室内智能清洁机器人控制系统毕业设计.docx
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室内智能清洁机器人控制系统毕业设计
室内智能清洁机器人控制系统设计
摘要
智能家庭清扫机器人结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，
实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代了传统的人工清洁工作，具有
十分广阔的市场前景。
本文首先综述了家庭清扫机器人的国内外研究现状，在综合比较了国内外多种
典型产品的基础上，提出适合中低端用户使用的家庭清扫机器人整体设计方案。
智能家庭清扫机器人系统由清扫机器人和充电站组成。
清扫机器人是实现智能
清扫的主体部分，本文介绍了清扫机器人的组成部分，并完成了硬件电路的实现。
考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了宏晶科技公司的STC89C52单
片机，所构成的单片机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。
然
后，详细设计了红外传感器，碰撞检测，电源模块、充电模块、键盘、液晶显示以
及各种电机控制等电路。
在软件设计方面，采用C51语言编制了控制系统各部分的
软件，包括主控程序以及时钟设定、键盘中断服务、红外、碰撞传感器检测等子程
序。
最后，综合设计结果制作了实验样机，进行实验研究。
结果表明，所制作的清
洁机器人能够完成房间清扫工作，达到了预期的设计效果。
关键词：
清洁机器人，智能控制，单片机系统
I
室内智能清洁机器人控制系统设计
Abstract
Intelligentdomesticcleaningrobotunifiesmanyessentialtechnologiessuchas
sensor,mobilerobottechnologyandetc.Ithasrealizedthesemiautomaticorentire
automaticcleaningforindoorenvironment（ground）andsubstitutedthetraditional
manualcleaning.Ithasanexpansiveprospectonmarket.
Thepaperfirstsummarizesthedomesticandforeignresearchontheintelligent
domesticcleaningrobot.Basedonthecomparisonamongmanytypicalproducts,a
wholedesignschemeofintelligentdomesticcleaningrobotadapttobeusedbylow-cost
productuserisbroughtforward.
Therobotsystemiscomposedofcleaningrobotandthebatterychargingstation.
Cleaningrobotisthemainparttorealizetheintelligentcleaning.Thisarticleintroduces
theconstituentsofcleaningrobotandhascompletedthehardwarecircuits.Considered
thememory,theinterfaceresourcesandthereliabilityperformanceandetc,the
HongJingCorporation'sMCUSTC89C52hasbeenchosenasmastercontroller,which
makestheMCUapplicationsystemhavestrongfunction,highratioofperformanceto
price,andtotallysatisfytherequirementofcontrolfunction.Thenthisarticledesignsthe
circuitriesoftheinfraredsensor,thecollisiondetecting,thepowersupply,therecharge
module,thekeyboard,theliquidcrystaldisplayaswellasthevariousmotorandetc.In
thesoftwaredesignaspect,thesoftwareoftheMCUbasedonC51languagehasbeen
designedaccordingtothecontrolstrategy.Includesthemaincontrollingprogramand
alsorealizestheclocksetting,thekeyboardinterruptservicesubprogramandthe
detectionproceduresofinfraredandcollisionsensors.
Finally，webuildamobileroomcleaningrobotbyusingthedesignoutcomeand
experimentize.Theresultindicatesthatthecleaningrobotcanfinishthecleaningof
roomatlastandcomplywiththedesignrequirement.
Keywords:
cleaningrobot,intelligentcontrol,MCUsystem
II
室内智能清洁机器人控制系统设计
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ
第一章绪论…………………………………………………………………………1
1.1选题背景、目的与意义…………………………………………………………1
1.1.1机器人技术概述…………………………………………………………………1
1.1.2服务机器人出现原因…………………………………………………………2
1.1.3清洁机器人特点…………………………………………………………………3
1.2国内外研究发展现状与趋势……………………………………………………4
1.2.1国外研究发展现状………………………………………………………………4
1.2.2国内研究发展现状………………………………………………………………6
1.2.3关键技术与发展趋势……………………………………………………………7
1.3本文的主要工作内容……………………………………………………………9
第二章清洁机器人的总体设计……………………………………………………11
2.1清洁机器人硬件总体设计……………………………………………………11
2.1.1清洁机器人本体硬件结构……………………………………………………12
2.1.2清洁机器人充电站硬件结构……………………………………………………14
2.2清洁机器人软件总体设计……………………………………………………15
2.3开发工具与方法介绍…………………………………………………………17
2.3.1PROTEUS介绍…………………………………………………………………17
2.3.2KEILC51介绍…………………………………………………………………19
2.4本章小结………………………………………………………………………20
第三章清洁机器人硬件电路设计…………………………………………………21
