智能控制系統(tǒng)的掃地設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計說明書掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGN學(xué)院〔部〕：專業(yè)班級：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：年月日掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計摘要目前，各式各樣的效勞機(jī)器人越來越多應(yīng)用于人們的生活中，從事著與人們生活息息相關(guān)的效勞工作，極大地提高和改善了人們的生活質(zhì)量。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人就是在這種背景下誕生的一種家庭效勞機(jī)器人。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃采用區(qū)域充滿的規(guī)劃方法，目標(biāo)是在設(shè)定區(qū)域內(nèi)尋找一條從始點到終點且經(jīng)過所有可達(dá)點的連續(xù)路徑。根據(jù)建立的掃地機(jī)器人平臺，提出清掃機(jī)器人隨機(jī)運動路徑規(guī)劃算法。機(jī)器人利用其上安裝的紅外傳感器和攝像頭來識別和感知房間環(huán)境，機(jī)器人開始以螺旋運動方式覆蓋房間的空白區(qū)域，當(dāng)遇到障礙物時，啟動障礙物應(yīng)對策略，通過計算機(jī)軟件仿真和在房間環(huán)境中進(jìn)行實驗驗證了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人，單片機(jī)，環(huán)境識別，路徑規(guī)劃SWEEPERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMDESIGNABSTRACTAtpresenttime,moreandmorevariousofservicerobotsaredesignedandappliedtopeople’sdailylife.Theapplicationoftheserobotsispromotingthequalityofpeople’slifetremendouslyastheydealwiththeworksrelatedtopeople’slifeclosely.Indoorautomaticcleaningrobotisoneoftheseservicerobotsdevelopedtohelppeopletocarryoutthetroublesomeroomcleaningwork.ThepathplanningalgorithmofIndoorAutomaticCleaningRobotshouldspreadovertheroomareausingtheareafillingpathplanningalgorithmtofindacontinuouspathfromstarttoend.Arandommovingpathplanningalgorithmisputforwardbasedontheplatform.Thecleaningrobotidentifiestheroomenvironmentusingtheinfraredtransducerandthecameraoutfittedonitsbody.Movinginthespiralmotionmodewiththegraduallyenlargingradius,therobotbeginstoexploreandcleantheblankarea.Whileitencountersobstacleslikewallorfurniture,itwillstartthestrategyofdealingwithobstacles.Thisalgorithmisvalidatedthroughcomputersimulationandrobotexperiment.KEYWORDS:cleaningrobot,singlechipmicrocomputer,environmentidentification,pathplanning1緒論1.1引言自動掃地機(jī)器人是當(dāng)今效勞機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點。從理論和技術(shù)上講，自動掃地機(jī)器人比擬具體的表達(dá)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性；從市場上前景講，自動掃地機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)度，提高勞動效率，適用于賓館﹑酒店﹑圖書館﹑辦公場所和群眾家庭。因此開發(fā)自動掃地機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性又具有廣闊的市場前景。1.2研究現(xiàn)狀：自從1904年英國人創(chuàng)造了第一臺掃地機(jī)，至今為止掃地機(jī)的開展歷史已有近百年。而后日本、美國、德國、英國等國家就開始了掃地機(jī)的批量生產(chǎn)。目前，國外先進(jìn)的掃地機(jī)都在不斷地提高智能水平。吸掃式小型掃地機(jī)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的小型掃地機(jī)品種，通常有盤型刷和風(fēng)機(jī)、風(fēng)管道、吸塵嘴等局部。盤刷的設(shè)置加強(qiáng)了對馬路邊溝的清掃，增加了清掃寬度。盤型刷將側(cè)面的垃圾掃到吸塵嘴的工作區(qū)域，再由吸塵系統(tǒng)將垃圾吸入機(jī)內(nèi)的垃圾箱。吸掃式小型掃地機(jī)適合于任何道路環(huán)境的清掃，對污物、塵土都有很好的清掃效果，工作效率高。智能化掃地機(jī)不僅給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時也產(chǎn)生了顯著的社會效益。1.2.1路徑規(guī)劃技術(shù)路徑規(guī)劃就是根據(jù)機(jī)器人所感知到的工作環(huán)境信息,按照某種優(yōu)化指標(biāo),在起始點和目標(biāo)點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑,并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理的路徑覆蓋,實質(zhì)就是掃地機(jī)運動過程中的導(dǎo)航和避碰。1.2.2多傳感器融合技術(shù)為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。吸塵機(jī)器人都采用了大量的傳感器,有效地把大量的傳感器觀測信息融合處理,使機(jī)器人獲得最大量的外部環(huán)境信息,運用多傳感器融合技術(shù)可以提高移動機(jī)器人定位、障礙物識別、環(huán)境建模、避障的精度。