基于ASUII的机器人吸尘器的研究与设计.docx
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基于ASUII的机器人吸尘器的研究与设计
毕业设计
题目：
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计
学院：
电气信息学院
专业：
测控技术与仪器班级：
0701学号：
200701200110
学生姓名：
苏树清
导师姓名：
寻大勇
完成日期：
2011年6月
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计
姓名苏树清学院电气信息学院专业测控技术与仪器班级0701学号200701200110
指导老师寻大勇职称讲师教研室主任李晓秀
一、基本任务及要求：
本课题要求设计一个基于AS-UII的机器人吸尘器。
通过本系统的研究与设计，完成：
①研究机器人工作原理与结构，包括机器人计算机系
统、传感器系统及执行系统；②研究机器人的行走策略并设计算法；③设计自动吸尘器的
硬件及软件。
二、进度安排及完成时间：
第1周讲解课题、分析、领会课题内涵，查阅资料
第2周~第4周查阅资料、撰写文献综述、撰写开题报告
第5周~第6周毕业实习、撰写实习报告
第7周~第8周提交需求分析报告
第9周~第10周完成硬件设计
第11周~第14周完成软件设计
第15周撰写毕业设计说明书
第16周毕业设计答辩
诚信声明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名：
日期：
年月日
基于AS-UII的机器人吸尘器的研究与设计
摘要：
家用清洁机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。
虽然已有很多样机和产品产生，但它们仍有很多的问题需解决：
如动态环境中的适应性，它的覆盖率和盖效率及其成本等。
吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术，从理论和技术上讲，全自主智能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，全自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。
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。
本设计采用广茂达公司的能力风暴机器人AS-UII设计智能吸尘器，完成了对机器人工作原理与结构的研究，设计了机器人的行走策略并设计算法以及设计智能吸尘器的硬件。
本设计利用能力风暴机器人设计吸尘器，对吸尘机器人的路径规划和行走策略进行了探究，并注重相应算法的实现。
本设计利用能力风暴机器人支持多任务执行的优点，设计出了在同一时刻能执行多种任务的程序，这能大大提高系统的实时性，使机器人能及时处理各种输入信号。
关键字：
机器人；吸尘器；行走策略；路径规划
TheresearchanddesignofcleaningrobotbasedonAS-UIIrobot
Abstract:
Fullautonomouscleanerishotinthefieldofmobilerobot.Thoughmanyprototypesandproductshavebeenmanufactured,theystil1havemanyproblemstobesolved，suchasadaptabilityindynamicenvironments,coverageratio＆efficiencyanditscost.Tocleaninaroomwithoutthehelpofthehosts,itisachallengingtaskforautonomouscleanerbecauseitinvolvesmanycurrentAItechnologies.Intheviewoftheoryandtechnology,fullautonomouseleanerwasapp]iedmanykeytechnologyformobilerobot.Theycanreduceburdenofhouseworkandimproveefficiencyandareverysuitableforusinginhotel,hospitallibrary,officeandhome.Therefore,itisachallengeinscientificresearchandcommerce．
ThedesignofIntelligentrobotvacuumcleanerwasbasedontheGrandarcompany'sabilitystormrobotAS-UII.Itcompletedworksonthetheoryandthestructureofrobotanddesigntherobot’swalkingstrategyalgorithmsandtherobot’shardware.Thevacuumcleanerwasdesignedbyusingtheabilitystormrobot,anditmainlyexploresthepathplanningandwalkingexplorationstrategyofcleaningrobotandfocusesontherealizationofthecorrespondingalgorithms.
Thisdesignusestherobot’sadvantageofsupportingthemulti-taskexecutiontodesigntheprogramofprocessingavarietyofmissionsatthesametime.Thiscangreatlyincreasethesystem'sreal-time.Thustherobotcanhandleavarietyofinputsignalsintime.
