機(jī)械電子學(xué)作業(yè)

機(jī)械電子學(xué)課程作業(yè)類別標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)實(shí)得分?jǐn)?shù)平時(shí)成績(jī)作業(yè)成績(jī)總分100授課教師簽字專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化課程名稱：機(jī)械電子學(xué)學(xué)號(hào)：姓名：完成時(shí)間：2015年1月23日清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案1.引言隨著社會(huì)的進(jìn)步和開展，人們的物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的提高，迫切需要從繁重的清潔夠工作解脫出來(lái)。由此誕生了一種家用效勞型吸塵機(jī)器人,它將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內(nèi)環(huán)境的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔。自主吸塵機(jī)器人作為智能移動(dòng)機(jī)器人實(shí)用化開展的先行者，其研究始于20世紀(jì)80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品。吸塵機(jī)器人的開展，帶動(dòng)了家庭效勞機(jī)器人行業(yè)的開展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像和語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的開展。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自主式吸塵器比擬具體地表達(dá)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場(chǎng)前景[1]。本文選擇衛(wèi)博士TRV-11NB88掃地機(jī)器人，介紹清掃機(jī)器人的機(jī)械局部機(jī)構(gòu)，主要對(duì)路徑規(guī)劃和自主充電對(duì)接進(jìn)行具體分析。清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)清掃機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)局部組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主題，決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間，一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近覺(jué)傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機(jī)等。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅猛開展，吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的根底和良好的開展前景。吸塵機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往拄是不確定的或多變的，因此必須兼顧平安可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測(cè)環(huán)境、分析信號(hào)，以及通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境，具有特別重要的意義，近年來(lái)對(duì)只能機(jī)器人的研究說(shuō)明，對(duì)于工作在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的自主式移動(dòng)機(jī)器人，要進(jìn)一步提高其自動(dòng)化程度，主要依賴模式識(shí)別及障礙物識(shí)別、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸及適當(dāng)人工智能方法，還需要進(jìn)一步開發(fā)全局模型，從而為機(jī)器人獲取全局信息。目前開展較快、對(duì)吸塵機(jī)器人開展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是：傳感技術(shù)，智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等[2]。2.1定位技術(shù)定位是根據(jù)的環(huán)境地圖信息，結(jié)合機(jī)器人內(nèi)部傳感器的返回信息，對(duì)機(jī)器人在任意時(shí)刻的位姿的估計(jì)。根據(jù)機(jī)器人定位所采用的傳感器的不同，可以將機(jī)器人定位技術(shù)分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位[3][4]。相對(duì)定位主要有慣導(dǎo)法和測(cè)距法兩種。慣導(dǎo)法是利用陀螺儀及加速度計(jì)等傳感器，根據(jù)測(cè)量值的積分計(jì)算出位置的偏移量，而測(cè)距法是利用編碼器等傳感器，根據(jù)采樣時(shí)間內(nèi)位移的增量推算出位置。絕對(duì)定位是指利用傳感器得到機(jī)器人的絕對(duì)位置信息，包括電子羅盤定位，GPS定位，路標(biāo)導(dǎo)航定位，地圖模型匹配等[5]。