3.1单片机系统电路设计…………………………………………………………21
3.1.1时钟电路………………………………………………………………………22
3.1.2复位电路………………………………………………………………………22
3.2电源转换电路设计……………………………………………………………22
3.2.1DC+5V电源电路………………………………………………………………22
3.2.2DC+9V电源电路………………………………………………………………23
3.2.3总电源转换电路………………………………………………………………24
3.3直流电机驱动电路设计………………………………………………………25
3.3.1左右轮电机驱动电路…………………………………………………………25
I
室内智能清洁机器人控制系统设计
3.3.2清洁机构电机驱动电路………………………………………………………26
3.4传感器电路设计………………………………………………………………27
3.4.1传感器布局……………………………………………………………………27
3.4.2红外线避障传感器……………………………………………………………28
3.4.3红外台阶检测传感器…………………………………………………………30
3.4.4碰撞传感器……………………………………………………………………31
3.4.5霍尔传感器……………………………………………………………………32
3.4.6多传感器信息融合……………………………………………………………33
3.5电池电压监测电路设计………………………………………………………33
3.5.1电压信号转换电路……………………………………………………………34
3.5.2A/D采样电路…………………………………………………………………36
3.6输入输出部分电路设计………………………………………………………37
3.6.1键盘输入电路…………………………………………………………………37
3.6.2液晶显示模块电路……………………………………………………………38
3.6.3状态指示灯和蜂鸣器电路………………………………………………………39
3.7本章小结………………………………………………………………………39
第四章清洁机器人软件程序设计…………………………………………………40
4.1单片机系统控制程序…………………………………………………………40
4.1.1时钟与设置程序………………………………………………………………40
4.1.2液晶显示程序…………………………………………………………………41
4.1.3片内EEPROM读写程序………………………………………………………43
4.2驱动电机控制程序……………………………………………………………43
4.2.1电机正反转控制………………………………………………………………43
4.2.2电机转速控制…………………………………………………………………44
4.2.3电机反馈控制…………………………………………………………………46
4.3避障处理………………………………………………………………………46
4.3.1未知环境探测…………………………………………………………………46
4.3.2实时避障方法的实现…………………………………………………………47
4.4路径规划………………………………………………………………………49
4.4.1路径规划概述…………………………………………………………………49
4.4.2常用的几种方法………………………………………………………………50
4.4.3四种实用算法的实现…………………………………………………………53
4.4.4往复式与内螺旋式性能分析……………………………………………………55
II
室内智能清洁机器人控制系统设计
4.5本章小结………………………………………………………………………58
第五章自动充电技术研究…………………………………………………………59
5.1自主充电技术概述……………………………………………………………59
5.1.1自主充电的目的………………………………………………………………59
5.1.2自主充电对接方式分类………………………………………………………60
5.2机器人自动充电技术发展现状………………………………………………60
5.2.1接触式充电技术发展现状………………………………………………………60
5.2.2非接触式感应充电介绍………………………………………………………61
5.3自动充电系统具体设计………………………………………………………62
5.3.1自动充电总体方案……………………………………………………………62
5.3.2电池电压监控…………………………………………………………………62
5.3.3红外发射电路…………………………………………………………………63
5.3.4红外接收电路…………………………………………………………………64
5.3.5电池充电电路…………………………………………………………………65
5.3.6充电电源检测…………………………………………………………………67
5.3.7充电站控制……………………………………………………………………68
5.4自动充电系统软件设计………………………………………………………69
5.5本章小结………………………………………………………………………70
第六章经济技术分析………………………………………………………………71
6.1市场现有产品分析……………………………………………………………71
6.2项目成果直接经济效益分析…………………………………………………72
6.3市场前景分析…………………………………………………………………73
第七章结论与展望…………………………………………………………………74
7.1结论……………………………………………………………………………74
7.2展望……………………………………………………………………………74
参考文献………………………………………………………………………………76
致谢……………………………………………………………………………………78
附录1控制系统总电路图……………………………………………………………79
附录2各模块PCB图…………………………………………………………………80
附录3源程序清单……………………………………………………………………84
声明…………………………………………………………………………………110
III
室内智能清洁机器人控制系统设计
第一章绪论
1.1选题背景、目的与意义
[1]
吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现室内地面环
境的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作，近年来已受到国内外的
研究人员重视。
作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化自主
式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。
从市
场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公
共场馆的室内清洁。
因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广
阔的市场前景。
