智能掃地機器人課程設(shè)計0001

1、課題背景及研究的目的和意義1.1 課題背景掃地機器人是服務(wù)機器人的一種，可以代替人進行清掃房間、車間、墻壁等。提出 一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機器人的設(shè)計方案。其具有實用價值。室內(nèi)清潔機器人的主 要任務(wù)是能夠代替人進行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機器人應(yīng)該具備以下 能力：能夠自我導(dǎo)航，檢測出墻壁，房間內(nèi)的障礙物并且能夠避開；能夠走遍房間的大 部分空間，可以檢測出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形比較緊湊，運 行穩(wěn)定，噪音??；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結(jié)合掃地機器人主要功能探 討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。1.2 研究目的和意義 ?國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心邱權(quán)博士介紹

2、說，掃地機器人可以看作是一種 智能吸塵器，通過其基于傳感器檢測的智能運動規(guī)劃算法使原本由人操作的吸塵器成為 一個可自主運行的智能化設(shè)備。它通過各種傳感器，比如碰撞開關(guān)、紅外接近開關(guān)、超 聲傳感器、攝像頭等，來感知自身的位置和狀態(tài)，通過智能算法決定當(dāng)前的任務(wù)狀態(tài)。 它可以根據(jù)某個傳感器檢驗地面清潔程度，根據(jù)歷史信息確定哪些區(qū)域已經(jīng)打掃過，它 的充電座會發(fā)出紅外線信息，在電量低于一定值后，它開始尋找紅外信息來自動充電。 防跌落是基于機器人底部所安裝的紅外傳感器檢測地面的距離，當(dāng)距離發(fā)生變化時機器 人將停止并改變路線。由于掃地機器人是一個智能化產(chǎn)品，1.3 工作原理掃地機器人機身為可移動裝置，機器人

3、依托紅外識別以及超聲波測距從而避障，配 合芯片控制內(nèi)部電機轉(zhuǎn)動以及內(nèi)部真空環(huán)境吸塵，通過路線設(shè)計，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路徑打掃。2、設(shè)計要求與內(nèi)容1）以 AT89S52 系列單片機為核心設(shè)計移動清掃機器人電機驅(qū)動與控制電路， 采用紅外傳 感器和超聲波傳感器完成障礙物檢測電路設(shè)計，完成充電站檢測電路設(shè)計，完成避障算 法與路徑規(guī)劃算法設(shè)計。2）按鍵選擇清掃模式和充電模式。3）顯示方式 LED 顯示當(dāng)前時間和機器人當(dāng)前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設(shè)計3.1 設(shè)計任務(wù)1）利用 AT89S52處理器編程實現(xiàn)電機驅(qū)動。2）液晶顯示掃地機器人的內(nèi)部參數(shù)。3）當(dāng)掃

4、地機器人顯示電量不足時，無線模塊發(fā)送命令到充電樁，開始進行充電模式，此 時紅外發(fā)射光線充電樁與掃地機器人充電接口對接，此時超聲波實時測量兩者之間的距 離控制掃地機器人與充電樁之間的距離，防止速度過快損毀機器。4）按鍵實現(xiàn)充電，清掃，停止 3 種模式對掃地機器人進行模式的切換。5）用 protel 繪制詳細電路原理圖，標(biāo)明元器件的型號、參數(shù)和引腳功能符號，電路圖 應(yīng)符合電氣要求。3.2 系統(tǒng)整體框圖3.3 選擇方案論證3.3.1 單片機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 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存

5、儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存 儲器技術(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，價格適中，可操作性強，且現(xiàn)在使用AT89S52也是一種難度適中的選擇。3.3.2 驅(qū)動芯片選擇方案論證方案一： 6612 芯片？ 方案二：ULN2003是一個非門電路， 包含 7 個單元，各二極管的正極分別接各達林頓 管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極

6、，起續(xù)流作用（在感性負載中，電 路斷開后會產(chǎn)生很大的反電動勢，為防止損壞達林頓管，接反相的二極管來構(gòu)成通路， 使之轉(zhuǎn)換為電流）。另外二極管的作用，驅(qū)動電流斷開時，電機內(nèi)的電感產(chǎn)生很大的反電 動勢，每一個單元的二極管都與三極管的集電極相連，產(chǎn)生反電動勢時就構(gòu)成了放點回 路，從而保護了三極管。 ?方案三：使用東芝半導(dǎo)體公司 TB6612FNG驅(qū)動芯片。 TB6612FNG體積小，發(fā)熱小，不 需要加散熱片，外圍電路比較簡單，只需要外接電容就可以直接驅(qū)動電機。綜上所述，選擇方案一和二， 體積小，電路簡單，所以選擇 L298作為移動驅(qū)動電路， 選用 ULN2003作為清掃電機驅(qū)動電路。3.3.3 無線模

