清洁机器人系统设计本科设计.docx
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清洁机器人系统设计本科设计
本科毕业设计（论文）
清洁机器人系统设计
学院信息工程学院
专业测控技术与仪器
（光机电一体化方向）
年级班别2011级
（1）班
学号
学生姓名
指导教师
2015年5月
摘要
清洁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，实现对室内环境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。
本文首先综述了清洁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清洁机器人整体设计方案。
清洁机器人系统由清洁机器人和充电站组成。
清洁机器人是实现智能清扫的主体部分，本文介绍了清洁机器人的组成部分，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，智能清扫，单片机系统
注：
本设计（论文）题目来源于自选。
Abstract
Cleaningrobotisacombinationofsensors,thekeytechnologyofmobilerobottechnology,andotherfields,theimplementationoftheindoorenvironmentofsemi-automaticorfullyautomaticcleaning,replacingthetraditionalmanualcleaning,hastheverybroadmarketprospect.
Thisarticlefirstsummarizesthedomesticandforeignresearchpresentsituationofcleaningrobot,onthebasisofcomprehensivecomparisonofthevarioustypicalproductsathomeandabroad,putsforwardoveralldesignschemesuitableforlow-endusersusecleaningrobot.
Cleaningrobotsystemconsistsofacleaningrobotandchargingstation.Cleaningisthemainpartoftheintelligentcleaningrobot,thispaperintroducesthepartofthecleaningrobot,andtherealizationofthehardwarecircuitarecompleted.Consideringstorage,interfaceresourcesandthereliableperformance,andthehostcontrollerchoseSTC89C52single-chipcomputer,madeupofsinglechipmicrocomputerapplicationsystemfunctionisstrongandhighcostperformance,fullymeettherequirementsofcontrolfunction.Aredesignedindetail,andtheinfraredsensors,collisiondetection,powersupplymodule,thechargingmodule,keyboard,LCDdisplayandavarietyofmotorcontrolcircuitandsoon.Intheaspectofsoftwaredesign,theuseofC51languagetocompilethevariouspartsofthecontrolsystemsoftware,includingthemainprogramandinterruptservice,infraredandcollisionsensorsDengZiprogram.
Finally,thecomprehensivedesignresultsmadeexperimentalprototype,experimentresearch.Resultsshowthattheproductionofthecleaningrobotcancompletetheroomcleaningwork,achievedthedesireddesigneffect.
Keywords:
cleaningrobot,intelligentcleaning,MCUsystem
1绪论
1.1题目背景及目的
随着科学技术的不断发展，智能机器人技术以始料不及的速度迅速地向各个领域渗透，成为人们日常生活的一部分，不断地改变当今人们的生活方式。
在军事上，为减少人员伤亡，大规模的使用智能化机器人；在抢险救灾中，为营造良好的营救时间，智能机器人深入危险区域进行探测；在航空领域里，智能机器人扮演重要角色，帮助人们完成许多具有划时代的发现。
两年前，家庭服务机器人的概念还和普通老百姓的生活相隔甚远，广大消费者还体会不到家庭服务机器人的科技进步给生活带来的便捷。
而如今，越来越多的消费者正在使用家庭服务机器人产品。
清洁机器人作为家庭服务机器人的一员，结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现地面的半自动或全自动清洁，替代人类完成繁重的清洁工作。
本设计的研究旨在开发一部价格便宜，方便使用，体积不大，能够满足家庭清洁要求的清洁机器人。
使它能够代替人们完成家庭清扫工作，使科技能够更好地为人类服务。
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设备，处理各种危险物品，巡査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己达6.29亿，到2050年，60岁以上的老龄人口总数将近20亿，占总21%。