Keywords:
robot;vacuumcleaner;walkingexplorationstrategy;pathplanning
第1章绪论
1.1吸尘机器人简介
1.1.1吸尘机器人概述
自第一台工业机器人问世以来，机器人有着突飞猛进的发展。
机器人在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用，带来了巨大的经济和社会效益，也有力地推动了有关学科和技术领域的发展。
服务机器人是一个新的机器人研究领域。
作为正在发展新研究领域，服务机器人有许多不同的定义，但它的最基本特征是提供服务。
和工业机器人一样，服务机器人基本上包括机器人的所有基本特性。
它往往和人结合于同一工作环境中，这隐含着许多工业机器人没有的特性，如安全问题、人机交互性、在非结构化环境中的高度自治等。
目前服务机器人成功应用的领域有雕刻、消防、清洗、医疗、焊接等等。
从长期来看，服务机器人的应用数量将会超过工业机器人。
吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。
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，实现室内环境（地面）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重视。
作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术层面上讲，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。
吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。
1.1.2吸尘机器人的特点
吸尘机器人具有如下的特点：
（1）有些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。
（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、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。
考虑安全因素，吸尘机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时吸尘机器人还必须具备自我保护能力。
1.1.3吸尘机器人的关键技术
吸尘机器人系统主要由五个部分组成：
移动机构、传感器系统、控制系统、吸尘系统和电源模块。
对吸尘机器人的研究涉及到机器人的机械结构设计、障碍物检测、自主避障、运动控制以及路径规划、导航定位等多个方面。
目前，关于吸尘机器人移动机构、控制系统、吸尘系统等的研究已经具备了良好的基础。
要提高清洁机器人的自动化程度和清洁效率，还必须在障碍物检测、自主避障以及路径规划等方面做大量工作。
对吸尘机器人发展影响较大的关键技术是：
传感器技术、自主避障技术、路径规划技术、吸尘技术等。
（1）传感器技术
传感器系统是机器人的感觉器官，负责采集外界环境和自身状态的信息。
根据采集
信息的种类可以分为内传感器和外传感器。
内传感器负责采集系统自身状态的信息，包
括编码器、陀螺仪、电子罗盘等。
外传感器负责采集系统外部信息,包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、接触和接近传感器等。
超声波、红外传感器和接触传感器，具有价格低廉、工作可靠、速度快的优点，广泛应用于机器人的局部无碰撞导航。
一般吸尘机器人的传感器系统都配备不止一种传感器，而是根据任务要求和非结构化环境特点，选择多种合适的传感器，安装在机器人本体合适的位置，联合构成多源传感器系统。
其主要优点就是在同样的探测条件下，可以协调使用多个传感器把分布不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整探测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，从而获得对物体或环境的一致性解释和描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。
（2）自主避障技术