7、塊選擇方案論證方案一：選用 RF903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達到 500 米，兼具了低功 耗和遠距離的要求、另外性能強大，增加了電源切斷模式、可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能、抗干擾能力強方案二：選擇 NRF24l01無線模塊，此模塊的體積小，但功耗大 綜上所述，選擇方案一，價格低，受環(huán)境溫度小，綜合性能更強，所以選擇。3.3.4 時鐘模塊選擇方案論證方案一：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成， 對于顯示文字比較適合 ,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費 ,且價格也相對較高 , 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大 ,顯示尺寸

8、小巧 ,管腳占用 少，適合單片機特點。3.4 硬件電路設(shè)計3.4.2 獨立式鍵盤設(shè)計綜合掃地人的無線控制，功能模塊分為清掃模式，自動充電模式，暫停三大塊，所 以應(yīng)該有按鍵供選擇。獨立式鍵盤設(shè)計結(jié)構(gòu)簡便，設(shè)計可靠。獨立式按鍵比較簡單，它們各自與獨立的輸入線相連接，如圖所示。 獨立式按鍵原理圖4 條輸入線接到單片機的 IO 口上，當(dāng)按鍵 K1 按下時， +5V 通過電阻 R1 然后 再通過按鍵 K1 最終進入 GND 形成一條通路， 那么這條線路的全部電壓都加到了 R1 這 個電阻上， KeyIn1 這個引腳就是個低電平。當(dāng)松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通 過，那么 KeyIn1 和 +5V

9、就應(yīng)該是等電位， 是一個高電平。 我們就可以通過 KeyIn1 這個 IO 口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。3.4.3 蜂鳴器報警電路如圖所示， 因 GPIO口輸出電流有限， 而蜂鳴器在蜂鳴時需要較大的電流， GPIO輸出 口無法滿足要求。而 8550 最大可提供 1A的輸出電流，足以驅(qū)動蜂鳴器。所以，我們用 GPIO口來控制 8550 的導(dǎo)通與截止，從而來控制蜂鳴器。當(dāng)向 F1寫入邏輯 1 時， F1輸出高電平（ +3.3V），8550的基極電流為 0，此時 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寫入邏輯 0時，F(xiàn)1輸入低電平（ 0V），8550的發(fā)射極和

10、基極之間產(chǎn)生電流， 此時 Q1導(dǎo)通，蜂鳴器開始蜂鳴3.4.4 移動驅(qū)動電路L298 內(nèi)部的原理圖L298 引腳符號及功能引腳功能SENS、A SENSB分別為兩個 H 橋的電流反饋腳，不用時可 以直接接地ENA 、ENB使能端，輸入 PWM信號IN1、IN2、IN3、IN4輸入端， TTL邏輯電平信號OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出端，與對應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源， 4.57VVSS電機驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓高GND地L298 的邏輯功能IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止當(dāng)使能端為高電平時， 輸入端 IN1 為 PW

11、M信號,IN2 為低電平信號時 , 電機正轉(zhuǎn)；輸入 端 IN1 為低電平信號， IN2 為 PWM信號時 , 電機反轉(zhuǎn) ;IN1 與 IN2 相同時 , 電機快速停止。 當(dāng)使能端為低電平時 , 電動機停止轉(zhuǎn)動。在對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，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)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式在線性放大驅(qū)動方式。半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)優(yōu)點是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近 電路干擾小，缺點為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問題嚴重。開關(guān)驅(qū)動方式是 使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈調(diào)制( PWM)來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn) 電動機轉(zhuǎn)速的

12、控制。3.4.5 清掃電機驅(qū)動電路高耐壓、大電流復(fù)合晶體管 ICULN2003，ULN2003 是高耐壓、 大電流復(fù)合晶體管陣 列，由七個硅 NPN 復(fù)合晶體管組成該電路的特點如下：ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個 2.7K 的基極電阻 , 在 5V 的工作電壓下它能與TTL和 CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達 500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封裝。ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二

13、極管， 可用來驅(qū)動繼電器。 它是雙列 16 腳封裝,NPN晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓 =50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于 TTL、 COM，S 由達林頓管驅(qū)動電路。 ULN 是集成達林頓管 IC，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動 勢的二極管。它的輸出端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約1V左右，耐壓 BVCEO約 為 36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。 采用集電極開路輸出， 輸出電流大， 故可直接驅(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動低壓燈泡。通常單片機驅(qū)動 ULN2003 時，上拉 2K的電阻較為合適，同時， COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。ULN2003是一

14、個非門電路，包含 7 個單元，單獨每個單元驅(qū)動電流最大可達 500mA，9 腳可以懸空。比如 1 腳輸入， 16 腳輸出，你的負載接在 VCC與 16 腳之間，不用 9 腳ULN2003 是高壓大電流達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、帶負載能力強等特點 , 適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。3.4.6 超聲波測距模塊基于超聲波距離傳感器的避障 :目前市場也有一部分掃地機器人采用超聲波傳感器實現(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 20KHz 的音頻信號

