527 小型清掃機器人控制部分設計

527 小型清掃機器人控制部分設計,小型,清掃,打掃,機器人,控制,節(jié)制,部分,部份,設計 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBATitleNumber RevisionSizeA2Date: 3-Jun-201 Sheet of File: E:\protel人人\BACKUP~16.DB Drawn By:U1OPTOISO1R2620U13OPTOISO1R19620EA/VP31 X119X218 RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P1.01 P1.12 P1.23P1.34 P1.45 P1.56P1.67 P1.78P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 3P0.7 32P2.0 21P2.1 2P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.6 27P2.7 28PSEN 29ALE/P 30TXD1RXD 10U10AT89C51123J1CON3123J10CON3121312U8A74LS11213 12U8BA74LS1 U9AORU7ORU9BORR181KR11K +5VU2OPTOISO1R4620 123J2CON3R31K +5VU3OPTOISO1R6620 123J3CON3R51K +5VU4OPTOISO1R8620 123J4CON3R71K +5VU5OPTOISO1R10620 123J5CON3R91K +5VU6OPTOISO1R12620 123J6CON3R11K +5VU7OPTOISO1R14620 123J7CON3R131K +5V??????+5VU14OPTOISO1R21620123J1CON3R201K+5VU15OPTOISO1R23620123J12CON3R21K+5VU16OPTOISO1R25620123J13CON3R241K+5VU17OPTOISO1R27620123J14CON3R261K+5VX112.00MHZD1IN34XD220uF R151KR16 1KR171KRRES2C10.1uFC20.3uFC330pFC430pFC52uFC610pFC710uF S1SW-PB12 U12A74LS141 2U1A74LS14U12OPTOISO1VCVC+12V INGNDOUT78L12VV12J9CON212J8CON2+5V +12V+5V78L051234CON4人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人人 湘潭大學興湘學院畢業(yè)設計說明書題 目： 小型清掃機器人控制部分設計 學 院： 興 湘 學 院 專 業(yè)： 機械制造及其自動 學 號： 2007964217 姓 名： 江 培 指導教師： 秦 衡 峰 完成日期： 2011 年 5 月 20日 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）任務書論文（設計）題目： 小型清掃機器人的控制部分設計 學號： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機械制造及其自動化 指導教師： 秦衡峰 系主任： 一、主要內容及基本要求1、檢索國內外清掃機器人的發(fā)展動態(tài)，分析國內的情況； 2、分析清掃機器人控制系統(tǒng)設計的關鍵技術問題； 3、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設計的一體化設計； 4、完成單片機實現(xiàn)小車行走驅動控制系統(tǒng)設計； 5、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)中的硬件設計； 6、完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)中的軟件設計； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字數(shù)不低于一萬字，使用 A4編輯及 打印裝訂成冊； 8、技術圖紙：控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 1 張、控制系統(tǒng)程序流程分圖 1 張 9、翻譯英語技術資料：翻譯課題相關英文資料。要求：3000 單詞，復印原稿與翻譯（打?。└逋瑑匝b訂。 二、重點研究的問題1、清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設計方案選擇設計； 2、清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)軟件設計； 3、清掃機器人的單片機硬件控制系統(tǒng)中外圍硬件設備的選擇及設計。 三、進度安排四、應收集的資料及主要參考文獻[1] 李鴻主編.單片機原理及應用[M], 湖南：湖南大學出版社，2004 [2] 韓全立，王建明.單片機控制技術及應用[M],北京：電子工業(yè)出版社，2004 [3] 周平，伍云輝.單片機應用技術[M],四川：電子科技大學出版社，2004 [4] 胡偉，季曉衡. 單片機 C 程序設計及應用實例[M],北京：人民郵電出版 社， 2004 [5] 湯　陽,戴光智,王銳鵬. 家用自主吸塵機器人的研究和開發(fā)[J].計算機 測量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. [6] 趙龍慶，徐國棟.