移动机器人自主避障技术的研究一直受到广泛关注，到现在已经有多种自主避障方法被提了出来，这些方法总的来说可以分为两类，即全局规划方法和局部控制方法。
清洁机器人多在非结构化环境下工作，面对的是未知、复杂的环境，因此，局部控制方法得到了更多的应用。
局部控制方法不需要建立环境模型，机器人所要做的也仅仅是一些相对简单的任务。
但是，由于机器人没有建立和读取高级环境地图的能力，所以有时候
并不能保证百分之百完成任务。
在这种情况下，为了保证较高的工作效率和安全系数，
需要有更多的探测工具来获取更多的环境信息。
吸尘机器人一般工作在未知、复杂的环境下，对于工作环境中各种静态和动态障碍
物，机器人不仅能够识别和避让，还要保证不对自身和障碍物造成伤害。
吸尘机器人依
靠传感器系统（涉及到多种传感器，如超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器等
低成本但实用的传感器，以及CCD摄像机、激光雷达等高成本传感器）获得工作环境
下的各种静态和动态障碍物信息，然后由控制器对获得的障碍物信息进行判断，再根据
避障控制策略和算法做出合适的避障决策以避开障碍物。
如何获取障碍物信息是吸尘机器人自主避障技术研究的主要内容之一。
作为家用吸尘机器人，自主避障就是要解决对行走路径上出现的障碍物的自动避让问题，这时需要获得的信息是机器人与障碍物之间的距离和障碍物相对于机器人的方位等等（这里所说的方位是指障碍物相对机器人的位置，比如机器人右侧30度方向）。
距离信息可以通过测距传感器（如超声波传感器）获得，方位信息可以通过在机器人周边固定方位按照定性探测传感器（如红外光点传感器）来获取。
当然还有其它的方法可以利用，在这里不作讨论。
避障控制策略和算法设计是清洁机器人自主避障技术研究的另一主要内容。
吸尘机器人避障行为的成功与否与避障策略和算法的好坏有着莫大的关系。
因此，设计避障控制策略和算法时，应尽量采用简单的数学模型，本着简单、可靠和稳定的原则，保证机器人在行走过程中能有效避开障碍物。
J.Borenstein,Y.Koren等人提出势场法避障方案势场法将每一个障碍物都用一个二维的笛卡尔栅格来表示，目标位置对移动机器人产生一种虚拟的吸引力，而障碍物对机器人产生一种虚拟的排斥力，这两种力的合成就决定了移动机器人的运动。
然而，势场法有其自身的缺点，如存在陷阱区域，在相近障碍物之间不能发现路径等。
吴海彬等人提出基于绕障的避障算法，遇到障碍物时，机器人围绕障碍物行走，每直线行走一段距离后，向障碍物方向转过一定角度，直到回到遇到障碍物之前的行进路线上。
该种方法的优点在于机器人在避开障碍物之后，能够回到原来的行进路线上，有力保证了行走路径的规则性，提高清洁效率。
但是其对驱动控制的要求很高，数据计算量大，对于不同形状和大小的障碍物，存在一定的误差。
自主避障技术是清洁机器人智能化的重要体现。
本课题将从以上两个方面着手，应用模糊控制理论，研究基于多传感器信息的清洁机器人自主避障技术。
（3）路径规划技术
路径规划技术是移动机器人技术的一个基础而重要的问题，目前对这一问题的研究十分活跃。
吸尘机器人的路径规划具有“遍历”的特点，在封闭区域内,按照某种优化指标,在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，并且实现机器人的行走路径对工作区域的最大覆盖率和最小重复率。
吸尘机器人的路径规划方法可以分为两类：
无环境模型的规划方法和基于环境模型的规划方法。
（1）无环境模型的规划方法
目前定位和环境建模还处于探索阶段,所以广泛使用无环境模型的规划方式:
随机工作式和随机+局部遍历规划的方式。
随机工作方式基于这样的前提:
时间足够长的条件下,机器人的行走路径可以完全覆盖工作区域。
如韩国LG公司研制的清洁机器人Roboking就是采用随机工作方式。
而随机+局部遍历规划的方式是在缺少全局环境地图和全局定位能力的条件下，在局部范围内进行遍历性质的路径规划。
这种方式对定位能力和环境建模精度要求低，但是覆盖率较高，重复率较低，浙江大学机械电子研究所在研制清洁机器人时就是采用这样的方式。
（2）基于环境地图的规划方法
在理想条件下,基于环境模型的全局规划方式具有最大的覆盖率和最小的重复率。
但是如上所述，定位和环境建模技术还不成熟，所以全局规划的研究还主要处在理论分析阶段。
使用的方法主要有以下几种：
单元分解法：
将工作区域分解成相同形状和尺寸的单元，按照一定的方法确定单元的访问顺序，从而产生一个最优或者近似最优的全局路径。
