室內(nèi)智能清潔機器人的研究

1、紹興文理學院元培學院文獻綜述題 目 室內(nèi)智能機器人的研究 專業(yè)班級 機自1001班 學生姓名 李棟棟 2012年6月3日室內(nèi)智能清潔機器人李棟棟(紹興文理學院元培學院機自1001班1、前言隨著社會的進步和發(fā)展，人們的學習、工作越來越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來，就成了新一代家電所追求的目標而智能化正是這一目標的集中體現(xiàn)本文介紹的智能吸塵器初步實現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產(chǎn)品的自動化水平。清潔機器人系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般包括四部分：控制系統(tǒng)、移動機構(gòu)、感知系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，為清潔機器人的

2、控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)打下堅實的理論與技術(shù)基礎以及美好的未來發(fā)展藍圖；感知系統(tǒng)依賴于傳感器技術(shù)，一般常用的傳感器有：CCD攝像機、超聲波傳感器、紅外傳感器、接近傳感器和碰撞傳感器等，感知外部的環(huán)境信息；移動機構(gòu)是清潔機器人的本體，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進式或其他方式，輪式和履帶式適合移動在平整的地面上，步進式適合與條件較差的路面移動；清掃系統(tǒng)一般有：噴水器、地刷和吸塵器，噴水器向地面噴灑清水，地刷用于強力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。近年來快速發(fā)展、深刻影響著清潔機器人進步的關(guān)鍵技術(shù)有：路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器技術(shù)、吸塵技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)等1。2、主題 總體原理該智能

3、吸塵器利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對障礙物進行判斷；通過以單片機為核心的控制器實現(xiàn)對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；通過驅(qū)動器驅(qū)動兩步進電機，帶動驅(qū)動輪，從而實現(xiàn)避障功能與此同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經(jīng)過的地面進行必要的吸塵清掃 功能實能整個吸塵器原理上可以分為五個主要部分（如圖1）2：傳感器部分、控制器部分、驅(qū)動部分、吸塵部分和電源部分各部分的原理及具體功能實現(xiàn)如下：3超聲波測距原理3超聲波是一種一定頻率范圍的聲波它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會產(chǎn)

4、生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可 以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用其具體的計算公式如下：svt2其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間；v為聲波在空氣中傳播的速度由于的值受溫度的影響會波動，因此，在實際的應用中可以用以下公式來加以補償，其中T表示空氣的絕對溫度，m/s為速度單位 在智能吸塵器中，避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理它的傳感器部分由三對（每對包括一個發(fā)射探頭和一個接收探頭）共六個超聲波傳感頭組成由單獨的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號在控制器送來的路選信號（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號被加在

5、超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號向外發(fā)射；該信號遇到障礙物時，產(chǎn)生反射波，當這一反射波被接收探頭接收后，根據(jù)前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小4 路徑規(guī)劃由于每一個超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測量時必然存在盲區(qū)（如圖2）因此，三對傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測量的范圍包含整個吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時又避免探測死角（既使盲區(qū)落在須測量的范圍之外）5清潔機器人的定位4圖3清潔機器人運動軌跡分析該清潔機器人的定位是基于光電編碼器的“車輪脈沖定位”方式的。根據(jù)清潔機器人的工

6、作環(huán)境，建立一個以地面為XY平面，以一個運動周期開始時清潔機器人的中心為原點的直角坐標系，在此運動周期結(jié)束時進行一次計算，用來描述清潔機器人在一個運動周期后相對于這個運動周期前位姿的變化情況。清潔機器人只在XY平面內(nèi)做二維平面運動，；s6防止干擾由于三對超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問題為了解決這一問題，在設計中引進了循環(huán)掃描的方式既循環(huán)地對每組探頭施加發(fā)射和接收，當一組工作時，其余兩組停止循環(huán)周期由路選信號來控制，只有15ms（即在15ms的時間里完成一次對三組探頭的掃描），因而在實際應用中很可靠7控制部分5控制部分的核心是MC51單片機，它主要完成三個部分的任務：