1.2.3電源技術(shù)移動電源需同時為移動機(jī)構(gòu)提供動力,為控制電路提供穩(wěn)定的電壓,為吸塵操作模塊及傳感觀測模塊提供能源等。電源在放電過程中具備:①保持恒定的電壓;②內(nèi)阻小以便快速放電;③可充電;④本錢低等特點。依托以上關(guān)鍵技術(shù),可實現(xiàn)以下產(chǎn)品功能:1.自動檢測垃圾并對較臟的區(qū)域重點清掃2.自動尋找智能充電座回去充電3.定時清掃4.當(dāng)機(jī)器被卡住能自動擺脫5.支持遙控6.邊角清掃程序7.不重復(fù)清潔、不留死角和樓梯防跌落功能1.3研究內(nèi)容：1.3.1自動返回充電功能啟動機(jī)器人自動充電模式，它在完成工作后會自動返回充電并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。用戶只要翻開機(jī)器人，剩下的清潔工作就不用擔(dān)憂了。1.3.2具有預(yù)約定時自動清掃功能可以預(yù)約一次和一周內(nèi)任意預(yù)約清掃時間，可以放心上班和出差，也可以自動清掃。1.3.3脫困功能可以順利跳過2CM高的電線等雜物，具有聰明的擺脫困境功能，入遇困境，機(jī)器人會自動嘗試用各種方法擺脫困境。1.3.4防跌落功能在樓梯，會議桌等地方工作也不用擔(dān)憂機(jī)器會跌落而造成順壞及危險，機(jī)器人自動感知到危險而避開。1.3.5液晶顯示屏智能報警提醒智能識別系統(tǒng)能夠幫助您判斷機(jī)器人使用過程中出現(xiàn)的問題，智能識別系統(tǒng)能夠自動識別各種異常情況。1.3.6靈巧邊刷單獨的邊刷控制邊刷高速旋轉(zhuǎn)，將墻角/墻邊的垃圾清掃出來并進(jìn)入塵盒，真正的有效清掃邊角灰塵。1.3.7解決智能掃地機(jī)反復(fù)清理一個地方的問題1.4論文主要完成的工作課題主要完成的工作包括清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動電機(jī)選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設(shè)計和軟件編程及試驗。1.4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)局部包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動電機(jī)的選擇。1.4.2避障系統(tǒng)控制方案包括機(jī)器人障礙檢測系統(tǒng)、定位系統(tǒng)確實定和控制算法的選擇。1.4.3控制系統(tǒng)硬件局部包括單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計和傳感器檢測硬件電路設(shè)計。1.4.4控制系統(tǒng)軟件局部包括單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。2單片機(jī)2.1單片機(jī)簡介常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機(jī)由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)〔最小系統(tǒng)〕，和計算機(jī)相比，單片機(jī)缺少了外圍設(shè)備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格廉價，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。、、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電子產(chǎn)品中都含有單片機(jī)。汽車上一般配備40多片單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機(jī)在同時工作。2.1.1硬件特性1、單片機(jī)包括CPU、4KB容量的ROM、128B容量的RAM、2個16位定時/計數(shù)器、4個8位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，實現(xiàn)模塊化；3、單片機(jī)可靠性高；4、處理功能強(qiáng)，速度快。5、低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品6、控制功能強(qiáng)7、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。2.2AT89C51單片機(jī)本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)作為檢測和控制核心。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器〔PEROM〕和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器〔ROM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU〕和Flash存儲單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。2.2.1AT89C51主要性能參數(shù)1.與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2.有4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器3.有1000次的擦寫周期4.全靜態(tài)操作：0Hz~24MHz5.有128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM6.有32個可編程I/O口7.有2個16位定時/計數(shù)器8.有6個中斷源9.低功率空閑和掉電模式2.2.2AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可將至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。AT89C51引腳VCC：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址〔低8位〕和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個攜帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔IIL〕。P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流〔IIL〕。圖2.1AT89C51芯片P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流〔IIL〕。