一種基與單片機的步進電機控制驅動器[J]，西南林學院 學報，2005.6 序號 各階段完成的內容 完成時間1 資料檢索、查詢 2011年 2月 20日-3 月 5日2 系統(tǒng)總體方案的構思及設計 2011年 3月 6日-3 月 20日3 完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設計 方案選擇設計 2011年 3月 21日-4 月 10日4 完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設計 硬件設計 2011年 4月 11日-4 月 25日5 完成清掃機器人的單片機控制系統(tǒng)設計 軟件設計 2011年 4月 26日-5 月 10日 6 畢業(yè)設計說明書撰寫和編輯 2011年 5月 11日-5 月 19日7 交畢業(yè)設計說明書和圖紙，準備答辯 2011年 5月 20日-5 月 25日 潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）評閱表學號 2007964217 姓名 江 培 專業(yè) 機械制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 小型清掃機器人控制部分設計 評價項目評 價 內 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價選題基本合理，符合專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到了訓練的目的，選題難度適當，與科研相結合，學生有查閱文獻、綜合歸納資料的能力，能較好的運用知識，基本具備研究方案的設計能力和研究方法和手段的運用，具備一定的外文與計算機應用能力。論文立論基本正確，結構比較嚴謹合理，程序運行正確。文字比較通順，觀點有所提煉，綜合概括能力比較好。評閱人： 年 月 日 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設計）鑒定意見學號： 2007964217 姓名： 江 培 專業(yè)： 機械制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 41 頁 圖 表 2 張論文（設計）題目： 小型清掃機器人的控制部分設計 內容提要： 本設計主要是根據(jù)小型清掃機器人的發(fā)展歷史以及現(xiàn)有的科學技術對其進行創(chuàng)新設計。小型清掃機器人是將移動機器人技術和吸塵器技術有效的結合起來，能大大的降低了勞動強度，提高了勞動效率的新時代產(chǎn)物。其廣泛應用于室內清潔，有著廣闊的市場前景。本設計圍繞結構部分設計，驅動電機的選擇，傳感器件的選擇，芯片的選擇，路徑的規(guī)劃和算法以及程序的編寫的方面進行設計。后兩者為本設計的重難點。本清掃機器人采用圓柱形結構，兩后輪分別由步進電機獨立驅動。有較強的靈活性和準確性。車前碰板的設計和沿X軸和 Y 軸遍歷方式是本設計的創(chuàng)新之處，有效的降低了生產(chǎn)成本。使其被更多層次的人群接受。 指導教師評語江培同學的本科畢業(yè)設計題目為“小型清掃機器人控制部分設計” 。在整個設計過程中，該同學勤奮刻苦、勇于鉆研，能夠積極根據(jù)設計任務開展工作。所設計的清掃機器人結構合理，算法和程序設計合理清晰，原理接線圖表達較為正確，各個零部件選擇恰當。設計工作量飽滿，說明書寫作認真，計算、校核正確，文獻翻譯較準確。達到了本科畢業(yè)設計的要求。指導教師： 年 月 日答辯簡要情況及評語江培同學的本科畢業(yè)設計基于生活實際，對清掃機器人 進行了控制部分的設計。該同學的設計算法合理，圖形表達基本正確，型號選擇合理。設計工作量飽滿，說明書、文獻翻譯書寫認真。答辯過程中，對結構和原理圖的陳述清楚，回答問題正確。達到了本科畢業(yè)設計的要求，成績評定為 。答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見答辯委員會主任： 年 月 日目錄摘要 ----------------------------------------------------------------------1ABSTRACT------------------------------------------------------------------2第一章 緒論 -------------------------------------------------------------------31.1 國內產(chǎn)品研究狀況 -------------------------------------------------------31.2 研究的目的和意義 --------------------------------------------------------41.3 設計的重點和難點 --------------------------------------------------------41.4家庭清掃機器人的關鍵技術 ------------------------------------------------41.5 總結也展望 --------------------------------------------------------------5? 發(fā)展趨勢 --------------------------------------------------------------5? 展望 ------------------------------------------------------------------51.6論文主要完成工作 --------------------------------------------------------6第二章 總體結構設計 -----------------------------------------------------------72.1整體結構布局 ------------------------------------------------------------72.2驅動部分 ----------------------------------------------------------------92.3吸塵部分 ---------------------------------------------------------------102.4電源部分 ---------------------------------------------------------------102.5路徑規(guī)劃算法 -----------------------------------------------------------112.6仿真結果 ---------------------------------------------------------------13第三章 硬件控制部分設計 ------------------------------------------------------113.1 AT89系列單片機簡介 ---------------------------------------------------143.2 