室內(nèi)智能清潔機(jī)器人的研究

1、紹興文理學(xué)院元培學(xué)院文獻(xiàn)綜述題 目 室內(nèi)智能機(jī)器人的研究 專業(yè)班級(jí) 機(jī)自1001班 學(xué)生姓名 李棟棟 2012年6月3日室內(nèi)智能清潔機(jī)器人李棟棟(紹興文理學(xué)院元培學(xué)院機(jī)自1001班1、前言隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)、工作越來越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來，就成了新一代家電所追求的目標(biāo)而智能化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn)本文介紹的智能吸塵器初步實(shí)現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。清潔機(jī)器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般包括四部分：控制系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，為清潔機(jī)器人的

2、控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)以及美好的未來發(fā)展藍(lán)圖；感知系統(tǒng)依賴于傳感器技術(shù)，一般常用的傳感器有：CCD攝像機(jī)、超聲波傳感器、紅外傳感器、接近傳感器和碰撞傳感器等，感知外部的環(huán)境信息；移動(dòng)機(jī)構(gòu)是清潔機(jī)器人的本體，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進(jìn)式或其他方式，輪式和履帶式適合移動(dòng)在平整的地面上，步進(jìn)式適合與條件較差的路面移動(dòng)；清掃系統(tǒng)一般有：噴水器、地刷和吸塵器，噴水器向地面噴灑清水，地刷用于強(qiáng)力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。近年來快速發(fā)展、深刻影響著清潔機(jī)器人進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)有：路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器技術(shù)、吸塵技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)等1。2、主題 總體原理該智能

3、吸塵器利用了超聲波測(cè)距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)障礙物進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略；通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)避障功能與此同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃 功能實(shí)能整個(gè)吸塵器原理上可以分為五個(gè)主要部分（如圖1）2：傳感器部分、控制器部分、驅(qū)動(dòng)部分、吸塵部分和電源部分各部分的原理及具體功能實(shí)現(xiàn)如下：3超聲波測(cè)距原理3超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì)產(chǎn)

4、生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可 以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用其具體的計(jì)算公式如下：svt2其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間；v為聲波在空氣中傳播的速度由于的值受溫度的影響會(huì)波動(dòng)，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中可以用以下公式來加以補(bǔ)償，其中T表示空氣的絕對(duì)溫度，m/s為速度單位 在智能吸塵器中，避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測(cè)距的原理它的傳感器部分由三對(duì)（每對(duì)包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭）共六個(gè)超聲波傳感頭組成由單獨(dú)的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號(hào)在控制器送來的路選信號(hào)（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號(hào)被加在

5、超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號(hào)向外發(fā)射；該信號(hào)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生反射波，當(dāng)這一反射波被接收探頭接收后，根據(jù)前述測(cè)距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠(yuǎn)近；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小4 路徑規(guī)劃由于每一個(gè)超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測(cè)量時(shí)必然存在盲區(qū)（如圖2）因此，三對(duì)傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測(cè)量的范圍包含整個(gè)吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時(shí)又避免探測(cè)死角（既使盲區(qū)落在須測(cè)量的范圍之外）5清潔機(jī)器人的定位4圖3清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡分析該清潔機(jī)器人的定位是基于光電編碼器的“車輪脈沖定位”方式的。根據(jù)清潔機(jī)器人的工

6、作環(huán)境，建立一個(gè)以地面為XY平面，以一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期開始時(shí)清潔機(jī)器人的中心為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，在此運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束時(shí)進(jìn)行一次計(jì)算，用來描述清潔機(jī)器人在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期后相對(duì)于這個(gè)運(yùn)動(dòng)周期前位姿的變化情況。清潔機(jī)器人只在XY平面內(nèi)做二維平面運(yùn)動(dòng)，；s6防止干擾由于三對(duì)超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問題為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)中引進(jìn)了循環(huán)掃描的方式既循環(huán)地對(duì)每組探頭施加發(fā)射和接收，當(dāng)一組工作時(shí)，其余兩組停止循環(huán)周期由路選信號(hào)來控制，只有15ms（即在15ms的時(shí)間里完成一次對(duì)三組探頭的掃描），因而在實(shí)際應(yīng)用中很可靠7控制部分5控制部分的核心是MC51單片機(jī)，它主要完成三個(gè)部分的任務(wù)：