融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，
全区域覆盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。
使它可以
替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化，使科技更好地为人类
服务。
1.1.1机器人技术概述
自50年代第一台机器人装置在美国诞生以来，机器人的发展经历了一个从低
级到高级的发展过程。
第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储
器，由人将作业的各种要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。
当它接到
再现命令时，则自主地模仿示范的动作作业。
第二代机器人是装有小型计算机和传
感器的离散编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机
器人更灵活、更能适应环境变化的需求。
第三代机器人是智能机器人，它不但有第
二代机器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环
境，并能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作，是人工
智能发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。
机器人按照智能化程度的高低，可以分为外部受控机器人、半自主机器人和全
自主机器人。
外部受控机器人的本体没有智能单元，只有执行机构和感应机构，它
受控于外部计算机，在外部计算机上具有智能处理单元，处理由受控机器人采集的
各种信息以及机器人本身的各种姿态和轨迹等信息，然后发出控制指令指挥机器人
的动作。
半自主机器人具有了部分处理和决策功能，能够独立地实现一些诸如轨迹
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室内智能清洁机器人控制系统设计
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规划、简单的避障等功能，但是还要受到外部的控制。
全自主机器人的本体上具有
感知、处理、决策、执行等模块，可以就像一个自主的人一样独立地活动和处理问
题。
全自主移动机器人的最重要的特点在于它的自主性和适应性。
自主性是指它可
以在一定的环境中，不依赖任何外部控制，完全自主地执行一定的任务。
适应性是
指它可以实时识别和测量周围的物体，根据环境的变化，调节自身的参数、调整动
作策略以及处理紧急情况。
交互性也是自主机器人的一个重要特点，机器人可以与
人、与外部环境以及与其他机器人之间进行信息的交流。
全自主移动机器人涉及诸
如驱动器控制、传感器数据融合、图像处理、模式识别、神经网络等许多方面的研
究。
随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广，开始从传统的工业领域，向
军事、公安、医疗、服务等领域渗透。
与此同时，机器人的概念也越来越宽，己从
狭义的机器人，开始向机器人技术扩展。
对于己经相当成熟的工业机器人来说，服务机器人是近年来出现机器人学的一
个新领域。
包括清洁机器人在内的各种可以直接或者间接为人类服务的机器人都属
于服务机器人的范畴。
由于服务机器人涉及的领域很广泛，因此到目前为止国际上
对服务机器人也还没有一个权威的定义。
国际机器人联合会对服务机器人给出的一
个初步定义为：
“服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能够完成有
益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备”。
德国生产技术与自动化研
究所对服务机器人给出的定义则为“服务机器人是一种可以全自主或者半自主地为
人类或者设备提供有用服务的机器人”。
中华人民共和国国务院发布的《国家中长
期科学和技术发展规划纲要》对服务机器人的定义为：
“智能服务机器人是在非结
构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备”。
由于服务机器人
与普通公众关系密切，最近越来越受到人们的关注，并已经成为一个研究热点。
1.1.2服务机器人出现原因
以往的服务机器人的研究和开发主要在大学和研究所中进行，目前，越来越受
到企业和商业界的重视，这主要是其所具有广大市场和巨大利润所致。
服务机器人
的出现主要有以下几个原因：
第一、由于劳动力成本的上升，人们希望能由低成本的服务机器人来替代人工
进行长时间高效率地工作。
第二、需要服务机器人替代人类从事危险的工作。
机器人可以检修危险的工业
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室内智能清洁机器人控制系统设计
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设备，处理各种危险物品，巡查核设施以及偏远地区的输油管道，而在安防系统及
搜救行动中，机器人更能充当起关键角色。
第三、需要服务机器人来照顾老龄人和残疾人。
联合国统计预测显示，目前全
球老龄人口总数已达6.29亿，到2050年，60岁以上的老龄人口总数将近20亿，
占总21%。
目前，中国60岁以上老年人口己达1.43亿，占总人口的n%，2020年
将占17.2%，2050年总量将超过四亿，将占31%。
据国际残疾人机构统计，全世界
约有5亿多残疾人。
据2006年我国残疾人调查数据显示，我国残疾人占全国总人
口的比例为6.34%。
随着老龄人口的比例上升和残疾人数的增多，更多的老人和残
疾人需要照顾，社会保障和服务的需求也更加紧迫。
这就需要大量的陪护机器人来
帮助老年人和残疾人能够更加独立地生活，甚至协助医生进行远程监护、诊断并治
疗。
第四、随着社会进步以及对个性生活价值观的变化，随着信息高速发展和生活、
工作节奏的加快，人们需要从繁杂的家庭劳动中解脱出来，腾出更多的时间来做更
有意义的事情。
第五、由于生活节奏的加快和工作的压力，也使得年轻人没有更多时间陪伴自
己的孩子，而且中国多年的计划生育政策之后，己经形成了人口倒金字塔结构，使
得年轻人没有更多时间陪伴自己的孩子，家庭护理机器人、玩具机器人、安控机器
人也成为当前社会的需要。
第六、随着网络家电、数字家庭的普及，市场迫切需要智能机器人来管理家庭
以及辅助安排家庭日常生活。
1.1.3清洁机器人特点
吸尘式清洁机器人一般具有如下的特点：
1）吸尘机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用
性。
2）吸尘机器人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、
展览馆、图书馆等公共场所。
环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以及
走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。
所以环境适应性是对
此类机器人的基本要求。
3）吸尘机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、
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