外圍電路 ---------------------------------------------------------------15(1)電源 ------------------------------------------------------------------15(2)復位電路 --------------------------------------------------------------16(3)時鐘電路 --------------------------------------------------------------173.3 電機驅動電路 ----------------------------------------------------------183.4 檢測電路 --------------------------------------------------------------20 3.5 光電編碼器 -------------------------------------------------------------23第四章 控制系統(tǒng)軟件設計 -----------------------------------------------------254.1控制系統(tǒng)軟件設計 -------------------------------------------------------254.2 AT89C51定時器設置 -----------------------------------------------------271.計數(shù)寄存器 TH和 TL -----------------------------------------------------282.T/C控制寄存器 TCON-----------------------------------------------------283.T/C方式控制寄存器 TMOD-------------------------------------------------284.3 AT89C51中斷設置 ------------------------------------------------------29(1)中斷允許寄存器 --------------------------------------------------------29(2)中斷優(yōu)先級寄存器 IP ---------------------------------------------------304.4 正反轉控制字賦值及存儲位置 --------------------------------------------31第五章 機器人旋轉偏差和直線前行偏差的脈沖數(shù)計算 ------------------------------33第六章 程序的編寫 -----------------------------------------------------------35參考文獻: --------------------------------------------------------------------40致謝 -------------------------------------------------------------------------41 0小型清掃機器人的控制部分設計摘要清掃機器人屬于服務機器人的一種，世界各國尤其是西方發(fā)達國家都在致力于研究開發(fā)和廣泛使用服務機器人。如果清掃機器人的性價比足夠高，那么清掃機器人的市場將會被看好。本文介紹了清潔機器人在國內外發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，側重研究了清潔機器人的避障控制系統(tǒng)。結合實驗室實際條件，設計了機器人樣機。其主要工作內容包括:小車機械本體設計、控制理論的介紹、AT89C51 單片機控制系統(tǒng)硬件電路及檢測電路設計、控制系統(tǒng)軟件設計和機器人避障性能測試試驗。通過實驗表明所設計的機器人樣機能夠實現(xiàn)自主避碰的功能，達到設計要求。關鍵詞:清潔機器人;避障;AT89C51 單片機1Small cleaning robot control section designAbstractCleaning robot is one part of the serving robot..Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered.The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle.The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task.Key works: cleaning robot; avoid a obstacle; AT89C51 SCM2第一章 緒論1.1 國內產(chǎn)品研究狀況在國內的一些大學，如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清掃機器人進行了大量的研究并取得了一些成果，對清掃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則更多，這些都為清掃機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質基礎和技術基礎。哈爾濱工業(yè)大學于 90年代開始致力于這方面的研究，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全方位移動技術，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人鉸制結構，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能，能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運行方式；吸塵機構可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉換，提高了吸塵效率。浙江大學于 1999年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內第一個具有初步智能的自主吸塵機器人。