7、向傳感器部分（三路）分別送路選信號(hào)：當(dāng)路選信號(hào)是高電頻時(shí)，該路導(dǎo)通；反之，就截止這樣，通過路選信號(hào)，就可以完成三路信號(hào)的順序掃描以及對(duì)發(fā)射和接收的計(jì)時(shí)功能 作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的信號(hào)（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，計(jì)算并判斷障礙物的相對(duì)位置，大致大小在此基礎(chǔ)上，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，選定相應(yīng)的避障措施（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭） 最后，在確定了避障措施后，要向步進(jìn)電機(jī)的控制器輸出相應(yīng)的控制脈沖，以具體實(shí)現(xiàn)避障8 驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非

8、常廣泛的平面軸承，這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖）通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過差速方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)）同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機(jī)的程序來調(diào)節(jié)由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求5mmin左右，而步進(jìn)電機(jī)為避免低速爬行，其轉(zhuǎn)速又不能太低，為此，在電機(jī)軸與輪軸之間采用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為設(shè)電

9、機(jī)的轉(zhuǎn)速為（轉(zhuǎn)秒），驅(qū)動(dòng)輪的半徑為(米，則驅(qū)動(dòng)輪的前進(jìn)速度為： 式中，代表左右驅(qū)動(dòng)輪的線速度；齒輪傳動(dòng)比通過調(diào)節(jié)的大小和正反，可以實(shí)現(xiàn)的連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)彎電機(jī)轉(zhuǎn)向與吸塵器的運(yùn)動(dòng)方式的關(guān)系如表9吸塵器部分吸塵功能是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的包括氣泵、吸室、吸道和吸嘴在吸塵器爬行的過程中，通過底盤上開的吸嘴將掃過的地面上的灰塵吸入吸室10電源部分由于智能吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般拖線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池（3A20hour）這樣不但可實(shí)現(xiàn)無人控制，而且工作時(shí)較靈活一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)11 超聲信號(hào)發(fā)生40kHz的超聲波信號(hào)是由555芯片構(gòu)成

10、的多諧振蕩電路產(chǎn)生的（如圖4）由R1、R11、R12和C1構(gòu)成外圍的充放電電路；當(dāng)參數(shù)漂移時(shí)，通過調(diào)節(jié)R12的阻值，可微調(diào)信號(hào)的中心頻率12步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由控制器輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)經(jīng)7404反向后，驅(qū)動(dòng)功率三極管從而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)圖5列出了一相的驅(qū)動(dòng)電路由于有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每一電機(jī)按四相八拍制工作，因而共有八組驅(qū)動(dòng)電路3 結(jié)論與展望雖然當(dāng)前的吸塵器是物美價(jià)廉，能給人們枯燥乏味的家庭清潔的瑣碎工作提供了諸多方便，可是一些缺點(diǎn)仍舊困擾著人們，比如較大的噪聲依然讓多數(shù)的家庭使用者望而卻步。在現(xiàn)有的服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域里，吸塵機(jī)器人可以說是一種新型產(chǎn)品，幫助人們?cè)跓o需照看的情況下省時(shí)省力的完成房間的洗塵清掃作業(yè)

11、。所以，只要清潔機(jī)器人的生產(chǎn)成本兼顧日用家電的大批量、低價(jià)格的特點(diǎn)，吸塵機(jī)器人將會(huì)用誘人的市場(chǎng)前景。目前國內(nèi)與國外的吸塵機(jī)器人的研究與開發(fā)工作都取得了一些成績，但是仍舊有許多問題需要解決或改善，主要涉及到下面幾個(gè)方面：(1格過高(2智能化與自主化程度低(3吸塵技術(shù)不夠理想(4自動(dòng)充電與電源技術(shù)有待改進(jìn)伴隨著吸塵機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)與性價(jià)比的不斷提高，完全有條件基于現(xiàn)有的硬件和軟件技術(shù)，在不久的將來，生產(chǎn)出價(jià)格便宜的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人，使千家萬戶都能夠使用到，從而使這種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來客觀的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。智能吸塵器開啟了不用人工打掃，死角可以不用花大力氣去清除的時(shí)代，人類的不用親自動(dòng)手就可以將房間打掃的干干凈凈，可謂是對(duì)于機(jī)器，“懶漢時(shí)代”有邁進(jìn)了一大步6。參考文獻(xiàn)1譚定忠 王啟明。李金山。李林清潔機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀。(哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001 2004A 2 邢敏，蒙梅，劉任平JPcleaner型清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(北京交通大學(xué)，北京100044 2006A3 王以倫，鄧寶林，王洪濤，馮晨。清