智能掃地機(jī)器人課程設(shè)計(jì)

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(dòng)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。其具有實(shí)用價(jià)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(cè)出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開(kāi)；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測(cè)出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時(shí)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(jì)。1.2 研究目的和意義國(guó)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(shuō)，掃地機(jī)器

2、人可以看作是一種智能吸塵器，通過(guò)其基于傳感器檢測(cè)的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法使原本由人操作的吸塵器成為一個(gè)可自主運(yùn)行的智能化設(shè)備。它通過(guò)各種傳感器，比如碰撞開(kāi)關(guān)、紅外接近開(kāi)關(guān)、超聲傳感器、攝像頭等，來(lái)感知自身的位置和狀態(tài)，通過(guò)智能算法決定當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)。它可以根據(jù)某個(gè)傳感器檢驗(yàn)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(guò)，它的充電座會(huì)發(fā)出紅外線信息，在電量低于一定值后，它開(kāi)始尋找紅外信息來(lái)自動(dòng)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(cè)地面的距離，當(dāng)距離發(fā)生變化時(shí)機(jī)器人將停止并改變路線。由于掃地機(jī)器人是一個(gè)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(dòng)裝置，機(jī)器人依托紅外識(shí)別以及超聲波測(cè)距

3、從而避障，配合芯片控制內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及內(nèi)部真空環(huán)境吸塵，通過(guò)路線設(shè)計(jì)，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(dòng)路徑打掃。2、設(shè)計(jì)要求與內(nèi)容1）以AT89S52系列單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)移動(dòng)清掃機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)電路設(shè)計(jì)，完成充電站檢測(cè)電路設(shè)計(jì)，完成避障算法與路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)。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(shí)間和機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)4.8.2 設(shè)計(jì)任務(wù)1）利用AT89S52&理器編程實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(shí)，無(wú)線模塊發(fā)

4、送命令到充電樁，開(kāi)始進(jìn)行充電模式，此時(shí)紅外發(fā)射光線充電樁與掃地機(jī)器人充電接口對(duì)接，此時(shí)超聲波實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)烧咧g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(guò)快損毀機(jī)器。4）按鍵實(shí)現(xiàn)充電,清掃，停止3種模式對(duì)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(hào)、參數(shù)和引腳功能符號(hào)，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(dòng)超聲波AT89S52按鍵TFT液晶屏無(wú)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(chǔ)器

5、。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(dòng)芯片選擇方案論證方案一：6612芯片？方案二：ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)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(shí)，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(kāi)后會(huì)產(chǎn)生很大的反電動(dòng)

6、勢(shì)，為防止損壞達(dá)林頓管，接反相的二極管來(lái)構(gòu)成通路，使之轉(zhuǎn)換為電流）。另外二極管的作用，驅(qū)動(dòng)電流斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)內(nèi)的電感產(chǎn)生很大的反電動(dòng)勢(shì)，每一個(gè)單元的二極管都與三極管的集電極相連，產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)時(shí)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(dòng)芯片。TB6612FN系積小，發(fā)熱小，不需要加散熱片，外圍電路比較簡(jiǎn)單，只需要外接電容就可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。綜上所述，選擇方案一和二，體積小，電路簡(jiǎn)單，所以選擇L298作為移動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，選用ULN2003乍為清掃電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。4 無(wú)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(shí)現(xiàn)硬件冷啟動(dòng)功能、抗干擾能力強(qiáng)。方案二：選擇NRF24101無(wú)線模塊，此模塊的體積小，但功耗大綜上所述，選擇方案一，價(jià)格低，受環(huán)境溫度小，綜合性能更強(qiáng)，所以選擇。4 時(shí)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(duì)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(jià)格也相對(duì)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(jì)4 原理圖設(shè)計(jì)4 獨(dú)立式鍵盤(pán)設(shè)計(jì)綜合掃地人的無(wú)線控制，功能模塊分為清

8、掃模式，自動(dòng)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(pán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，設(shè)計(jì)可靠。獨(dú)立式按鍵比較簡(jiǎn)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(shí)，+5V通過(guò)電阻R1然后再通過(guò)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(gè)電阻上，Keylnl這個(gè)引腳就是個(gè)低電平。當(dāng)松開(kāi)按鍵后，線路斷開(kāi)，就不會(huì)有電流通過(guò)，那么Keyln1和+5V就應(yīng)該是等電位，是一個(gè)高電平。我們就可以通過(guò)Keyln1這個(gè)IO口的高低電平來(lái)判斷是否有按鍵按下。4 蜂鳴器報(bào)警電路如圖所示，因GPIO口輸出電流有限，而蜂鳴器在蜂鳴時(shí)需要較大