這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習：利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在 5.5×3.5m2的實際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局圖 1國內公司生產(chǎn)的機器人 KV8Fig1-7 robots domestic production KV83定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖 1所示。KV8 保潔機器人是今年在市場以低價位賣得比較火的一款產(chǎn)品，也是國內首個產(chǎn)品化清掃機器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂場所，以及其它一些人員不便進入的地方。KV8 能夠通過自身的碰撞傳感器來實現(xiàn)隨機的清掃和碰撞處理，需要人工對其電池進行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動時伴有音樂聲。1.2 研究的目的和意義清掃機器人將移動機器人技術和吸塵器技術有機地融合起來，實現(xiàn)室內環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來已受到國內外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術方面講，智能化清掃機器人比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領域的關鍵技術，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化，使科技更好地為人類服務。1.3 設計的重點和難點? 由前面的設計家庭清潔機器人的工作內容和要求，在寬 400高 100的體積下如何設計和布置好清掃機構，行走機構，吸塵機構和儲存垃圾機構。? 遍歷方式的選擇，以及如何用軟件控制實現(xiàn)其避障功能1.4家庭清掃機器人的關鍵技術家庭清潔機器人的關鍵技術吸塵機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成:移動機構、4感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構是吸塵機器人的主體,決定了吸塵器的運動空間,一般采用輪式機構。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近傳感器、紅外線傳感器等。隨著近年來計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的迅速發(fā)展,清掃機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。清掃機器人的控制與工作環(huán)境往往是不確定的或多變的,因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號,以及通過適當?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境,具有特別重要的意義。目前發(fā)展較快、對清掃機器人發(fā)展影響較大的關鍵技術是:傳感技術、智能控制技術、路徑規(guī)劃技術、吸塵技術、電源技術等。傳感技術為了讓吸塵機器人正常工作,必須對機器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內部狀態(tài)進行監(jiān)控,還要感知機器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機器人相應的工作順序和操作內容能自然地適應工作環(huán)境的變化。1.5 總結也展望? 發(fā)展趨勢雖然清掃機器人的研究已經(jīng)取得了很大進步,進入了實用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術上解決傳感器技術、定位和環(huán)境建模技術.在此基礎上,自主吸塵機器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。? 展望盡管目前價廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來了一定的便利,但過大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。清掃機器人作為服務機器人領域中的一個新產(chǎn)品,將使人們能在無人看守情況下輕松地完成室內環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價格低的特點, 清掃機器人將具有誘人的市場前景,有關資料也預測清掃機器人是未來幾年需求量最大的服務機器人。特別是日用清潔電器不論是在市場上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來仍有相當大的成長空間。盡管目前國內外在清掃機器人研究開發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過高和許多關鍵技術問題尚急待解決或提高,主要有以下幾個方面: 5(1)目前,價格過高是嚴重影響清掃機器人打入家電市場的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開發(fā)專用運動控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應該看到藍牙技術在家電行業(yè)的應用前景,通過采用藍牙技術將過高的數(shù)字處理器成本轉移到用戶的個人電腦上,則有望在短期內將清掃機器人的成本控制在千元左右。(2)未來的清掃機器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結合現(xiàn)有的基于自適應控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術,研究開發(fā)出對環(huán)境變化具有良好的自適應性和魯棒性、對環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運動規(guī)劃與控制器,使吸塵機器人完成與人工操作質量相同甚至更好的吸塵工作。