P3口除了作為一般的圖2.1AT89C51芯片表2.1端口引腳第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2〔外中斷0〕P3,3〔外中斷1〕P3.4T0〔定時/計數(shù)器0〕P3.5T1〔定時/計數(shù)器1〕P3.6〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕P3.7〔外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通〕3智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析用紅外傳感器、光電傳感器、接觸傳感器完成自動避障。用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用PWM技術(shù)來動態(tài)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實現(xiàn)清掃機(jī)行進(jìn)、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合最大限度地利用AT89C51單片機(jī)的全部資源。P0口用于數(shù)碼管顯示，P1口用于電動機(jī)的PWM驅(qū)動控制，P2、P3口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點是：充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源,降低了總體設(shè)計的本錢?？傁到y(tǒng)框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件設(shè)計總框圖3.1智能掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)圖3.1硬件設(shè)計總框圖傳感器系統(tǒng)是掃地機(jī)的感覺器官,負(fù)責(zé)采集環(huán)境障礙物和自身狀態(tài)的信息，是掃地機(jī)的重要組成局部，由多傳感器及相關(guān)信號處理電路組成。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，傳感器系統(tǒng)為掃地機(jī)的正常工作發(fā)揮著無可替代的作用。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能越好，自動避障和路徑規(guī)劃方案就越容易實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的程序就更容易編寫和執(zhí)行，掃地機(jī)系統(tǒng)的整體性能也就越好。移動機(jī)器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大致可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩大類。內(nèi)傳感器主要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比方速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器主要有測速發(fā)電機(jī)、加速度計、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比方圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。掃地機(jī)傳感器系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息，以實現(xiàn)掃地機(jī)的自主避障。由此可見，傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機(jī)自動避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對工作環(huán)境下的障礙物信息，可以通過外部傳感器獲得，移動機(jī)器人上常用的探測障礙物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器通過計算超聲波的發(fā)射接收時間間隔實現(xiàn)定量測距。超聲波傳感器波束較寬，方向性差，但是其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，探測距離遠(yuǎn)，采集信息速度快，且比一般視覺傳感器和激光測距儀都要廉價，因此在許多方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測視角小、方向性好、信號處理簡單和反映速度快等優(yōu)點，但是其受環(huán)境影響較大，當(dāng)探測頭被灰塵等污染后，其探測性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號〔紅外、可見及紫外光輻射〕轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三局部組成。光電檢測方法具有精度高、反響快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，它的探測距離比擬近，從幾個毫米到幾十厘米不等。因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器通過與被測物體的接觸來確定被測物體的相關(guān)信息，如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器主要有限位開關(guān)、接觸開關(guān)等，這些傳感器結(jié)構(gòu)簡單、信號易處理、適應(yīng)能力強(qiáng)且價格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點,因此廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人的局部導(dǎo)航。經(jīng)過比照分析，本設(shè)計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機(jī)周邊位置上，通過相應(yīng)的信號處理電路與微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策，實現(xiàn)自主避障。3.1.1測速裝置模塊測速信號通過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再利用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生假設(shè)干個脈沖信號，據(jù)此可以算出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。這種簡易的光電開關(guān)測速法本錢低，性能可靠，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，精度沒有嚴(yán)格要求的情況下使用，這種測速裝置可以構(gòu)成里程計。