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、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。
第五、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、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。
考虑到安全因素，
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的能力。
1.2国内外研究状况
1.2.1国外产品研究现状
在国外，美国、日本、韩国、欧洲等对清洁机器人进行大量的研究和推广。
在德国，由Kaercher公司生产的RC3000（图1.1）是世界上第一台能够自主清洁地面的家庭清洁机器人。
它的移动方式是随机的，当遇到障碍物时，它会随机转动一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。
其扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下部位置。
同时，它设置四种不同的清洁方式，根据地板的清洁状况，可以选择合适的清洁方式；内置光敏传感器，在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会跌落。
RC3000具有自动返回充电站充电功能，其相应的充电站有红外发射、工作时间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理五个功能。
充电站会一直发射红外定位和导航信号来指引机器人回到充电站完成充电和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设定的信息来控制机器人完成相应的操作。
图1.1RC3000和充电站
在日本，东日本铁路公司、富士工业有限公司Subaru实验室和JR东方设施管理有限公司联合研制了车站地面擦洗机器人，该机器人工作时一面将清洗液喷洒到地面上，一面用旋转刷不停地擦洗地面，并将脏水吸人所带的容器中。
机器人中的感知系统采用光纤陀螺和超声波传感器，自动清洗系统有两种，一种是“面积设定模式”,即将待清洗的面积分为若干个单位面积,按照其存储器中的单位面积识别其行使路线，机器人还可利用其传感器识别和躲避障碍物；另一种叫“路径地图模式”，机器人按照内装的路径地图行使，机器人可存9幅地图，并可利用IC卡作为外存，在该模式下，机器人不会避障，仅适用于需要反复擦洗的指定地段。
2012年5月8日，为了应对日本本土自主吸尘器市场的激烈竞争，夏普公司继东芝公司之后，推出新一代智能吸尘器COCORORO（图1.2）。
COCORORO圆盘状的外形保证了它在地板上能够出入各种缝隙，机身顶部的LED灯能够显示不同的颜色变换“心情”，或者根据遥控操作做出回应；同时它能够听懂使用者的简单日语，并对一些语音命令做出相应的动作。
COCORORO内置红外传感器和摄像头，我们可以通过智能手机遥控操作吸尘器，摄像头拍摄到的画面会实时显示在手机屏幕上。
COCORORO采用超声波传感器进行避障，所以它在清洁地板时不会碰到家居和宠物。
图1.2夏普公司的COCORORO
在英国，著名的家电厂商伊莱克斯（EIectoIux）于2001年11月推出了吸尘器“三叶虫”，高13mm,直径为35mm，表面光滑，呈圆形，如图1.3所示。
“三叶虫”内置搜索雷达，可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。
同时，能够对障碍物进行识别和处理，重新选择路线，并对整个房间做出重新判断与计算，以保证房间的各个角落都被清扫。
为了限制“三叶虫”的活动范围，用户需要在楼梯间或其它没有天然障碍物的地方，贴上特制的可粘式磁带。
“三叶虫”每次充电后可以工作一小时左右，当电量不足时，它会自动回到充电卡座自行充电；如果此时房间还没有清扫完毕，充好电后它会自动回到原处继续清扫。
图1.3“三叶虫”
20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人 RoboScrub，该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。
2002年９月清洁机器人＂Roomba”在美国面市，运用人工智能运转与导航侦测技术，搭配独有的真空吸孔与旋转刷，清洁效果特别好。
它具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。
只要按下开关，Roomba就会全自动在指定的区域吸尘打扫，碰到障碍物会自动躲避，遇到楼梯或台阶也会自动侦测而不会掉下去。
同时，Roomba会自主规划路线对家庭地面进行清洁。
由于能够在完成任务后自动切断电源，所以在外出期间可以让Roomba在家进行清扫。
如图1.4所示。
图1.4iRobot公司的Roomba
1.2.2国内产品研究现状
在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等也对清洁机器人进行大量的研究并取得了一些成果。
对清洁机器人相关技术，如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。
哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。
该机器人具有如下特点：
采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人
铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。
浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。
这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：