行为模板法：
在环境地图已知的前提下，将机器人的行为划分多种固定的模板,根据实际位置和具体环境特点选择合适的模板，最后实现遍历路径。
实验表明覆盖率可以达到85%。
神经网络法：
将工作区域分解为神经单元，利用神经网络方法进行全局遍历路径规划以及障碍物周边区域的覆盖问题的研究。
平面扫描法：
在工作环境中设置一个工作起始点，机器人由此点开始直线往返行走工作。
随着工作的进行，因为障碍物的存在，会出现数个空区域，在这数个空区域内再设置起始点，机器人总是寻找新的起始点，并从此点开始工作，直到把所有区域都遍历。
另外还有诸如人工势场法、栅格法等很多路径规划算法。
（4）吸尘技术
吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。
一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。
吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。
抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。
灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，再由机体尾部排出。
目前民用吸尘器主要分为以下几大类：
（1）卧式吸尘器：
在亚欧市场较为常见的吸尘器类型，占整体市场的80%以上。
其特点是外形小巧，存放方便。
卧式吸尘器也分为“尘盒式吸尘器”和“尘袋式吸尘器”；
（2）立式吸尘器：
美洲市场较为常见，适用于大面积的地毯清洁；
（3）手持式吸尘器：
体型小巧，携带及使用非常方便，主要用于车内的清洁，对键盘，电器等也有良好效果。
缺点是功率较小，吸力不够强劲；
（4）桶式吸尘器：
商用吸尘器，多为保洁公司，酒店，写字楼所使用，特点是容量大，能吸水；
（5）杆式吸尘器：
近几年逐步增多，多为充电式，特点是体型小巧，使用方便；
（6）机器人吸尘器：
高端吸尘器，可自动打扫和充电，但清洁效果有限，适合本来就很干净的家居环境；
（7）中央吸尘系统：
高端吸尘器，它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所，如：
地下设备层、车库、清理间等，将吸尘管道嵌至墙里，在墙面只留小而美观的吸尘插口，当需要清理时只需将一根软管插入吸尘口，此时系统自动启动主机开关，全部大小灰尘、纸屑、烟头、有害微生物，甚至客房中的烟味等不良气味，都经过严格密封的管道传送到中央收集站。
任何人、任何时间都可以进行全部或局部清洁，确保了最清洁的室内环境。
其清洁处理能力是一般吸尘器的5倍，而软管长度可任意选配，该类系统在欧美国家已是必配系统，在国内已有部分高档楼盘采用了此先进技术。
吸尘器的原理与结构：
（1）吸尘原理
吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下，将叶轮中的空气高速排出风机，同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机。
这样不妨与外界形成较高的压差。
吸嘴的尘埃、脏物随空气被吸入吸尘部分，并经过漏器过漏，将尘埃、脏物收集与尘筒内。
（2）吸尘器的原件
所有吸尘器都配有一个组装刷头，供清理地板及地毯是用。
吸力式吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴，以便清扫角落、窗帘、沙发和缝隙用。
喉管：
所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管，用来连接清洁用的软喉管及附件；
电动刷：
内式吸尘器的清洁头，是混合式吸尘器特别有的配件；
圆刷头：
也较小吸嘴，可做360度回转，方便清洁家具、精细网织物等；
扁吸嘴：
又称缝隙吸嘴，是一支细长、扁平的硬吸嘴，特别适用于清洁墙边、辐射式暖片、角落及浅窄地方；
扫尘刷：
用长而软的鬃毛制成，适用于清洁窗帘、墙壁等。
（3）吸尘器的过滤方式
尘袋过滤：
过滤掉99.99%尺寸低达0.3微米的粒子，使用集尘袋的吸尘器随着使用时间的推移，真空度会下降，导致吸力变小，而且作为使用者来说不可能每次使用完就去更换尘袋，所以螨虫之类的微生物会在尘袋中继续滋生，在清理尘袋时这些螨虫就会对周围的环境产生二次的污染。