不同的定位方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)以及缺乏，在具體的定位過(guò)程中可以綜合不同的定位方法。2.1傳感技術(shù)為了讓清掃機(jī)器人正常工作，必須對(duì)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，還要感知機(jī)器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)感信息，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。通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有：編碼器、線加速度計(jì)、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當(dāng)前機(jī)器人的位置，線加速度計(jì)獲取線加速度信息，進(jìn)而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人的角度、角速度、角加速度以得到機(jī)器人的姿態(tài)角、運(yùn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)方向的改變等絕對(duì)航向信息。外部傳感器有視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺(jué)傳感器采用CCD攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航與定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造等；超聲波傳感器測(cè)量機(jī)器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關(guān)來(lái)探測(cè)機(jī)器人工作環(huán)境中的障礙物以及防止碰撞。接觸和接近覺(jué)傳感器多用于避碰規(guī)劃。2.2路徑規(guī)劃技術(shù)吸塵機(jī)器人的路徑規(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(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活潑。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和給于傳感器的路徑規(guī)劃。對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復(fù)雜的橢圓積分問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)起來(lái)依然具有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)機(jī)器人對(duì)環(huán)境信息知道的程度不同，可分為為兩種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或局部未知，通過(guò)傳感器在線地對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個(gè)子問(wèn)題。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法〔V‐Graph〕、自由空間法(FreespaccApproach)和柵格法(Grids)等。2.3吸塵技術(shù)真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體自形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。最近，澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個(gè)吸塵器是一個(gè)封閉系統(tǒng)既無(wú)外部氣體吸入，也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除，所以就無(wú)需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應(yīng)去形成利亞渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)，在英國(guó)Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器就采用的了這種技術(shù)。2.4電源技術(shù)移動(dòng)電源在吸塵機(jī)器人中的地位十分重要，可以說(shuō)是它的生命源。移動(dòng)電源需要同時(shí)滿足吸塵機(jī)器人的多種能源需要，如為移動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領(lǐng)域，一般采用化學(xué)電池作為移動(dòng)電源。理想的電源應(yīng)該能夠在放電過(guò)程中保持恒定的電壓，內(nèi)阻小以便快速放電，可充電以及本錢低等，但實(shí)際上沒(méi)有一種電池可同時(shí)具備上述優(yōu)點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)人員選擇一種適宜的電池，盡可能增加吸塵機(jī)器人的不間斷工作時(shí)間。3.