(3)為了有效地提高清潔的質量,還需要對現(xiàn)有的吸塵技術進行改進。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術設計合理的吸塵時間以及相協(xié)調的機器人運動速度,確保滿意的吸塵效果。(4)電源技術是吸塵機器人的核心之一,除了有效地提高機器人運動和吸塵速度以延長電池的實際吸塵時間外,還尚需優(yōu)化自動充電方案,保證機器人能及時進行充電,自動完成對指定環(huán)境的吸塵任務。隨著吸塵機器人關鍵技術和性能價格比的不斷提高或改進,相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來幾年內就會推出價格適中的全自動吸塵機器人產(chǎn)品,進而使吸塵機器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進千家萬戶,為這一高新技術產(chǎn)品帶來可觀的市場和經(jīng)濟效益。1.6論文主要完成工作課題主要完成的工作包括清潔機器人結構設計，驅動電機選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設計和軟件編程及試驗。1.機械結構部分包括機器人構成方案選擇、機器人本體機構設計和驅動電機的選擇2.避障系統(tǒng)控制方案包括機器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選擇3.控制系統(tǒng)硬件部分包括 AT89C51單片機控制系統(tǒng)硬件電路設計、電機驅動電路設計和傳感器檢測硬件電路設計4.控制系統(tǒng)軟件部分6包括 AT89C51單片機控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設計第二章 總體結構設計2.1整體結構布局整個機器人的結構由車體,吸塵裝置,傳感部分,控制部分組成。傳感部分包括車身兩側的光電傳感器和前面的碰板和光電開關組成的接觸式傳感器。機器人前輪為隨動輪,后輪采用差動式驅動,光電編碼器裝在前隨動輪上,與隨動輪同軸。當發(fā)生碰撞時,碰板帶動光開關移動產(chǎn)生信號變化。光電傳感器對車體側面進行探測，判斷左右轉彎是否可行。如結構簡圖2所示：碰板光電傳感器檢測懸空的光電傳感器隨動輪兩獨立驅動輪吸塵入口兩反向旋轉的邊刷圖2 清掃機器人結構示意圖考慮到機構和控制的復雜性,本清掃機器人采用圓形車體,圓形車體的最大優(yōu)點是運動靈活,控制簡單,不會發(fā)生卡死的現(xiàn)象。7車體前端是一個碰板系統(tǒng)由一套機械裝置和光電開關組成,用于檢測運動前方的障礙物。左右二個后輪獨立驅動,每個輪子都有電機、光電傳感器,各自是一個獨立的系統(tǒng),只接受控制系統(tǒng)的控制信號和反饋給控制系統(tǒng)運動信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng),包括二個電機驅動的一個清掃裝置和一個吸塵裝置。車體左右二側裝有二個光電傳感器,用于對小車轉彎可行性判斷。前輪的支撐部分是一個垂直方向可滑動桿,中間有彈簧做緩沖(運動的時候也有減震的作用)。本機器人沒有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨立設計了一塊碰板和光電開關組成,它可以檢測到車體前方的一切障礙物,不存在任何盲點?；⌒蔚呐霭逋ㄟ^2個連桿和車體鉸接在一起,連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑方向滑動,而和車體連接的部分可以旋轉,碰板二端和光電開關相連,當碰撞引發(fā)碰板移動后,通過光電開關的變化把信號反饋給控制系統(tǒng)。碰板可以把障礙物的位置分為3類:正前方,前方,右前方。通過2個光電開關的組合狀態(tài)給出,如果2個光電開關的初始狀態(tài)是0。如表1所示。表1 碰撞檢測對照表左光電開關 0 0 1 1右光電開關 0 1 0 1障礙物位置 未碰撞 右前 左前 正前整個清掃系統(tǒng)通過后方的圓孔和車體相鉸接,可以作很小幅度的擺動,這樣的設計將使機器人對地面的適應性有很大提高,整個清掃系統(tǒng)又可以分為清掃部分和吸塵部分,每部分各有1個電機提供動力,清掃部分在前端,由電機帶動2個旋轉方向不同的滾刷轉動,從而把紙片等大塊垃圾清掃進后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類似一個吸塵器,橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。82.2驅動部分驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步進電機帶動兩驅動輪，后輪， 從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結構, 而采用了應用非常廣泛的平面軸承, 這既減小了結構復度, 又提高了轉彎的靈活性?如圖49圖4 驅動結構通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率, 可以對步進電機實現(xiàn)較高精度的調速。同時在對兩電機分別施相同或不同脈沖信號時, 通過差速方式, 可以方便的實現(xiàn)吸塵器前進、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點是吸塵器能夠在任意半徑下, 以任意速度實現(xiàn)轉彎, 甚至當兩后輪相互反向運動時, 實現(xiàn)零轉彎半徑? 即繞軸中點原地施轉動。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調節(jié)。根據(jù)所需的驅動力矩和其它結構要求，驅動電機選用北京四通集團公司的57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式步進電動機。其參數(shù)如表2.2所示;10表2.2 57BYG250E-SAFRML-0152步進電機參數(shù) 2.3吸塵部分吸塵部分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。 