳感器重要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。超聲波傳感器是運(yùn)用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、可以成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，特別是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器通過計(jì)算超聲波的發(fā)射接受時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)定量測距。超聲波傳感器波束較寬，方向性差，但是其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，探測距離遠(yuǎn)，采集信息速度快，且比一般視覺傳感器和激光測距儀都要便宜，因此在許多方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測視角小、方向性好、信號(hào)解決簡樸和反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其受環(huán)境影響較大，當(dāng)探測頭被灰塵等污染后，其探測性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它一方面把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反映快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，并且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡樸，形式靈活多樣，它的探測距離比較近，從幾個(gè)毫米到幾十厘米不等。因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器通過與被測物體的接觸來擬定被測物體的相關(guān)信息，如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器重要有限位開關(guān)、接觸開關(guān)等，這些傳感器結(jié)構(gòu)簡樸、信號(hào)易解決、適應(yīng)能力強(qiáng)且價(jià)格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的局部導(dǎo)航。通過對比分析，本設(shè)計(jì)方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機(jī)周邊位置上，通過相應(yīng)的信號(hào)解決電路與微解決器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策，實(shí)現(xiàn)自主避障。3.1.1測速裝置模塊測速信號(hào)通過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再運(yùn)用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生若干個(gè)脈沖信號(hào)，據(jù)此可以算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。這種簡易的光電開關(guān)測速法成本低，性能可靠，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，精度沒有嚴(yán)格規(guī)定的情況下使用，這種測速裝置可以構(gòu)成里程計(jì)。根據(jù)里程計(jì)的返回脈沖數(shù)可以計(jì)算出電機(jī)行走的距離，并間接得到行走速度。圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖3.1圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖碰撞檢測采用霍爾元件EW462，芯片的內(nèi)部原理框圖如圖3-4所示，芯片的工作方式如圖3-5所示。芯片的供電電壓范圍為4.5V~18V，靈敏度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為15mA。當(dāng)芯片的正上方有S極磁場時(shí)，霍爾元件輸出高電平，當(dāng)元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場極性，可以控制元件輸出信號(hào)的變化趨勢。當(dāng)極性相反時(shí)，元件在偏離磁場時(shí)為高電平，正對磁場時(shí)為低電平。3.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)掃地機(jī)的動(dòng)力部件，最常用的就是電機(jī)。掃地機(jī)最重要的控制量就是控制掃地機(jī)的移動(dòng)，掃地機(jī)驅(qū)動(dòng)器中最主線的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以控制掃地機(jī)移動(dòng)的距離和方向、清掃機(jī)械的彎曲的限度或者移動(dòng)的距離等。所以，第一個(gè)要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制。有了這些控制卡和芯片，然后把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機(jī)。第二個(gè)問題是控制電機(jī)的速度，在掃地機(jī)上的實(shí)際表現(xiàn)就是它的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，掃地機(jī)走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就規(guī)定控制卡對電機(jī)有速度控制。機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個(gè)從動(dòng)轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，由無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)重要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)毛刷。永磁無刷電動(dòng)機(jī)具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點(diǎn)在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，由于它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時(shí)，又克服了直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機(jī)的使用壽命。直流無刷電機(jī)控制電路重要有控制電路微解決器、數(shù)字信號(hào)解決器和專用集成電路等3種方式。