總體方案設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)目標(biāo)本課題介紹了家用清掃機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，具有自主清掃、自動(dòng)返回充電功能，自動(dòng)路徑規(guī)劃壁障功能，定時(shí)預(yù)約功能。要求運(yùn)行機(jī)構(gòu)形式為輪式，轉(zhuǎn)彎半徑為0mm，高度不超過(guò)100mm，高度不超過(guò)400mm，一次充電連續(xù)工作時(shí)為0.5小時(shí)，營(yíng)示方式為L(zhǎng)ED閃光。3.2機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1機(jī)械本體設(shè)計(jì)家用清掃機(jī)器人，包括控制器、傳感器、電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開關(guān)等，在清掃機(jī)的頂部設(shè)有超聲波距離傳感器；清掃機(jī)底部前方邊沿安裝有接近開關(guān)，接近開關(guān)與超聲波距離傳感器一起，構(gòu)成清掃機(jī)測(cè)距系統(tǒng)；清掃機(jī)裝有直流電機(jī)；在清掃機(jī)的底部安裝有吸塵器機(jī)構(gòu)。本文所研究的家用清掃機(jī)器人的總體布局方案如下圖，后兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪?？紤]到機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的實(shí)用性，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的可方便替換的模塊，當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只需簡(jiǎn)單步驟就可以對(duì)驅(qū)動(dòng)局部進(jìn)行替換。同時(shí)為了機(jī)器人能夠靈活的運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪選用萬(wàn)向輪。如圖3.1所示。圖3.1清掃機(jī)器人的三維立體圖電機(jī)通過(guò)電機(jī)支架固定在底板上，主動(dòng)輪與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接。風(fēng)機(jī)布置在底板的上方，風(fēng)機(jī)與集塵盒之間放置過(guò)濾網(wǎng)，將垃圾留在集塵盒內(nèi)部，吸嘴與集塵盒之間通過(guò)轉(zhuǎn)接頭相連，通過(guò)吸嘴、集塵盒、風(fēng)機(jī)構(gòu)成清掃機(jī)器人的內(nèi)部腔道。3.2.2清掃模塊設(shè)計(jì)清掃模塊是清掃機(jī)器人的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)清掃機(jī)器人清掃效果有很重要的影響。根據(jù)清掃方式的不同，清掃機(jī)器人的清掃方式可以分為有吸掃式和純掃式兩種。吸掃式是依靠清掃機(jī)器人內(nèi)部的風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人內(nèi)部的氣體被排出，吸口處的空氣補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，機(jī)器人內(nèi)部形成瞬時(shí)真空，在此作用下將吸嘴處的垃圾吸入集塵盒中。清掃機(jī)器人清掃能力取決于吸嘴處風(fēng)速的大小，相關(guān)資料說(shuō)明，吸口處的風(fēng)速在40~60m/s之間，清掃的效果好。垃圾從吸嘴處吸入機(jī)器人內(nèi)部，經(jīng)過(guò)一段管道進(jìn)入機(jī)器人的集塵盒中，垃圾被過(guò)濾網(wǎng)阻止在集塵盒中，空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)排出。吸掃式清掃方式也存在一定的局限性，吸嘴中的垃圾在高速運(yùn)動(dòng)下，容易與吸嘴的四壁以及垃圾相互之間發(fā)生碰撞，損失動(dòng)能，使得收集垃圾的能力下降。因此吸掃式清掃方式適用于垃圾量較少的環(huán)境，例如家庭，展覽館等室內(nèi)環(huán)境[6]。從以上的分析可以看出，本文應(yīng)采用吸掃式清掃方式。在吸塵口的兩側(cè)加兩個(gè)邊刷，用一個(gè)電機(jī)通過(guò)兩對(duì)錐齒輪來(lái)控制，主要的作用是通過(guò)旋轉(zhuǎn)的邊刷將機(jī)器人兩側(cè)的灰塵雜物掃到吸塵口的前方，這樣在室內(nèi)的角落，以及機(jī)器人吸嘴無(wú)法到達(dá)的地方，可以用邊刷來(lái)協(xié)助完成清掃工作，采用這種清掃方式能夠使清掃機(jī)器人的清掃效果獲得很大的提升。3.2.3傳感器布置清掃機(jī)器人進(jìn)行清掃工作必須能夠感知環(huán)境的信息，因此在底板上布置3個(gè)超聲波傳感器和5個(gè)紅外光電傳感器進(jìn)行障礙物的檢測(cè)，兩個(gè)編碼器分別檢測(cè)兩個(gè)電機(jī)的移動(dòng)距離和一個(gè)電子羅盤來(lái)測(cè)量機(jī)器人的角度信息[7]。傳感器的具體分布情況如圖3.2所示。圖3.2清掃機(jī)器人傳感器布置3.2.4吸塵機(jī)構(gòu)旨在強(qiáng)大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲(chǔ)存箱中。3.2.5擦地機(jī)構(gòu)在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦出殘留在地面上的細(xì)小灰塵，保證清潔工作的質(zhì)量。