根據(jù)里程計的返回脈沖數(shù)可以計算出電機(jī)行走的距離，并間接得到行走速度。圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖3.1圖3.2EW462內(nèi)部原理示意圖碰撞檢測采用霍爾元件EW462，芯片的內(nèi)部原理框圖如圖3-4所示，芯片的工作方式如圖3-5所示。芯片的供電電壓范圍為4.5V~18V，靈敏度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為15mA。當(dāng)芯片的正上方有S極磁場時，霍爾元件輸出高電平，當(dāng)元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場極性，可以控制元件輸出信號的變化趨勢。當(dāng)極性相反時，元件在偏離磁場時為高電平，正對磁場時為低電平。3.2驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動器就是驅(qū)動掃地機(jī)的動力部件，最常用的就是電機(jī)。掃地機(jī)最主要的控制量就是控制掃地機(jī)的移動，掃地機(jī)驅(qū)動器中最根本的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以控制掃地機(jī)移動的距離和方向、清掃機(jī)械的彎曲的程度或者移動的距離等。所以，第一個要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動。一般有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制。有了這些控制卡和芯片，然后把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機(jī)。第二個問題是控制電機(jī)的速度，在掃地機(jī)上的實際表現(xiàn)就是它的實際運動速度，掃地機(jī)走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就要求控制卡對電機(jī)有速度控制。機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)中前面有一個從動轉(zhuǎn)向輪，兩側(cè)各有一個驅(qū)動輪，由無刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動的旋轉(zhuǎn)毛刷。永磁無刷電動機(jī)具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，由于它采用電子換向，脈寬調(diào)制脈沖調(diào)速，在進(jìn)一步提高直流電機(jī)性能的同時，又克服了直流電機(jī)傳統(tǒng)機(jī)械換向帶來的一系列問題，從而大大延長了電機(jī)的使用壽命。直流無刷電機(jī)控制電路主要有控制電路微處理器、數(shù)字信號處理器和專用集成電路等3種方式。使用單片機(jī)輔以外圍處理電路的方法，其測頻、換相、控制調(diào)節(jié)等均由軟件實現(xiàn)。選用單片機(jī)軟件編程的方法控制無刷直流電機(jī)。吸塵器內(nèi)的風(fēng)機(jī)和帶動毛刷的電機(jī)都使用直流電機(jī)，由于不需要調(diào)速、換向，因此控制方法比擬簡單。圖3.3主從動輪分布圖電機(jī)的運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2，它決定了機(jī)器人的運動空間，采用輪圖3.3主從動輪分布圖直流電動機(jī)具有良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)良的動態(tài)特性，所以一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(jī)如交流變頻電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)的挑戰(zhàn)，但直流電動機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中仍有著廣泛的應(yīng)用。采用廣泛應(yīng)用的脈寬調(diào)制技術(shù)控制電動機(jī)電樞的電壓。所謂PWM控制技術(shù)，就是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以到達(dá)變壓的目的。產(chǎn)生PWM信號常用的4種方法如下：(1)分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器。這種方式是用分立的邏輯電子元件組成信號電路，是較早采用的方法，可靠性、可調(diào)性較差；(2)軟件模擬式。利用單片機(jī)的一個I/O引腳，通過軟件對該引腳輸出上下電平來模擬PWM波，該方法占用CPU的時間較多，控制軟件較復(fù)雜；(3)專用PWM集成電路。采用專用的PWM集成電路芯片，該方法功能強(qiáng)，但增加了調(diào)速系統(tǒng)的本錢開銷；(4)單片機(jī)的PWM口。新一代的許多單片機(jī)具有PWM調(diào)速功能。通過單片機(jī)的初始化設(shè)置，使其自動發(fā)生脈沖波，只有在改變脈沖寬度時才進(jìn)行干預(yù)，該方法控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速簡單、可靠。所以使用單片機(jī)的PWM口作為電機(jī)的PWM調(diào)速控制。無刷直流電動機(jī)簡稱BLDC，學(xué)名是無換向器電機(jī)或無整流子電機(jī)，是一種新型的無級變速電機(jī)。它具有直流電機(jī)良好的調(diào)速特性，但由于沒有換向器，因而可做成無接觸式，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，不需要經(jīng)常性維護(hù)等優(yōu)點，是一種理想的變速電機(jī)。選用的輪子驅(qū)動電機(jī)即為無刷直流電機(jī)，其工作電壓是10~15V，最大工作電流0.84A，正常工作電流0.4A，有專門的換向控制引腳，上下電平控制正反轉(zhuǎn)。該電機(jī)可以由PWM信號直接驅(qū)動，允許的脈寬調(diào)制脈沖信號輸入?yún)?shù)為：允許輸入PWM的頻率最大為50kHz；高電平的輸入電壓范圍為2.0V~5.0V；低電平的輸入電壓為0V~1.0V；輸入開路電壓為4.5V~5V。3.3紅外遙控系統(tǒng)紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、本錢低等特點，繼彩電、錄像機(jī)之后，紅外線遙控在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也實現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控能可靠且有效地隔離電氣干擾?；谝陨蟽?yōu)點，故采用紅外遙控裝置來控制智能掃地機(jī)的清掃方式及開機(jī)與關(guān)機(jī)。