使用單片機(jī)輔以外圍解決電路的方法，其測頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實(shí)現(xiàn)。選用單片機(jī)軟件編程的方法控制無刷直流電機(jī)。吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī)，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比較簡樸。圖3.3主從動(dòng)輪分布圖電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2，它決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，采用輪圖3.3主從動(dòng)輪分布圖直流電動(dòng)機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡樸的控制性能、較高的效率、優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性，所以一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動(dòng)機(jī)如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中仍有著廣泛的應(yīng)用。采用廣泛應(yīng)用的脈寬調(diào)制技術(shù)控制電動(dòng)機(jī)電樞的電壓。所謂PWM控制技術(shù)，就是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)成變壓的目的。產(chǎn)生PWM信號(hào)常用的4種方法如下：(1)分立電子元件組成的PWM信號(hào)發(fā)生器。這種方式是用分立的邏輯電子元件組成信號(hào)電路，是較早采用的方法，可靠性、可調(diào)性較差；(2)軟件模擬式。運(yùn)用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳，通過軟件對該引腳輸出高低電平來模擬PWM波，該方法占用CPU的時(shí)間較多，控制軟件較復(fù)雜；(3)專用PWM集成電路。采用專用的PWM集成電路芯片，該方法功能強(qiáng)，但增長了調(diào)速系統(tǒng)的成本開銷；(4)單片機(jī)的PWM口。新一代的許多單片機(jī)具有PWM調(diào)速功能。通過單片機(jī)的初始化設(shè)立，使其自動(dòng)發(fā)生脈沖波，只有在改變脈沖寬度時(shí)才進(jìn)行干預(yù)，該方法控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速簡樸、可靠。所以使用單片機(jī)的PWM口作為電機(jī)的PWM調(diào)速控制。無刷直流電動(dòng)機(jī)簡稱BLDC，學(xué)名是無換向器電機(jī)或無整流子電機(jī)，是一種新型的無級變速電機(jī)。它具有直流電機(jī)良好的調(diào)速特性，但由于沒有換向器，因而可做成無接觸式，具有結(jié)構(gòu)簡樸，制造方便，不需要經(jīng)常性維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是一種抱負(fù)的變速電機(jī)。選用的輪子驅(qū)動(dòng)電機(jī)即為無刷直流電機(jī)，其工作電壓是10~15V，最大工作電流0.84A，正常工作電流0.4A，有專門的換向控制引腳，高低電平控制正反轉(zhuǎn)。該電機(jī)可以由PWM信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，允許的脈寬調(diào)制脈沖信號(hào)輸入?yún)?shù)為：允許輸入PWM的頻率最大為50kHz；高電平的輸入電壓范圍為2.0V~5.0V；低電平的輸入電壓為0V~1.0V；輸入開路電壓為4.5V~5V。3.3紅外遙控系統(tǒng)紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，繼彩電、錄像機(jī)之后，紅外線遙控在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控能可靠且有效地隔離電氣干擾?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，故采用紅外遙控裝置來控制智能掃地機(jī)的清掃方式及開機(jī)與關(guān)機(jī)。遙控發(fā)射器遙控接受器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)通常紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接受兩大部分組成，應(yīng)用編碼/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖3.2所示。發(fā)射部分涉及鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接受部分涉及光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。紅外接受芯片選用TFMS5380。在遙控器上使用單片機(jī)進(jìn)行紅外功能編碼，在掃地機(jī)上，由于單片機(jī)解決任務(wù)很多，因此選用專用的解碼芯片。解碼芯片是REALTEK公司生產(chǎn)的一種用于遙控小卡車的CMOS大規(guī)模集成電路RX6B，它有七個(gè)控制鍵來控制小卡車的移動(dòng)。由于編碼和解碼的振蕩頻率必須一致，頻率的大小由OSCI和遙控發(fā)射器遙控接受器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)圖3.5圖3.5IMP813L芯片浮動(dòng)開關(guān)是一個(gè)安裝在輪子內(nèi)側(cè)的機(jī)械開關(guān)，輪子上有彈簧裝置，當(dāng)輪子浮起時(shí)，開關(guān)斷開掃地機(jī)停止前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了防跌落功能。防跌落功能有效的保護(hù)了掃地機(jī)各部位免遭摔壞，所以是必不可少的。3.5看門狗幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的基本規(guī)定是：在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位，在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致EPROM中的數(shù)據(jù)被修改；此外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有也許出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充足運(yùn)用單片機(jī)自身的看門狗定期器(有些單片機(jī)無看門狗定期器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還規(guī)定在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是根隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。