3.2.6機(jī)構(gòu)三維模型根據(jù)以上分析，利用Pro/E建立三維模型包括底板、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和清掃機(jī)構(gòu)，如圖3.3所示。電機(jī)通過(guò)電機(jī)支架固定在底板上，主動(dòng)輪與電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接。圖3.3清掃機(jī)器人三維模型風(fēng)機(jī)布置在底板的上方，風(fēng)機(jī)與集塵盒之間放置過(guò)濾網(wǎng)，將垃圾留在集塵盒內(nèi)部，吸嘴與集塵盒之間通過(guò)轉(zhuǎn)接頭相連，通過(guò)吸嘴、集塵盒、風(fēng)機(jī)構(gòu)成清掃機(jī)器人的內(nèi)部腔道。3.3硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)清掃機(jī)器人的全覆蓋路徑規(guī)劃要求，硬件電路框圖如圖3.4所示。其中超聲波傳感器、紅外光電傳感器、電子羅盤以及編碼器為信號(hào)輸入局部，為清掃機(jī)器人提供環(huán)境信息，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)路徑規(guī)劃算法控制電機(jī)，顯示模塊LCD1602。圖3.4清掃機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)框圖3.3.1主控芯件控制系統(tǒng)的主控芯片采用ATmega128，是ATMEL公司生產(chǎn)的一款8位單片機(jī)，該單片機(jī)控制可靠，內(nèi)部資源豐富，具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，并且擁有4個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，8個(gè)外部中斷能夠滿足控制要求，通過(guò)ISP實(shí)現(xiàn)程序的寫入[8]。3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)主控芯片可以產(chǎn)生一定頻率和占空比的PWM信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力有限，不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此必須選用適宜的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。表3.1L293D引腳的邏輯關(guān)系表本文選用L293D作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)雙極型H橋電路，可以控制兩個(gè)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電流為1A。H橋電路的輸入可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使能信號(hào)可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以其中的一個(gè)H橋?yàn)槔?，如?.1所示，IN1、IN2控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，IN1為高電平IN2為低電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，同時(shí)使能信號(hào)EN1控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM信號(hào)接入EN1，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，即EN1為高電平，這時(shí)電機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)PWM信號(hào)為低電平時(shí)，即EN1為低電平，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣通過(guò)改變EN1的上下就可以實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，當(dāng)IN1，IN2電平上下相同時(shí)，電機(jī)急停[9]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件原理圖如圖3.5所示。圖3.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖4.清掃路徑規(guī)劃4.1路徑規(guī)劃概述清掃機(jī)器人的路徑規(guī)劃是根據(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(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無(wú)碰撞的路徑，并且實(shí)現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，同時(shí)實(shí)現(xiàn)封閉區(qū)域內(nèi)機(jī)器人行走路徑對(duì)工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)率。機(jī)器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)這一問(wèn)題研究仍舊十分活潑。