遙控發(fā)射器遙控接收器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)通常紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大局部組成，應(yīng)用編碼/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖3.2所示。發(fā)射局部包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收局部包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。紅外接收芯片選用TFMS5380。在遙控器上使用單片機(jī)進(jìn)行紅外功能編碼，在掃地機(jī)上，由于單片機(jī)處理任務(wù)很多，因此選用專用的解碼芯片。解碼芯片是REALTEK公司生產(chǎn)的一種用于遙控小卡車的CMOS大規(guī)模集成電路RX6B，它有七個控制鍵來控制小卡車的移動。由于編碼和解碼的振蕩頻率必須一致，頻率的大小由OSCI和遙控發(fā)射器遙控接收器圖3.4紅外遙控系統(tǒng)圖3.5圖3.5IMP813L芯片浮動開關(guān)是一個安裝在輪子內(nèi)側(cè)的機(jī)械開關(guān)，輪子上有彈簧裝置，當(dāng)輪子浮起時，開關(guān)斷開掃地機(jī)停止前進(jìn)，實現(xiàn)了防跌落功能。防跌落功能有效的保護(hù)了掃地機(jī)各部位免遭摔壞，所以是必不可少的。3.5看門狗幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的根本要求是：在單片機(jī)上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止程序亂飛導(dǎo)致EPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時器(有些單片機(jī)無看門狗定時器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是根隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機(jī)。IMP813L剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點及使用方法。IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如下圖，引腳功能如下：第1腳為手動復(fù)位輸入，低電平有效；第2、3腳分別為電源和地；第4腳為電源故障輸入；第5腳為電源故障輸出；第6腳為看門狗輸入，第7腳為復(fù)位輸出，第8腳為看門狗輸出。IMP813L的性能特點：IMP813L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.5，具有以下主要性能特點：由圖可知該芯片具有以下主要性能特點：(1)復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門限的典型值為4.65V。(2)看門狗電路輸出。如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路(即第6腳無脈沖輸入)，那么第8腳輸出一個低電平信號。圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路圖3.6IMP813L的典型應(yīng)用電路(4)1.25V門限值檢測器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。當(dāng)?shù)?腳電壓低于1.25V時，第5腳輸出一個低電平信號。IMP813L的典型應(yīng)用電路：IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖3.6所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例，IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C51的第9腳)；第6腳與單片機(jī)的P1.4相連。在軟件設(shè)計中，P1.4不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，那么P1.4無脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使IMP813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門限值4.65V時，IMP813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時單片機(jī)產(chǎn)生錯誤的動作。電源故障輸入PFI通過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1．25V時，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。IMP813L是一體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號為高電平場合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。3.6液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接，編程，完成顯示時間及清掃機(jī)行進(jìn)速度的功能。圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路DM-162液晶顯示模塊的字符顯示，可分為好幾種顯示模式，這主要取決于對具體的應(yīng)用。如靜態(tài)的顯示，還是動態(tài)的左移或者右移顯示。那么這個主要是在程序設(shè)計的過程中，進(jìn)行初始化所決定的。因此，在使用之前先確定使用的目的，選擇好顯示的方式，當(dāng)然得找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在DM-162液晶顯示模塊的相應(yīng)顯示位置的RAM地址。然后進(jìn)行每個字符的寫入顯示。在使用的過程中，還得注意的一點是，可能是顯示驅(qū)動電壓的不穩(wěn)定性，或者是由于驅(qū)動電壓的過高，會形成一種“鬼影”的現(xiàn)象，因此需要手動對10K圖3.7液晶顯示系統(tǒng)電路液晶顯示模塊電路如圖3.7。它由以下幾個部件組成：單片機(jī)AT89C51、液晶字符顯示部件DM-162、電源供電局部。單片機(jī)局部：采用AT89C51芯片實現(xiàn)對DM-162的控制顯示字符顯示模塊:選擇2行16個字的顯示容量.電源局部：+5V電壓供電，維持系統(tǒng)的正常工作,同時加載10K電位器以適應(yīng)不用亮度的顯示字符即比照度的調(diào)整。