IMP813L剛好能滿足這些規(guī)定，下面具體介紹該芯片的性能特點(diǎn)及使用方法。IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如圖所示，引腳功能如下：第1腳為手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效；第2、3腳分別為電源和地；第4腳為電源故障輸入；第5腳為電源故障輸出；第6腳為看門狗輸入，第7腳為復(fù)位輸出，第8腳為看門狗輸出。IMP813L的性能特點(diǎn)：IMP813L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.5，具有以下重要性能特點(diǎn)：由圖可知該芯片具有以下重要性能特點(diǎn)：(1)復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓減少時(shí)，第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門限的典型值為4.65V。(2)看門狗電路輸出。假如在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路(即第6腳無脈沖輸入)，則第8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路(4)1.25V門限值檢測器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。當(dāng)?shù)?腳電壓低于1.25V時(shí)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。IMP813L的典型應(yīng)用電路：IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖3.6所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例，IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C51的第9腳)；第6腳與單片機(jī)的P1.4相連。在軟件設(shè)計(jì)中，P1.4不斷輸出脈沖信號(hào)，假如因某種因素單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P1.4無脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使IMP813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。此外，當(dāng)電源電壓低于門限值4.65V時(shí)，IMP813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處在復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。電源故障輸入PFI通過一個(gè)電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1．25V時(shí)，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)行電源故障解決，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。IMP813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡樸、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場合的單片機(jī)系統(tǒng)的抱負(fù)芯片。3.6液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接，編程，完畢顯示時(shí)間及清掃機(jī)行進(jìn)速度的功能。圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路DM-162液晶顯示模塊的字符顯示，可分為好幾種顯示模式，這重要取決于對具體的應(yīng)用。如靜態(tài)的顯示，還是動(dòng)態(tài)的左移或者右移顯示。那么這個(gè)重要是在程序設(shè)計(jì)的過程中，進(jìn)行初始化所決定的。因此，在使用之前先擬定使用的目的，選擇好顯示的方式，當(dāng)然得找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在DM-162液晶顯示模塊的相應(yīng)顯示位置的RAM地址。然后進(jìn)行每個(gè)字符的寫入顯示。在使用的過程中，還得注意的一點(diǎn)是，也許是顯示驅(qū)動(dòng)電壓的不穩(wěn)定性，或者是由于驅(qū)動(dòng)電壓的過高，會(huì)形成一種“鬼影”的現(xiàn)象，因此需要手動(dòng)對10K圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路液晶顯示模塊電路如圖3.7。它由以下幾個(gè)部件組成：單片機(jī)AT89C51、液晶字符顯示部件DM-162、電源供電部分。單片機(jī)部分：采用AT89C51芯片實(shí)現(xiàn)對DM-162的控制顯示字符顯示模塊:選擇2行16個(gè)字的顯示容量.電源部分：+5V電壓供電，維持系統(tǒng)的正常工作,同時(shí)加載10K電位器以適應(yīng)不用亮度的顯示字符即對比度的調(diào)整。

4智能掃地機(jī)的設(shè)計(jì)4.1自動(dòng)充電系統(tǒng)自動(dòng)充電是用對接充電來實(shí)現(xiàn)的，對接充電過程重要用了紅外信號(hào)，在智能吸塵機(jī)器人的左側(cè)和后面都有紅外接受器，發(fā)射傳感器則安裝在充電座上，對接充電對掃地機(jī)是非常重要的，由于機(jī)器人自帶的充電電池電量有限，不一定能保證完畢清掃工作，這就需要機(jī)器人能自動(dòng)對接充電。當(dāng)內(nèi)部電源檢測到電壓低于一定值是，掃地機(jī)器人將沿墻壁尋找充電座。一般掃地機(jī)器人按右手法則尋找充電座，所以在掃地機(jī)器人貼墻的一側(cè)（選左側(cè)）和后部各裝有一個(gè)紅外接受傳感器，當(dāng)側(cè)面的一側(cè)在貼邊過程中收到紅外信號(hào)時(shí)，掃地機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時(shí)檢測充電座充電電壓即可擬定是否已經(jīng)對接上。4.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路涉及驅(qū)動(dòng)器、光電隔離模塊以及驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路等部分，如圖3.6所示。