其主要研究?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃[10]。4.1.1路徑規(guī)劃定義所謂路徑規(guī)劃就是指智能自主移動(dòng)機(jī)器人能夠按照存儲(chǔ)在其內(nèi)部的地圖信息，或根據(jù)外部環(huán)境所提供的一些引導(dǎo)，規(guī)劃出一條路徑，并能夠沿著該路徑在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下，移動(dòng)到預(yù)定目標(biāo)，同時(shí)完成預(yù)定的任務(wù)。執(zhí)行這個(gè)過(guò)程的算法就是路徑規(guī)劃算法[11]。4.1.2路徑規(guī)劃意義路徑規(guī)劃反映了移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可能性，效率和能量消耗情況。從移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可能性來(lái)講，路徑規(guī)劃表達(dá)在機(jī)器人能否沿規(guī)劃好的從某個(gè)起點(diǎn)到某個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的路徑運(yùn)動(dòng)，并且避開障礙物。從移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的效率來(lái)講，路徑規(guī)劃表達(dá)在機(jī)器人能否在最短的時(shí)間內(nèi)走完。從移動(dòng)機(jī)器人的能量消耗來(lái)講，路徑規(guī)劃表達(dá)在機(jī)器人如何運(yùn)動(dòng)才能使消耗的總能量最小[12]。4.2全區(qū)域覆蓋的避障系統(tǒng)4.2.1避障系統(tǒng)概述避障系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)障礙、處理障礙信息及避障方式的一個(gè)綜合系統(tǒng)，它的好壞直接影響到清潔機(jī)器人工作的效果。避障也是清潔機(jī)器人智能化的表達(dá)。傳統(tǒng)的清潔機(jī)器人避障是在發(fā)現(xiàn)障礙后，就立即調(diào)用避障執(zhí)行程序，躲避障礙。對(duì)于清潔機(jī)器人來(lái)講，避障系統(tǒng)必須盡可能的使機(jī)器人行走的路徑覆蓋更多的區(qū)域，即提高覆蓋率，所以就必須使得移動(dòng)機(jī)器人充分的接近障礙，同時(shí)又要盡量防止碰上。使清潔機(jī)器人對(duì)障礙的處理不是遠(yuǎn)遠(yuǎn)地躲避，而應(yīng)該盡可能地靠近障礙，以便實(shí)現(xiàn)最大程度的全區(qū)域覆蓋這一目標(biāo)。4.2.2避障與路徑規(guī)劃的關(guān)系避障系統(tǒng)與路徑規(guī)劃是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體。路徑規(guī)劃所涉及的是清掃機(jī)器人整體行走路徑的優(yōu)劣程度問(wèn)題，避障系統(tǒng)那么是幫助清潔機(jī)器人在沿規(guī)劃好的路徑行走時(shí)探測(cè)各種未知障礙物的情況，對(duì)障礙物進(jìn)行處理、識(shí)別障礙類型，從而使清潔機(jī)器人及時(shí)調(diào)整路徑，采取路徑規(guī)劃中相應(yīng)的避障策略進(jìn)行避障行走。可見避障系統(tǒng)直接影響到清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃的優(yōu)劣，是清掃機(jī)器人順利完成全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃的保障。4.2.3障礙物的碰撞探測(cè)障礙探測(cè)是指依靠各種傳感器組成的傳感器陣列對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行探測(cè)。傳感器陣列是清掃機(jī)器人的一個(gè)重要組成局部。在清掃機(jī)器人系統(tǒng)中，清潔機(jī)器人需要實(shí)時(shí)地收集環(huán)境信息，來(lái)建立環(huán)境模型地圖，完成路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)避障等任務(wù)[10]。這些任務(wù)都要依靠能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息的傳感器陣列來(lái)完成。傳感器陣列就像是清潔機(jī)器人的“眼睛”，收集周圍環(huán)境的某些信息。這些信息是避障、路徑規(guī)劃的依據(jù)，是清掃機(jī)器人的行動(dòng)指南。在實(shí)際中，因各種因素的影響，清掃機(jī)器人難免會(huì)有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開關(guān)傳感器來(lái)感應(yīng)車體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使清潔機(jī)器人做出相應(yīng)的決策。在清潔機(jī)器人的前端設(shè)計(jì)了約180°的碰撞板，在碰撞板左右兩側(cè)各裝有一個(gè)光電開關(guān)。光電開關(guān)由一對(duì)紅外發(fā)射對(duì)管組成，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線通過(guò)清潔機(jī)器人機(jī)身特制的小孔被光敏二極管接受，當(dāng)機(jī)身碰撞板受到碰撞時(shí)，碰撞板就會(huì)擋住機(jī)身特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統(tǒng)傳達(dá)信息[11]。