尘袋过滤器特点：
清洁方便，不需要每天清理，适合于工厂、酒店、汽车美容、清洁行业等；缺点是时间长了，尘袋的过滤能力有所下降，布料的毛孔会张开，过滤能力严重下降，需要更换。
水过滤：
利用水作为过滤媒质使得灰尘和微生物在通过时大部分都会被溶解锁定在水中，剩余的再通过过滤器后被进一步的过滤，使得排出吸尘器时的尾气可能会比吸入时的空气更干净。
水过滤吸尘器的过滤效果毋庸置疑，但由于其利用水作为过滤媒质所以对于产品本身的设计和电机防水保护提出了更高的要求，这也是为什么目前市场上水过滤吸尘器质量参差不齐，价格高低悬殊的重要原因。
特点：
吸力更显著，排出的气体经过水的净化；缺点：
每次使用时都需要放水，用完后必须清洗干净，清洗不干净会容易发霉发臭和生锈。
适合用于酒店、家庭、办公室等等。
1.1.4吸尘机器人发展趋势
清洁机器人有广阔的市场前景，尽管目前市场上已经有了一些样机和产品，进入了
实用阶段，但是清洁机器人仍然有许多问题有待解决，在工作效率和自主能力方面还有
待提高。
清洁机器人自主地在房间内进行清扫而不需主人太多的干预，是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术。
从技术上来说，清洁机器人主要智能指标为自主性和适应性。
自主性指机器人能根据人下达的工作任务和周围环境情况自己确定工作步骤、工作方式和行走路径。
适应性是指机器人通过学习适应复杂多变工作环境的能力，不但能识别周固物体，还能理解周围环境，做出正确判断及反应，因此在技术上还需要进一步解决传感器技术、定位和环境建模技术。
在此基础上，自主清洁机器人将来的发展趋势可以向着高度智能化、多功能集成、低成本的方向发展。
1.2能力风暴机器人简介
能力风暴是广茂达公司开发的对动手操作和实现能力培养的机器人平台，它可以借助于交互式C语言和开放式接口进一步提高机器人的开发潜力。
该机器人外形成圆盘状，底盘上有两个主动轮和两个导向轮。
自带的传感器有：
碰撞传感器、红外传感器、光敏传感器、光电编码器等，同时利用硬件扩展总线ASBUS可以增加红外扩展卡以及其他各种类型的传感器，通过该机器人可以实现设计者所希望的各种动作和任务。
从结构上看，能力风暴机器人是由感知系统、大脑决策系统和执行系统三大部分组成：
（1）感知系统
能力风暴机器人的基本感知系统包括红外传感器、光敏传感器、碰撞传感器、声音传感器、光电编码器等5种12个传感器。
机器人通过感知系统能够“发现”物体、“看到”光线、“听到”声音、感觉“触摸”等。
机器人外壳上盖装有红外传感器和光敏传感器，红外传感器包括两个红外发射器和一个红外接收器，安装在上盖的前端，用于感知机器人前方是否有障碍物。
两个光敏传感器分别位于红外发射器的外侧，用于感知环境光线的亮度。
上盖可以随时拆下。
上盖周围有一圈“孔”，是为了增加传感器或改变传感器的位置而做的预留孔，这样有利于灵活改变机器人的视觉范围。
碰撞传感器由碰撞环和碰撞开关组成，碰撞环通过弹簧与机器人底盘相连，四个碰撞开关固连在底盘下方碰撞环内侧，用于感知不同方向的碰撞。
机器人的声音传感器（小麦克风）位于机器人主板上喇叭的旁边，用于感知周围的声音强度。
（2）大脑决策系统
能力风暴机器人的大脑决策系统集中在主板上，它是以Motorola公司的M68HC11单片机为核心的主板系统。
M68HC11芯片集成了CPU、内存储器、定时器系统、串行口、模拟数字转换器（ADC）、输入输出接口、中断和复位系统等。
主板上除了单片机以外，还有外部存储器、稳压与低压复位系统、ASBUS总线、与计算机通讯的串口等，它们与机器人的感知系统和执行系统相连接，指挥各部件协调工作。
（3）执行系统
能力风暴机器人底盘下部连接着主要的执行部件：
驱动电机及轮子、减速齿轮、电池等。
机器人底部的驱动部件主要有驱动两个主轮的驱动电机、可充电电池及两个导向轮。
为了改变机器人运动速度和扭矩，两个驱动电机分别通过减速器与驱动主轮连接，使机器人不仅可以自由地前进、后退、转弯，而且还有一定的载重及爬坡能力。
两个导向轮具有万向轴的功能，既可辅助机器人转向，又可以保持机器人的平衡。
1.3图形化编程语言（VJC）简介
图形化交互式C语言（简称VJC）是用于能力风暴智能机器人系列产品的软件开发系统，具有基于流程图的编
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