4智能掃地機(jī)的設(shè)計4.1自動充電系統(tǒng)自動充電是用對接充電來實現(xiàn)的，對接充電過程主要用了紅外信號，在智能吸塵機(jī)器人的左側(cè)和后面都有紅外接收器，發(fā)射傳感器那么安裝在充電座上，對接充電對掃地機(jī)是非常重要的，因為機(jī)器人自帶的充電電池電量有限，不一定能保證完成清掃工作，這就需要機(jī)器人能自動對接充電。當(dāng)內(nèi)部電源檢測到電壓低于一定值是，掃地機(jī)器人將沿墻壁尋找充電座。一般掃地機(jī)器人按右手法那么尋找充電座，所以在掃地機(jī)器人貼墻的一側(cè)〔選左側(cè)〕和后部各裝有一個紅外接收傳感器，當(dāng)側(cè)面的一側(cè)在貼邊過程中收到紅外信號時，掃地機(jī)器人順時針旋轉(zhuǎn)90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時檢測充電座充電電壓即可確定是否已經(jīng)對接上。4.2驅(qū)動系統(tǒng)電路驅(qū)動系統(tǒng)電路包括驅(qū)動器、光電隔離模塊以及驅(qū)動器保護(hù)電路等局部，如圖3.6所示。在具體電路中，由于單片機(jī)使用5V弱電，而電機(jī)的驅(qū)動電壓為12V或者更高，考慮到單片時機(jī)受到驅(qū)動局部的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制局部和驅(qū)動局部隔離開來。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有20mA左右，缺乏以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動光電耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245來增強(qiáng)驅(qū)動能力，為光電耦合器TLP521提供適宜的驅(qū)動電流。驅(qū)動器保護(hù)電路由8個高速大電流肖恩特二極管1N5822〔圖中D1~D8〕組成，用來消除電機(jī)在起停、制動及換向時產(chǎn)生的反電勢。保護(hù)二極管最好采用高速大電流的開關(guān)管，否那么反向恢復(fù)時間太長，L298N內(nèi)部H橋的上下兩個三極管會因為開閉時序交叉，導(dǎo)致同時翻開而短路，長期使用狀態(tài)下會造成L298N發(fā)熱或燒毀。按照圖4.1所示電路，系統(tǒng)工作時，單片機(jī)P1口輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動芯片L298N，控制電機(jī)動作。當(dāng)需要調(diào)速時只需改變PWM調(diào)速脈沖〔本設(shè)計中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生〕的占空比即可，理論上可以實現(xiàn)256級調(diào)速。4.3總體軟件流程總流程圖如圖4.1所示，是整個清掃機(jī)運行過程的流程圖。其中包括初始化整個系統(tǒng)、啟動各電路模塊、等待接收命令、啟動驅(qū)動系統(tǒng)、檢測障礙、啟動清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過程。(1)首先，啟動清掃機(jī)電源，使各模塊持續(xù)供電。圖4.2總流程圖(2)啟動各電路模塊，啟動液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運行時間圖4.2總流程圖啟動清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)，此項內(nèi)容主要作用是使清掃機(jī)對周圍環(huán)境有一個了解，通過對周圍環(huán)境的感知來實現(xiàn)測距、清掃、避障。本過程主要是通過單片機(jī)控制各傳感器及傳感器向單片機(jī)反響來實現(xiàn)。啟動紅外接收系統(tǒng)，等待接收紅圖4.3圖4.3紅外發(fā)射電路流程圖(3)當(dāng)接收到前進(jìn)指令時，啟動驅(qū)動系統(tǒng)。(4)當(dāng)遇到障礙時啟動清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過程是整個清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.4紅外遙控系統(tǒng)流程圖4.4驅(qū)動系統(tǒng)流程發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.3所示主程序中設(shè)置串口工作方式1和定時器T1方式2是為了發(fā)射按鍵代碼時產(chǎn)生2000b/s的波特率；定時器T0工作方式2是用來在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號。有按鍵下時產(chǎn)生外部中斷0，存放器R5和R4中存放的數(shù)據(jù)是用來控制1min的定時時間。1min之內(nèi)無按鍵，那么遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定時器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產(chǎn)生38kHz圖4.4驅(qū)動系統(tǒng)流程4.5驅(qū)動系統(tǒng)流程首先是系統(tǒng)初始化工作,即設(shè)置存放器、配置GPIO、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測GPIO有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發(fā)出控制信號給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號數(shù)據(jù),再通過求平均值得到電機(jī)的電流值;對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機(jī)的具體型號乘以一個系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度,啟動總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4.4所示。4.6清掃避障系統(tǒng)流程清掃壁障流程圖如圖4.5，該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的流程。圖4.5清掃避障流程圖(1)紅外光電傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管接收，產(chǎn)生一個與光強(qiáng)相對應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個模擬電壓，經(jīng)圖4.5清掃避障流程圖(2)由接觸傳感器感知障礙物性質(zhì)，判斷其是否是清掃機(jī)可清掃的垃圾。假設(shè)可清掃那么由單片機(jī)向