7、向傳感器部分（三路）分別送路選信號：當路選信號是高電頻時，該路導通；反之，就截止這樣，通過路選信號，就可以完成三路信號的順序掃描以及對發(fā)射和接收的計時功能 作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的信號（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時間間隔，計算并判斷障礙物的相對位置，大致大小在此基礎上，根據(jù)事先設定的規(guī)則，選定相應的避障措施（前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭） 最后，在確定了避障措施后，要向步進電機的控制器輸出相應的控制脈沖，以具體實現(xiàn)避障8 驅(qū)動部分驅(qū)動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅(qū)動機構(gòu)組成的步進電機帶動兩驅(qū)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(jié)構(gòu)，而采用了應用非

8、常廣泛的平面軸承，這既減小了結(jié)構(gòu)復雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖）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(diào)速同時在對兩電機分別施加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(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)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(zhuǎn)彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點原地施轉(zhuǎn)）同時轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機的程序來調(diào)節(jié)由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求5mmin左右，而步進電機為避免低速爬行，其轉(zhuǎn)速又不能太低，為此，在電機軸與輪軸之間采用了一級齒輪傳動，設計傳動比為設電

9、機的轉(zhuǎn)速為（轉(zhuǎn)秒），驅(qū)動輪的半徑為(米，則驅(qū)動輪的前進速度為： 式中，代表左右驅(qū)動輪的線速度；齒輪傳動比通過調(diào)節(jié)的大小和正反，可以實現(xiàn)的連續(xù)變化，從而實現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)彎電機轉(zhuǎn)向與吸塵器的運動方式的關(guān)系如表9吸塵器部分吸塵功能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10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拖線方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池（3A20hour）這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時較靈活一次充電可以連續(xù)工作幾個小時11 超聲信號發(fā)生40kHz的超聲波信號是由555芯片構(gòu)成

10、的多諧振蕩電路產(chǎn)生的（如圖4）由R1、R11、R12和C1構(gòu)成外圍的充放電電路；當參數(shù)漂移時，通過調(diào)節(jié)R12的阻值，可微調(diào)信號的中心頻率12步進電機驅(qū)動由控制器輸出的驅(qū)動脈沖信號經(jīng)7404反向后，驅(qū)動功率三極管從而帶動步進電機圖5列出了一相的驅(qū)動電路由于有兩個步進電機，每一電機按四相八拍制工作，因而共有八組驅(qū)動電路3 結(jié)論與展望雖然當前的吸塵器是物美價廉，能給人們枯燥乏味的家庭清潔的瑣碎工作提供了諸多方便，可是一些缺點仍舊困擾著人們，比如較大的噪聲依然讓多數(shù)的家庭使用者望而卻步。在現(xiàn)有的服務機器人領域里，吸塵機器人可以說是一種新型產(chǎn)品，幫助人們在無需照看的情況下省時省力的完成房間的洗塵清掃作業(yè)

11、。所以，只要清潔機器人的生產(chǎn)成本兼顧日用家電的大批量、低價格的特點，吸塵機器人將會用誘人的市場前景。目前國內(nèi)與國外的吸塵機器人的研究與開發(fā)工作都取得了一些成績，但是仍舊有許多問題需要解決或改善，主要涉及到下面幾個方面：(1格過高(2智能化與自主化程度低(3吸塵技術(shù)不夠理想(4自動充電與電源技術(shù)有待改進伴隨著吸塵機器人的關(guān)鍵技術(shù)與性價比的不斷提高，完全有條件基于現(xiàn)有的硬件和軟件技術(shù)，在不久的將來，生產(chǎn)出價格便宜的全自動吸塵機器人，使千家萬戶都能夠使用到，從而使這種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)帶來客觀的市場和經(jīng)濟效益。智能吸塵器開啟了不用人工打掃，死角可以不用花大力氣去清除的時代，人類的不用親自動手就可以將房間打掃的干干凈凈，可謂是對于機器，“懶漢時代”有邁進了一大步6。參考文獻1譚定忠 王啟明。李金山。李林清潔機器人研究發(fā)展現(xiàn)狀。(哈爾濱工程大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150001 2004A 2 邢敏，蒙梅，劉任平JPcleaner型清潔機器人控制系統(tǒng)設計(北京交通大學，北京100044 2006A3 王以倫，鄧寶林，王洪濤，馮晨。清