利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。
目前国内的科沃斯、福玛特、海尔等公司已经相继推出他们的清洁机器人产品。
现在市场上，海尔公司的SWR-C1清洁机器人在功能上相对比较健全。
它具有五大功能：
定时预约清扫、智能远程操控、虚拟墙分区清扫、智能防跌撞、智能回归充电。
它能够设定时间对清扫区域进行清扫，同时可以通过配置红外线虚拟器，阻止机器人进行无需清扫区域，实现清扫的目的。
如图1.5所示。
图1.5海尔公司的SWR-C1
1.3论文构成及研究内容
本文主要内容是清洁机器人系统设计，主要完成了控制部分软硬件的设计，其中包括硬件控制电路的设计，以及相应的软件程序的编制、调试。
主要内容安排如下：
第一章阐述了智能清洁机器人的相关概念，分析了清洁机器人国内外的研究动态和发展趋势，提出了课题的研究背景、意义和主要内容。
第二章对清洁机器人的设计方案比较以及对总体设计进行了说明，包括整个机电系统的结构组成和工作原理。
第三章对清洁机器人的硬件控制电路进行了详细的设计，包括单片机系统、传感器器系统、电机驱动电路以及主要控制芯片的介绍等。
2
清洁机器人的总体设计
2.1总体设计方案比较论证
方案一：
采用组合逻辑电路控制清洁机器人运行
利用数字电路知识用各种逻辑电路搭建出清洁机器人的控制系统，对车速和车的行进方向进行控制，再利用红外对管实现避障和对台阶的检测，以及利用逻辑电路控制电机驱动，从而达到并实现题目要求和发挥。
这种方案下，所有控制电路都要手工制作，非常复杂，规模大不易实施，而且这种控制电路精度不高，反应不够灵敏，可行性差。
方案二：
采用智能控制器控制清洁机器人运行
利用控制芯片作为智能小车的核心控制系统，例如单片机、FPGA和DSP等等。
用控制芯片控制清洁机器人的系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，适应科技先进性，而且各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
因此，采用方案二作为智能小车的控制系统。
2.2核心模块方案设计
控制系统的核心模块也就是控制器，是小车的大脑，主要用于传感器信号的接收、辨认和处理、以及对电机控制等。
下面列出三种控制器的选择方案：
方案一：
采用先进的FPGA编程控制器件。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：
采用DSP编程控制器件。
DSP因为数字处理与通信领域的空前发展而近显火爆，应用面很广泛，DSP主要是面对数字信号方面的处理，其针对性有速度快，精度高等优点，但是，而DSP强调的是较大的数据处理能力,如在运行控制,图像处理等方面，占有较大优势，而在这个智能车小系统中则没有必要使用如此精确的控制器件，而且价格方面也不低，固不宜采用。
方案三：
采用单片机编程控制器件。
用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统控制器，单片机也叫单片微型计算机，在控制领域应用非常广泛，具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性等优点，是小型控制系统的首选。
而且单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
本系统属于小型控制系统，用单片机作为控制芯片非常合适，因此采用方案三。
2.3避障模块方案设计
方案一：
采用超声波传感器。
利用超声波的特性实现对障碍墙壁的测量和有效规避，超声波传感器波的发射角小，检测灵敏度高，但是超声波传感器使用成本不低，而且不能体现设计才能，不宜采用。
方案二：
采用激光传感器。
通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，这在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。
激光测距虽然原理简单、结构简单，但是因为激光测距传感器售价太高，不适合自主设计使用。
方案三：
采用红外对管传感器。
用红外对管传感器采集信息，以红外线为介质测量判断障碍，从而达到避障的效果。
它的优点是消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，制作也比较简单。
因此，方案三在小系统中非常适用，采用方案三。
2.4清洁机器人系统的整体构架
整体设计方案的系统框图如图2.1所示
图2.1清洁机器人硬件系统结构原理图
各模块的组成和功能介绍如下：
（1）控制器（单片机）：
主要由单片机STC89C52RC组成，它的主要功能是完成主控程序对模块接口的控制，是程序运行的载体并实现对整个机器人的控制。
（2）传感器：
主要由红外避障传感器、红外防跌倒传感器、碰撞传感器组成，这些传感器用来控制小车的行走方向以及实现避障、防跌倒功能。
（3）电源模块：
将充电电池的7.2V电压转换为稳定的5V电压供单片机、传感器以及其他模块使用。
（4）电机驱动：
主要由行走电机驱动、毛刷电机驱动和吸尘电机驱动组成，其中行走电机主要控制左右行走轮从而带动清洁机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负责清洁除尘工作。
3
清洁机器人的硬件设计
3.1STC89C52单片机介绍
本设计采用常用的STC89C52作为主控芯片，具备编程简单，价格便宜的特点，而且在电动小车的领域中使用广泛。
以下是对该单片机进行简单的介绍。
3.1.1STC89C52的主要性能
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
（1）标准功能
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
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