2.4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脫線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池，這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時比較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個小時。2.5路徑規(guī)劃算法在本算法中,機器人的路徑大體分為兩類: ①面覆蓋的過程,機器人走直線,相當于一個”迂回推進”的過程; ②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) ,沿一側墻的方向建立 X軸 ,第一次清掃沿 X 軸相數(shù) 2步距角（°） 0.9/1.8靜態(tài)相電流（A） 1.5相電阻（ ）?1.0相電感（Mh） 5.3保持轉矩（Nm） 1.5定位轉矩（Nm） 0.06空載啟動頻率（半步方式） （KHz） 3重量（Kg） 1.5轉動慣量（gc㎡） 33011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算法,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的清掃直徑,碰到障礙物后,機器人的轉向90°并且側移20cm ,在轉向90°，這個動作由控制系統(tǒng)做好保存,直接調用,記為micro1 。(在前進過程中,發(fā)生碰撞時,機器人的轉向所采取的方向,取值可以為”左”或者”右”,由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。沿X 軸方向的遍歷圖 沿X軸方向的仿真圖沿Y軸方向的遍歷圖 沿Y軸方向的仿真圖12前可行的方法就是—通過建立被控制對象的模糊模型來實現(xiàn)模糊控制器。所謂建立被控制對象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來描述被控對象的動態(tài)特性。一條“如果—那么”表達式就是一條控制規(guī)則，因此被控制對象的模型是由多條控制規(guī)則組成的，這樣通過該模型就可以從輸入推理得出輸出。具體到本課題，模糊規(guī)則設定如下:規(guī)則1:如果機器人前方為階梯（沿X軸方向遍歷），那么它應該左轉一前行一再左轉；(把此類型障礙物當作墻來處理)規(guī)則2:如果機器人前方有障礙物（沿X軸方向遍歷），同時左側也有障礙物，那么它應該原地轉彎180度；（記為左轉為不可行）規(guī)則3:如果機器人懸空，那么它應該執(zhí)行電源關操作規(guī)則4:如果機器人前方為階梯（沿Y軸方向遍歷），那么它應該從右轉一前行一再右轉；(把此類型障礙物當作墻來處理) 規(guī)則5:如果機器人前方有障礙物（沿Y軸方向遍歷），同時右側也有障礙物，那么它應該原地轉彎180度；（記為右轉為不可行）規(guī)則6:如果機器人右前方?jīng)]有障礙物，那么它應該直線前行；規(guī)則7:如果機器人沿X軸方向遍歷完成，那么執(zhí)行沿Y軸方向的遍歷；（完成與否的判定根據(jù)是否有連續(xù)兩次轉彎不可行）規(guī)則8:如果機器人完成了沿X軸和Y軸方向的遍歷，那么小車執(zhí)行回充電插座充電；2.6仿真結果由于只是表達路徑規(guī)劃的算法,為了描述清晰及簡便,采用矩形環(huán)境邊緣,障礙物也選用邊緣規(guī)則的矩形,U 型等,而實際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。根據(jù)清掃機器人沿 X,Y軸方向的仿真圖我們可以較為準確的得到房間整個環(huán)境內容。13第三章 硬件控制部分設計在實際應用中，機器人車體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機構，故控制系統(tǒng)安裝在小車底板的上面?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括 AT89C51單片機控制系統(tǒng)及其外圍電路、電機驅動電路和傳感器檢測電路。3.1 AT89系列單片機簡介機器人的控制系統(tǒng)采用的是 AT89C51單片機。AT89 系列單片機是ATMEL公司的系列產(chǎn)品。其主要特點如下:.與 MCS-51'”產(chǎn)品兼容.1000次重復編程/擦寫.具有 2. 7V低電壓型號表 3. 1 AT89系列單片機的性能參數(shù)功能參數(shù) AT89C51 AT89C52 89C1051 89C2051閃速式存儲器（字節(jié)） 4K 8K 1K 2K內存（字節(jié)） 128 256 64 128工作頻率（MHz） 24 24 24 24輸入/輸出線 32 32 15 1516位定時器/數(shù)器 2 3 1 2中斷源 5 8 3 5串行口 1 1 0 1143.2 外圍電路(1)電源AT89C51單片機正常工作時，其 40腳(Vcc)接+SV 電源，20 腳(VSS 接地。本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓集成電路芯片 7805將蓄電池提供的++12V 直流電壓變換成+5V直流電壓。電路原理圖如圖 5所示。D1IN34XD22200uFR151KC10.1uFC20.33uF+12VINGNDOUT78L12VV12J9CON212J8CON2+5V78L0515圖 5 電源電路(2)復位電路通過某種方式，使單片機內各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。為使單片機正常工作，必須保證良好的復位。復位可分為上電復位和外部復位兩種方式。上電復位是指單片機在接通電源時對單片機復位，外部復位可由外部脈沖復位或由手動復位。本系統(tǒng)采用上電復位方式。復位電路如圖 6所示。上電瞬間由于電容 C7兩端電壓不能突變，所以電容正極電壓為低，經(jīng)過 74LS14反相施密特觸發(fā)器反相后，單片機 RESET腳保持高電平。隨著電容正極電壓的逐漸上升，RESET腳的電壓逐漸下降。只要合理選擇 Rg, C7的值使 RESET腳上高電平的保持時間超過兩個機器周期，就可以使單片機可靠復位，電容 C5, C6起濾波作用，防止干擾竄入復位端產(chǎn)生誤動作。R?RES2C522uFC610pFC710uFS1SW-P B12U11A74LS14VCC圖 6 復位電路16(3)時鐘電路單片機的定時控制功能是用片內的時鐘電路和定時電路來完成的，片內的時鐘產(chǎn)生有兩種方式:內部時鐘方式和外部時鐘方式。