15、， 音頻信號碰到障礙物后會反彈 回波，機器人的接收器可以接受障礙物反彈的回波并通過分析回波信號判斷前方有無障 礙物。超聲波感應(yīng)技術(shù)最大的優(yōu)點是對透明類障礙物具有很高的識別率，而且可以正確 識別任意顏色的障礙物，即使在全黑環(huán)境下也能正常工作。3.4.7 紅外模塊紅外線檢測技術(shù)的優(yōu)點：技術(shù)成熟、成本低廉、使用壽命長和工作可靠性高。一對 優(yōu)質(zhì)的紅外線對管價格低廉，而且具有工作壽命長和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點。紅外線本身 屬于不可見光，完全可以在黑暗環(huán)境中正常工作，在日常清潔使用中具備較高的工作可 靠性。紅外線檢測技術(shù)的缺點：紅外線對透明或半透明的障礙物具備較強的穿透性，機 器人將無法感應(yīng)到礦泉水瓶、落地式

16、玻璃門等物體。此外，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，采用該檢測技術(shù)的掃地機器人在深色障礙物 前，無法正確接收到紅外反射信號。 雖然紅外線檢測技術(shù)存在一些缺點，但是作為目前最成熟的障礙物檢測技術(shù)，它仍然將在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)存在，縱觀目前市場上銷售的掃地機器人產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機器人采用紅外傳感器與碰撞傳感器融合方 式實現(xiàn)避障。采用這種技術(shù)的產(chǎn)品特征為：在機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。該檢測系統(tǒng)的檢測原理為：機器人工作過程中遇到障礙物時，紅外 傳感器發(fā)射的光波會因為受到阻礙而產(chǎn)生回波，機器人內(nèi)部紅外接收器檢測到回波后， 會

17、認為前方存在障礙物，即命令減緩機器的前進速度以慢速碰撞障礙物，確定障礙物的 位置后進行避障行為?；诩t外線與碰撞傳感器障礙檢測系統(tǒng)是目前掃地機器人中最為 成熟也是使用范圍最廣的障礙檢測系統(tǒng)技術(shù)3.4.8 無線通信模塊RF903模塊性能及特點：1) 433MHz開放 ISM頻段免許可證使用2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK調(diào)制,抗干擾能力強 , 特別適合工業(yè)控制場合3) 125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件 CRC檢錯和點對多點通信地址控 制4) 低功耗 3-3.6V 工作，待機模式下狀態(tài)僅為 2.5uA，TXMOD在E +10dBm情況下，電流為 40mA；RXMO

18、D為E 14mA;收發(fā)模式切換時間 < 650us5) 模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示) ，可直接串接各種單片機使用，軟件編程非常方便6) 增加了電源切斷模式，可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能7) SPI 兼容的控制接口，低功耗任務(wù)周期模式，自帶喚醒定時器，與 RF905SE編程接口 類似8) 增加了 RSSI功能，通過 SPI 接口可以獲取當(dāng)前接收到的信號強度 (0-255) ，可以供當(dāng) 前設(shè)備做出決策，比如低于某個數(shù)值 50 可以報警，提示用戶當(dāng)前信號質(zhì)量比較低等9) 作為微功率模塊，傳輸距離能達到 500 米，兼具了低功耗和遠距離的要求3.4.9 電量剩余檢測

19、電路檢測電池剩余電量使用 ADC模塊，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)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后， 時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成 1，使輸出數(shù)字為 1000。這個數(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 進行比較。若 U0>Ux，說明數(shù)字過大了， 故將最高位的 1 清除；若 U0<Ux ，說明數(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)過比較以后確定這個 1是否應(yīng)該保留。 這樣逐位 比較下去，一直到最低位為止。 比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的

20、數(shù)字量輸出。 可見逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱量一個未知質(zhì)量的物體時的操作過程一樣，只不過使 用的砝碼質(zhì)量一個比一個小一半。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，為了保護轉(zhuǎn)換模塊的安全。輸入的電壓經(jīng)過鉗位保護電路后進入AD模塊。由于此轉(zhuǎn)換模塊是 10 位的 AD模塊，進入之后得到數(shù)字量，然后進過計算可以得到電池 的實際電壓， 實際電壓 =數(shù)字量 *Vi*3/4096 ，vi 是當(dāng)電池充滿電時， 輸入到芯片的最大電 壓。通過這種方式就能夠計算出電池的剩余電量。降壓電路DF1117 系列穩(wěn)壓器可提供 1A直流輸出 , 它可運行在輸入輸出相差 1V的環(huán)境下。在 最大輸出電流時，電壓差設(shè)計可提供最大為 1.3V，且它隨著輸出電流的減小而減小。芯 片焊接校準(zhǔn)為參考電壓的 1%。