光電開關(guān)工作原理如下列圖4.1所示。此結(jié)構(gòu)可防止測(cè)量盲區(qū)帶來(lái)的誤差。清潔機(jī)器人在任何方向上的碰撞，都會(huì)引起左右光電開關(guān)的響應(yīng)，從而根據(jù)碰11撞的方向做出相應(yīng)的反響[13]。圖4.1光電開關(guān)工作原理圖4.2.4防止跌落為了防止清掃機(jī)器人遇到臺(tái)階時(shí)跌落，在掃地機(jī)器人反面安裝3個(gè)防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖4.2所示。防跌落傳感器利用超聲波進(jìn)行測(cè)距。當(dāng)掃地機(jī)器人行進(jìn)至臺(tái)階邊緣時(shí)，防跌落傳感器利用超聲波測(cè)得掃地機(jī)器人與地面之間的距離超過(guò)限定值，向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器控制掃地機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，改變掃地機(jī)器人行進(jìn)方向，從而實(shí)現(xiàn)防止跌落的目的。圖4.2防跌落傳感器分布4.3自動(dòng)規(guī)劃路徑清潔機(jī)器人全區(qū)域植蓋路徑規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能的一個(gè)關(guān)鍵局部,路徑規(guī)劃是自主式移動(dòng)機(jī)器人的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。一般的路徑規(guī)劃是指在有障礙的前提下,按照一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃出一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無(wú)碰路徑,即“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的路徑規(guī)劃。而我們所做的工作那么是全區(qū)域極蓋的路徑規(guī)劃。從某一方面來(lái)講,這可以看成是前者的組合,但并不是簡(jiǎn)單的疊加,而要復(fù)雜多。掃地機(jī)器人路徑自動(dòng)規(guī)劃有兩種方法：隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機(jī)式全區(qū)域覆蓋方法控制簡(jiǎn)單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但其缺點(diǎn)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行軌跡重復(fù)性較大，且運(yùn)行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個(gè)區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務(wù)，沒(méi)有考慮到時(shí)間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋法[14][15]。此設(shè)計(jì)中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)那么為當(dāng)掃地機(jī)器人置于室內(nèi)時(shí)，可通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器的信息來(lái)判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，那么先設(shè)為它沿某一方向運(yùn)動(dòng)到靠近墻邊的某一點(diǎn)。機(jī)器人就可從墻邊的某一點(diǎn)開始，按順時(shí)針?lè)较蚶@墻運(yùn)動(dòng)一周，先對(duì)室內(nèi)墻邊地面進(jìn)行一次預(yù)清掃。掃地機(jī)器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來(lái)作為它清擋路徑的起始點(diǎn)，也即絕對(duì)坐標(biāo)的原點(diǎn)。先假設(shè)室內(nèi)只有一個(gè)孤立的障礙物，以房屋左下角O點(diǎn)為起始點(diǎn)。開始清掃時(shí)，從O點(diǎn)勢(shì)始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時(shí)向右原地旋轉(zhuǎn)90度，向X軸正方向移動(dòng)一個(gè)車身后再向右旋轉(zhuǎn)90度，沿Y軸負(fù)方向清掃，以此往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，那么按下面的方法進(jìn)行規(guī)劃和避障：當(dāng)清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到障礙物的最左邊點(diǎn)時(shí)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)和驅(qū)動(dòng)輪光柵的脈沖數(shù)計(jì)算出最左邊點(diǎn)的坐標(biāo)。