在具體電路中，由于單片機(jī)使用5V弱電，而電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為12V或者更高，考慮到單片機(jī)會(huì)受到驅(qū)動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制部分和驅(qū)動(dòng)部分隔離開來。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有20mA左右，局限性以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)光電耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，為光電耦合器TLP521提供合適的驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路由8個(gè)高速大電流肖恩特二極管1N5822（圖中D1~D8）組成，用來消除電機(jī)在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢。保護(hù)二極管最佳采用高速大電流的開關(guān)管，否則反向恢復(fù)時(shí)間太長，L298N內(nèi)部H橋的上下兩個(gè)三極管會(huì)由于開閉時(shí)序交叉，導(dǎo)致同時(shí)打開而短路，長期使用狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致L298N發(fā)熱或燒毀。按照圖4.1所示電路，系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)P1口輸出的控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，控制電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)只需改變PWM調(diào)速脈沖（本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生）的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級調(diào)速。4.3總體軟件流程總流程圖如圖4.1所示，是整個(gè)清掃機(jī)運(yùn)營過程的流程圖。其中涉及初始化整個(gè)系統(tǒng)、啟動(dòng)各電路模塊、等待接受命令、啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測障礙、啟動(dòng)清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過程。(1)一方面，啟動(dòng)清掃機(jī)電源，使各模塊連續(xù)供電。圖4.2總流程圖(2)啟動(dòng)各電路模塊，啟動(dòng)液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運(yùn)營時(shí)間圖4.2總流程圖啟動(dòng)清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)，此項(xiàng)內(nèi)容重要作用是使清掃機(jī)對周邊環(huán)境有一個(gè)了解，通過對周邊環(huán)境的感知來實(shí)現(xiàn)測距、清掃、避障。本過程重要是通過單片機(jī)控制各傳感器及傳感器向單片機(jī)反饋來實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)紅外接受系統(tǒng)，等待接受紅圖4.3圖4.3紅外發(fā)射電路流程圖(3)當(dāng)接受到前進(jìn)指令時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。(4)當(dāng)碰到障礙時(shí)啟動(dòng)清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過程是整個(gè)清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過程涉及清掃命令接受判斷及是否碰到障礙物判斷。4.4紅外遙控系統(tǒng)流程圖4.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.3所示主程序中設(shè)立串口工作方式1和定期器T1方式2是為了發(fā)射按鍵代碼時(shí)產(chǎn)生2023b/s的波特率；定期器T0工作方式2是用來在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號(hào)。有按鍵下時(shí)產(chǎn)生外部中斷0，寄存器R5和R4中存放的數(shù)據(jù)是用來控制1min的定期時(shí)間。1min之內(nèi)無按鍵，則遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定期器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產(chǎn)生38kHz圖4.4驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程4.5驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程一方面是系統(tǒng)初始化工作,即設(shè)立寄存器、配置GPIO、定期器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測GPIO有沒有啟動(dòng)信號(hào),檢測到啟動(dòng)信號(hào)后,從另一個(gè)GPIO發(fā)出控制信號(hào)給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號(hào)數(shù)據(jù),再通過求平均值得到電機(jī)的電流值;對輸出脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機(jī)的具體型號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度,啟動(dòng)總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4.4所示。4.6清掃避障系統(tǒng)流程清掃壁障流程圖如圖4.5，該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及規(guī)避障礙的流程。圖4.5清掃避障流程圖(1)紅外光電傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，光波在碰到障礙物后反射，被紅外接受管接受，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相相應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個(gè)模擬電壓，經(jīng)圖4.5清掃避障流程圖(2)由接觸傳感器感知障礙物性質(zhì)，判斷其是否是清掃機(jī)可清掃的垃圾