本課題采用內部時鐘方式(如圖 7所示)，片內高增益反相放大器通過 XTAL1和 XTAL2外接作為反饋元件的晶體(呈感性)與電容組成的并聯(lián)諧振電路構成一個自激振蕩器向內部時鐘電路提供振蕩時鐘。AT89C51 工作的時鐘圖頻率為 0-24MHz。本課題選擇 12MHz的石英晶振與 30pF的電容構成并聯(lián)諧振電路。采用外部時鐘方式時，按不同工藝制造的單片機芯片有不同的接法， 如表 3. 2所示。 X 11 2 .00 0 M H ZC 33 0 p FC 43 0 p F圖 7 時鐘電路表 3. 2單片機外部時鐘接法表接法 芯片類型XTAL1 XTAL2HMOS型 接地 接片外振蕩脈沖入端CHMOS型 接片外振蕩脈沖入端 懸空173.3 電機驅動電路步進電機的步進原理步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的控制電動機。說通俗點，就是給一個電脈沖，步進電動機就轉動一個角度或者前進一步，因此，步進電機也稱脈沖電動機。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉速由脈沖信號頻率決定。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉變成角位移，因此非常適合于單片機控制。步進電機的角位移或線位移量與電脈沖個數(shù)成正比，它的轉速或線速度與電脈沖頻率成正比。在負載能力范圍內這些關系不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化。通過改變脈沖頻率的高低可以在很大范圍內實現(xiàn)步進電機的調速，并能進行快速啟動、制動和反轉。它能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備—步進電機控制驅動系統(tǒng)，典型的步進電機控制驅動系統(tǒng)如圖８示：圖８進電機控制驅動系統(tǒng)變頻信號源是一個脈沖頻率從幾赫到幾十千赫連續(xù)變化的信號發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關系加到各相繞組的功率放大器上，使步進電機按一定方式運行，實現(xiàn)正、反轉控制和定位。脈沖分配器輸出的功率極小，只有幾毫安電流，必須通過功率放大器進行放大，才能給相繞組提供足夠的電流。相電流一般需要幾安培甚至十幾安培電流。步進電機有幾相，就需要幾組功率放大器?，F(xiàn)在步進電機控制驅動系統(tǒng)經(jīng)常將變頻號信號源、脈沖分配器和功率放大器集成在一起，使用起來十分方便。本課題的步進電機控制驅動系統(tǒng)選用的是北京四通電機有限責任公司生產(chǎn)的 SH-20402A兩相混合式步進電動機細分驅動器.其中。其主要特點如下:(1) lOV-40V直流供電(2) H橋雙極恒相流驅動18(3)最大 2A的八種輸出電流可選(4)最大 64細分的八種運行模式可選(5)輸入信號光電隔離(6)可適應共陽、共陰、單/雙脈沖多種模式(7)脫機((FREE)保持功能(8)半密閉式機殼可適應更嚴苛環(huán)境(9)提供節(jié)能的自動半電流鎖定功能S H-20402A兩相混合式步進電動機細分驅動器性能指標如表 3.3所示:表 3.3 電氣性能(環(huán)境溫度 Tj=25℃時)SH-20402A兩相混合式步進電動機細分驅動器的輸入信號與 TTL電平兼容，驅動器的接線端子采用可拔插端子，可以先將其拔下，接好線后再插上。其輸入信號如下:(1)公共端驅動器的輸入信號采用共陽極接線方式，應將輸入信號的電源正極連接到該端子上，將輸入信號連接到對應的信號端子上，此時對應的內部光耦導通，控制信號輸入驅動其中。當用戶系統(tǒng)的信號無法提供共陽極接線方式時，需要另作接口電路與之匹配。(2)脈沖信號輸入該脈沖信號下降沿被驅動器解釋為一個有效脈沖，并驅動電機運行一步，脈沖低電平的持續(xù)時間不應少于 10 μｓ．(3)方向信號輸入該端信號的高電平和低電平控制電機的兩個轉向。該端懸空被等效認為輸入高電平?？刂齐姍C轉向時，應確保方向信號至少 5 us建立，可避免驅動器對脈沖的錯誤相應。(4)脫機信號輸入該端接受控制機輸出的高/低電平信號，低電平時電機相電供電電源 10VDC-40VDC,容量 30VA輸出電流 峰值最大 2A/相（電流可由面板點位器調節(jié)）驅動方式 恒相流 PWM控制勵磁方式 最大六十四細分的八種運行模式（也可定制十細分）絕緣電阻 在常壓下大于 100M?絕緣強度 在常溫常壓下 0.5KV，1 分鐘19流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)(脫機狀態(tài))。高電平或懸空時，轉子處于鎖定狀態(tài)。本課題中左右驅動電機的驅動器脈沖信號輸入分別由 AT89C51的 P1_ 0位和 P1_ 2位提供，方向信號由 AT89C51的 P1_ 1位和 Pl_ 3位提供。3.4 檢測電路機器人自主運行時，獲得外部環(huán)境信息是至關重要的，而獲得外部環(huán)境信息唯一的途徑就是依靠傳感器。同人一樣，如果不了解周圍環(huán)境的情況，機器人就不能靈活的適應環(huán)境，所以精確、靈敏的傳感器檢測電路的設計是非常必要的。本課題采用的障礙檢測傳感器選用的是飛凌傳感器有限公司的 E30-DSSONA直接反射型光電開關，它采用光電開關集成電路、傳感器與放大器合成一體，具有體積小、性能可靠，安裝使用方便等特點。其工作原理為:當被檢測物體經(jīng)過時，將足夠量的發(fā)光器所發(fā)射的光線直接反射回受光器，光電開關產(chǎn)生檢測開關信號。所以該傳感器能以非接觸方式檢測出前方一定范圍內的物體，并轉換成高電平信號輸出。其主要技術參數(shù)如表 3.４示:表 3.4E30-DSSONA光電開關主要技術參數(shù)電源電壓 DC10~0DC檢測方法 直接反射、漫反射、擴散反射檢測距離 10-50cm檢測溫度 -10攝氏度~+55 攝氏度消耗電流 40mA以下檢測物體 透明、步透明體響應時間 2.5ms以下動作方式 亮通、暗通環(huán)境亮度 白熾燈 3000LX以下。太陽燈 1000LX以下控制輸出 輸出電流 200mA以下其接線原理圖如圖９所示：20圖９E30-DS50NA 接線原理圖 三根外引線接法如下:棕色線接電源正極(十)，藍色線接電源負極(一)，黑色線接負載(繼電器等)。傳感器背面的紅色發(fā)光二極管用來指示開關工作狀態(tài)，平時熄滅，有反射物時發(fā)光;靈敏度調節(jié)孔，用來調節(jié)發(fā)反射監(jiān)測距離，順時針旋轉反射監(jiān)測距離增大，逆時針旋轉反射監(jiān)測距離減小。