然后根據(jù)超聲波測(cè)距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進(jìn)相當(dāng)于X軸方向一個(gè)車身的距離，再原地旋轉(zhuǎn)到Y(jié)軸負(fù)方向，沿Y軸負(fù)方向繼續(xù)清掃這樣一直往返清掃，當(dāng)掃地機(jī)器人在沿障礙物邊緣清掃時(shí)超聲波傳感器突然收不到信號(hào)即到達(dá)了障礙物的最右端點(diǎn)，掃地機(jī)器人將原地一直向左旋轉(zhuǎn)直到超聲波傳感器再次收到信號(hào)為止，然后沿障礙物的上邊沿行進(jìn)到障礙物的最左端點(diǎn)，再沿Y軸方向進(jìn)行往返清掃，行進(jìn)路徑和障礙物下邊沿的行進(jìn)路徑類似。這樣就可以在清掃過(guò)程中自動(dòng)避開障礙物[16][17]。清掃路徑自動(dòng)規(guī)劃示意圖如圖4.2所示。圖4.2清掃路徑自動(dòng)規(guī)劃示意圖自主充電對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1自主對(duì)接充電目的自主對(duì)接充電的目的是使家庭清潔機(jī)器人在電源缺乏的時(shí)候能夠自主切換到充電模式，即暫停清掃工作自主尋找充電站，并在電池端點(diǎn)對(duì)接充電站插座后自動(dòng)充電。當(dāng)電源到達(dá)額定電壓之后機(jī)器人能夠重新回到原來(lái)位置繼續(xù)原來(lái)的清掃任務(wù)。在一般情況下機(jī)器人可充電電池?cái)y帶的電量無(wú)法一次完成較大房間的清掃，因此自主對(duì)接充電功能對(duì)家庭清潔機(jī)器人來(lái)說(shuō)是實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人自動(dòng)完成清掃工作的不可缺少的主要功能[18]。5.2對(duì)接充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自動(dòng)充電是用對(duì)接充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)接充電過(guò)程主要用了紅外信號(hào)。在清潔機(jī)器人的左側(cè)和后面都裝有紅外接受傳感器，發(fā)射傳感器那么安裝在充電座上。對(duì)接充電對(duì)清潔機(jī)器人是十分重要的，因?yàn)闄C(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。當(dāng)內(nèi)部電源檢測(cè)到電壓低于一定值時(shí)，清潔機(jī)器人將沿墻壁尋找充電座。一般清潔機(jī)器人按右手法那么尋找充電座，所以在清潔機(jī)器人貼墻的一側(cè)和后部各裝有一個(gè)紅外接收傳感器，當(dāng)側(cè)面的一側(cè)在貼邊過(guò)程中收到紅外信號(hào)時(shí)，清潔機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時(shí)檢測(cè)充電座充電電壓即可確定是否已對(duì)接上[19]。自動(dòng)充電示意圖如圖5.1所示。圖5.1自動(dòng)充電示意圖5.3供電電源的設(shè)計(jì)充電站和其它家電一樣通過(guò)220V交流電來(lái)工作的，而系統(tǒng)中元器件是工作在直流電壓下的，這就需要能提供系統(tǒng)工作所需參數(shù)的直流電源。電池所需充電電壓要求大于18.5V，且要求是使用恒流源來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的，電壓那么是可以在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的。這就可以省略一般儀器中使用的穩(wěn)壓電源，從而簡(jiǎn)化了電源的設(shè)計(jì)。這里設(shè)計(jì)了供電范圍在19V～22V之間的充電電源，采用比率10:1的電源變壓器，使用KBL406〔4A的橋式整流電路〕來(lái)構(gòu)成整流電路，3300μF的電容構(gòu)成濾波電路。輸出通過(guò)限流電阻接到充電控制器的VDC端。在這個(gè)電源的根底上再輸出供應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)的＋5V電源，一般只需利用器件的非線性就可以實(shí)現(xiàn)了，但是這樣的電路的驅(qū)動(dòng)電流比擬小。圖5.2充電電源電路圖充電站中具有5個(gè)紅外發(fā)射管，對(duì)電源的驅(qū)動(dòng)能力有一定的要求，為了得到大電流的＋5V電源，這里選用7805來(lái)實(shí)現(xiàn)〔輸出電流為1A〕，同時(shí)加上紅色的LED作為充電站工作提示燈。5.4充電座的設(shè)計(jì)為了保證在任何情況下，均能準(zhǔn)確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，選BQ2002F來(lái)構(gòu)成對(duì)負(fù)電壓增長(zhǎng)率和最長(zhǎng)充電時(shí)間同時(shí)檢測(cè)的控制器。BQ2002F快速充電集成電路是一種廉價(jià)的CMOS鎳氫/鎳鎘充電控制器，電池充足電后，能夠可靠地終止充電。采用可控的限流或恒流源，BQ2002F不僅可以制作質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的獨(dú)立充電器，也能夠制作機(jī)內(nèi)充電器。該芯片可實(shí)現(xiàn)單只或多只鎳氫/鎳鎘電池快速充電。為了保證充足電，快速充電結(jié)束后，還可增加補(bǔ)足充電過(guò)程。