9、的電流，GPIO輸出口無(wú)法滿足要求。而8550最大可提供1A的輸出電流,足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。所以，我們用GPIO口來(lái)控制8550的導(dǎo)通與截止，從而來(lái)控制蜂鳴器。當(dāng)向F1寫(xiě)入邏輯1時(shí)，F(xiàn)1輸出高電平（+3.3V）,8550的基極電流為0,此時(shí)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(xiě)入邏輯0時(shí)，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(shí)Q1導(dǎo)通，蜂鳴器開(kāi)始蜂鳴33VLSLElvllRI3.QI施k對(duì)5仆峰叫器阻號(hào)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(hào)及功能引腳功能sensasensb分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地ena、enb使能端，輸入PWM1號(hào)IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號(hào)OUT1OUT2OUT3OUT4輸出端，與對(duì)應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.57VVSS電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)針011逆日卅000停止110停止當(dāng)使能端為高電平時(shí)，輸入端IN1為PWM1號(hào),IN2為低電平信號(hào)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號(hào)，IN2為PW時(shí)號(hào)時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn);IN1與IN2相同時(shí)，電機(jī)快速停

11、止。當(dāng)使能端為低電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電壓的控制和驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式在線性放大驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)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(wèn)題嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈調(diào)制（PWM來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。IMl二HVI4清掃電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)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(lái)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(shí)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(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管。它的

13、輸出端允許通過(guò)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(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003寸，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COMH腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)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(dòng)

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?？趙0.rtMF'fcfV'ilvfTnFLi.HLJLLJCYl8N&ULN200?IH-0GND<10aiBF睛掃血機(jī)中動(dòng)34y超聲波測(cè)距模塊基于超聲波距離傳感器的避障：目前市場(chǎng)也有一部分掃地機(jī)器

15、人采用超聲波傳感器實(shí)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(guò)20KHz的音頻信號(hào)，音頻信號(hào)碰到障礙物后會(huì)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(guò)分析回波信號(hào)判斷前方有無(wú)障礙物。超聲波感應(yīng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)透明類障礙物具有很高的識(shí)別率，而且可以正確識(shí)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(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)和工作可靠性高。一對(duì)優(yōu)質(zhì)的紅外線對(duì)管價(jià)格低廉，而且具有工作壽命長(zhǎng)和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。紅外線本身屬于不可見(jiàn)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(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)：紅外線對(duì)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(wú)法感應(yīng)到礦泉水瓶、落地式玻璃門(mén)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(cè)技術(shù)的掃地機(jī)器人在深色障礙物前，無(wú)法正確接收到紅外反射信號(hào)。雖然紅外線檢測(cè)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(cè)技術(shù)，它仍然將在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)存在，縱觀目前市場(chǎng)上銷售的掃地機(jī)器人產(chǎn)品，會(huì)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(shí)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(cè)系

17、統(tǒng)的檢測(cè)原理為：機(jī)器人工作過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，紅外傳感器發(fā)射的光波會(huì)因?yàn)槭艿阶璧K而產(chǎn)生回波，機(jī)器人內(nèi)部紅外接收器檢測(cè)到回波后，會(huì)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。基于紅外線與碰撞傳感器障礙檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)技術(shù)vrt1紅外測(cè)距vetVDDGWOUTO|P32江外時(shí)片IJ9于紅外接收模塊無(wú)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(chǎng)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(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制4）低功耗3-3.6V工作，待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)僅為2.5uA,TXMODE+10dBm情況下，電流為40mARXMOD614mA收發(fā)模式切換時(shí)間<650us5）模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)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(shí)現(xiàn)硬件冷啟動(dòng)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(shí)器，與RF905S瑜程接口類似8）增加了RSSI功能，通過(guò)SPI接口可以獲取當(dāng)前接收到的信號(hào)強(qiáng)度（0-255）,可以供當(dāng)前設(shè)備做出決策，比如低于某個(gè)數(shù)值50可以報(bào)警，提示用戶當(dāng)前信號(hào)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(cè)電路檢測(cè)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(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)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(gè)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(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1消除；若U0<Ux,說(shuō)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(guò)比較以后確定這個(gè)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?jiàn)逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用I松乎稱量一個(gè)未知質(zhì)量的物體時(shí)的操作過(guò)程一樣，只不過(guò)使用的整碼質(zhì)I也一個(gè)比一個(gè)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(guò)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(guò)計(jì)算可以得到電池的實(shí)際電壓，實(shí)際電壓=數(shù)字量*Vi*3/4096,vi是當(dāng)電池充滿電時(shí)，輸入到芯片的最大電壓。通過(guò)這種方式就能夠計(jì)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