本課題中將棕色線和藍色線分別接在直流蓄電池提供的 12V電源的正負極，由于檢測障礙時，開關動作將黑色線和棕色線通過負載構成回路，只需將此開關信號提供給單片機即可。由于該光電開關采用 12V電源供電，所以需經(jīng)過電平轉換將其轉變?yōu)?TTL電平才將信號送給單片機。電平轉換是光電藕合器 OPPOISO1完成的(如圖 11，圖中的接線端子 1～3 接光電開關的藍色線、黑色線和棕色線)，當光電開關檢測到障礙，則 TLP521前向通路導通，后向通路中的光敏晶體管隨即導通，輸出由高電平(十 5V )拉低至低電平(接地 )。把 5組光電開關經(jīng)電平轉換后的輸出輸入給三輸入與門 74LS11,74LS11的輸出端接到 AT89C51的外部中斷請求。將這三路光電開關并排安裝在小車前方，一旦任何一路開關檢測到障礙，都會觸發(fā) AT89C51的外部中斷，小車立刻停車，根據(jù)前方及兩側的傳感器判斷障礙物的大小和位置。調用相應的子程序。21U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?1 2 1312U8A74LS11圖１０檢測傳感器電平轉換原理圖223.5 光電編碼器本課題中要求機器人實現(xiàn)遍歷無障礙的區(qū)域，這就要求機器人在繞開障礙物以后要回到原來的行進路線上去。為實現(xiàn)這個目標，需要記錄下機器人在繞障過程中偏離原來路線的路程。因為實際工作對路程的記錄精度要求不是很高，而且機器人只有一前進和轉向兩種運動方式，故采用自制的光電編碼器可以滿足課題要求。經(jīng)比較，光電元件選用 FS-359E型光電對管，因為它體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜。其原理如圖 11.當發(fā)光二極管不發(fā)光時，光晶體管基極開路，基極發(fā)射極處反偏狀態(tài)，集電極與發(fā)射極之間沒有電流流過，相當于開路狀態(tài);當發(fā)光二極管兩端加正向電壓時，發(fā)光二極管發(fā)光，光線經(jīng)物體表面反射到光敏晶體管的 PN結處，由于光生福特效應，晶體管的基極電流，基極與發(fā)射極正向偏置，產(chǎn)生光電流。該電流相當于普通集電極與發(fā)射極之間導通。U 3O P TO I S O 1圖 11 光電對管原理圖23R161KR171K12U12A74LS14U12OP TOISO1+ 5V+ 12V圖 12 光電編碼原理圖24第四章 控制系統(tǒng)軟件設計4.1控制系統(tǒng)軟件設計機器人的單片機控制系統(tǒng)軟件作用主要是:當避障傳感器檢測到的信號后，根據(jù)傳感器的檢測信號來判斷障礙的位置情況，通過改變電機驅動器的輸入信號，調節(jié)電機轉速和方向，使左右驅動輪電機產(chǎn)生差速，從而達到等轉彎、避障的目的。其主程序流程圖如圖 13所示. 圖 13 主程序流程圖主程序的任務是完成系統(tǒng)的初始化。當前方?jīng)]有障礙物時，機器人前進。當前方檢測到障礙時，觸發(fā)外部中斷 INT1，進入避障中斷服務子程序。外部中斷INT1的中斷服務子程序如圖 14.避障中斷服務子程序主要完成的任務是:當機器人前方檢測到障礙時，機器人先停止，然后根據(jù)碰板上的光電開關，以及車體左右兩側的光電傳感器和底部的光電傳感器的檢測信號執(zhí)行相應的服務子程序。小車先沿 X軸方向迂回前進，將碰撞次數(shù)(即外部中斷次數(shù))存儲在 R1，為奇數(shù)采取左轉向原則；為偶數(shù)采取右轉向原則。當連續(xù)兩次需要原地轉彎的時候，R1 數(shù)值加 1；當這種情況第二次發(fā)25生時，表示清掃機器人人沿 X或 Y方向的遍歷完成，初掃模式完成；當?shù)谒拇伟l(fā)生這種情況時，表示清掃機器人沿 X，沿 Y方向的清掃都已經(jīng)完成，精掃模式完成。如果選擇精掃模式，則在第二次的時候將原地旋轉 180度改為原地旋轉 90度。將小車需要連續(xù)的選擇兩次原地轉彎的次數(shù)紀錄在 R2.通過 R2數(shù)值的設定選擇清掃模式。? P2.3：懸空判斷? P2.2: 碰撞判斷? P2.1：左障礙判斷? P2.0：右障礙判斷1. 當輸入信號為 1XXX時:表示小車懸空，調用中斷程序 1，小車執(zhí)行總開關“關”操作;2. 當輸入信號為 010X，R1 為奇數(shù)時：表示小車左轉彎可行。調用中斷程序2，小車執(zhí)行左轉 90度，前行 20cm，在左轉 90度操作；3. 當輸入信號為 011X，R1 為奇數(shù)時：表示小車小車左轉彎不可行,調用中斷程序 3.小車執(zhí)行原地左轉彎 180度操作；4. 當輸入信號為 01X0，R1 為偶數(shù)時：表示小車右轉彎可行。調用中斷程序4，小車執(zhí)行右轉 90度，前行 20cm，在右轉 90度操作；5. 當輸入信號為 01X1，R1 為偶數(shù)時：表示小車小車右轉彎不可行,調用中斷程序 5.小車執(zhí)行原地右轉彎 180度操作；外部中斷 INTO服務子程序的任務是給光電編碼器計數(shù)。定時器 0和定時器 1溢出中斷服務子程序的任務是為左右輪的步進電機提供所需頻率的脈沖。26INT1 入 中斷程序口判斷 P2 口低四位和 R2 的奇偶性關中斷保護現(xiàn) 場調用子程序1調用子程序3調用子程序5開中斷恢復現(xiàn) 場中 斷 返 回調用子程序2調用子程序44.2 AT89C51定時器設置驅動步進電機的脈沖由 AT89C51的定時器中斷方式產(chǎn)生。A 丁 89C51有兩個 16位內部定時器/計數(shù)器(T/C)，它們既可以編程為定時器使用，也可以編程計數(shù)器使用。若是計數(shù)內部晶振驅動時鐘，則為定時器;若是計數(shù)輸入管腳的脈沖信號，則為計數(shù)器。當 T/C工作在定時器方式時，對振蕩源 12分頻的脈沖計數(shù)，即每個機器27周期計數(shù)值加 1，計數(shù)率=1/12fosc。本課題選擇的晶振為 12MHz，計數(shù)率=1000kHz，即每 1μs計數(shù)值加 1.當 T/C工作在計數(shù)器方式時，計數(shù)脈沖來自外部脈沖輸入管腳 TO (P3_ 4)或 T 1(P3_5)，當 TO或 T1腳上負跳變時計數(shù)值加 1。識別管腳上的負跳變需兩個機器周期，即 24個振蕩周期。所以 TO或 Tl腳輸入的可計數(shù)外部脈沖的最高頻率為 1/24fosc。當晶振為 12MH