充足電后，為了補(bǔ)充因電池自放電而損失的電量，充電器將自動(dòng)轉(zhuǎn)入涓流充電過(guò)程。涓流充電速率可根據(jù)電池自放電的程度來(lái)選擇。接入充電電源或者更換電池后，快速充電過(guò)程開始。為了保證平安充電，當(dāng)電池的電壓和充電時(shí)間到達(dá)一定的極限值，快速充電過(guò)程即結(jié)束。快速充電結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入可選擇的補(bǔ)足充電和涓流充電，涓流充電的速率可以預(yù)先設(shè)定，利用INH腳可以封鎖快速充電。為了減小功耗，充電器在備用工作狀態(tài)下，BQ2002F工作于低功耗狀態(tài)。5.5紅外線接收器如前所述，在機(jī)器人上裝備四個(gè)紅外接收器，每個(gè)可以接收到90度范圍內(nèi)的紅外信號(hào)，那么機(jī)器人可以接收周圍360度范圍的紅外信號(hào)，其平面布局如圖5.3所示。圖5.3紅外線接收器平面布局圖5.5.1紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射電路主要由紅外發(fā)光二極管、調(diào)制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，其功能是將存儲(chǔ)在單片機(jī)中的對(duì)應(yīng)充電電源位置的指令碼通過(guò)發(fā)射電路傳送給接收電路。具體如圖5.4所示。圖5.4紅外發(fā)射電路5.5.2紅外接收電路紅外接收電路的作用就是將紅外通訊信號(hào)接收過(guò)來(lái)，通過(guò)放大、限幅和濾波，解調(diào)為原始信號(hào)后再發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。以往的接收電路都是由紅外接收二極管與放大電路組成，而放大電路通常又是由一個(gè)叫CX20106A或者KA2184集成塊及假設(shè)干電阻電容等組件組成。這樣的接收電路聯(lián)機(jī)焊接點(diǎn)較多，使用不夠方便。機(jī)器人采用了一種用于紅外遙控接收的小型一體化接收頭PIC1018SCL，它將紅外接收管與放大電路集成為一體，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是它體積小(大小與一只中功率三極管相當(dāng))，密封性好，靈敏度高，抗干擾性好并且價(jià)格低廉，可以說(shuō)是接收紅外信號(hào)的一種理想裝置。PICIO18SCL僅有三個(gè)管腳，分別是電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端，其工作電壓在2.4～6.5v之間，只要給它接上電源即是一個(gè)完整的紅外接收放大器，使用十分方便。它的主要功能包括放大、選頻解調(diào)幾個(gè)局部，紅外接收頭的輸出有反向作用，即發(fā)射代碼和接收代碼是反向的，輸出電平那么兼容TTL，CMOS。PIC1018SCL的輸出信號(hào)接到單片機(jī)I/0腳上，以完成對(duì)紅外編碼信號(hào)的譯碼工作，要特別注意的是它的輸出是反向的。總結(jié)隨著清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的開展，其應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛，如何開發(fā)一款低本錢、高智能化的清掃機(jī)器人成為一個(gè)重要的研究課題。本文對(duì)清掃機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的路徑規(guī)劃和自主充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了完成清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃和自充電系統(tǒng)，本文從總體設(shè)計(jì)到具體局部的分析進(jìn)行了研究。在總體設(shè)計(jì)上，本文對(duì)家庭清掃機(jī)器人的硬件總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概要性的描述。清掃機(jī)器人的一個(gè)重要功能就是實(shí)現(xiàn)自主對(duì)充電。本文對(duì)提出的自主對(duì)接充電算法進(jìn)行了詳盡的討論，并且結(jié)合實(shí)際對(duì)自主充電的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行討論分析同時(shí)解決了問(wèn)題。使得家庭清掃機(jī)器人真正的在實(shí)際中能夠自主的尋找充電站并進(jìn)行充電，充電完畢之后能夠繼續(xù)清掃等先前運(yùn)動(dòng)模式。作為產(chǎn)品機(jī)器人，對(duì)于性能的追求和性價(jià)比的提高是一個(gè)永恒的主題。本文所做的工作還僅僅是首先通過(guò)算法構(gòu)思，其次提出算法理論同時(shí)結(jié)合大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱，然后通過(guò)算法仿真試驗(yàn)不斷的測(cè)試和修正。因此作為工程本研究的后續(xù)工作還是大有文章可做的。針對(duì)開發(fā)中的實(shí)際情況，本工程在今后成為主題工作方面可以分為兩個(gè)局部：提高簡(jiǎn)單機(jī)器人的定位的精確性，這對(duì)于覆蓋率的提高是很重要的。同時(shí)，考慮到單片機(jī)的特點(diǎn)，可以通過(guò)程序的優(yōu)化來(lái)對(duì)本覆蓋算法在實(shí)現(xiàn)性能上做一個(gè)改良