智能清扫机器人.docx

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1、摘要总体方案是设计一个自主控机器人， 在一个模拟的平面结构内运动，移动机 器人本体，完成自主移动、避障功能。尽快遍历每一个角落，完成任务，这个工 作受多个因素的影响。其中在现实生活中活洁机器人活理的过程中,利用了机器 人自身的传感系统、运动控制系统和自主蔽障系统，自动记录时间系统等。整个 系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该 系统的硬件设计方法及测试结果分析。采用的技术主要有：(1) 通过编程来控制小车的速度；(2) 传感器的有效应用；关键词 80C51单片机、光电检测器、 PWM调速、电动小车、舵机一. 国内外研究现况在日本，东日本铁路公司、shinko电器

2、公司和HowaX业有限公司联合研制 了车站地面活扫机器人.机器人可沿墙壁从任何一个位置自动启动.利用不断 旋转的刷子将废弃物扫入白带容器中1日本静甲株式会社的活水工厂开发出一 种自动活扫机器人.可用于各种工厂的活扫工作.机器人采用光纤陀螺控制方 向.采用编码器和超声波传感器测距.采用光学探测器探测障碍物机器人的四 周装有橡胶垫.橡胶垫内部装有触觉传感器.一旦机器人与人接触.触觉传感 器信号会使机器人停下来1以保证人的安全Br-3这些应用还都是用于工业或者 公共的场合.真正具有里程碑意义的是2002年9月活洁机器人Roomba美国 面市.这是一款面向家庭的机器人。重约 2ky直径为762mm(3

3、0").具有高度自 主能力.可以游走于房间各家具缝隙间.灵巧地完成活扫工作.据说这是将用 于军事的“躲避地$的移动技术，应用到了吸尘器上。“Roomba的动作有点迟 缓.但却能稳定 安全地完成任务 由于能够在完成任务后自动切断电源.所以 可以在外出期间让Roomba在家进行活扫 英国 法国和澳大利业也都推出过 活洁机器人产品在国内，对活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.哈尔滨工业大学、华南 理工大学、上海交通大学等高校，也对活洁机器人进行了大量的研究， 并取得了 一些成果，这些都为活洁机器人的研究开发和推广奠定了

4、物质和技术基础二. 设计思路为了制作一个能够覆盖全区域的活洁机器人，首先是设计一个移动的平台。 为了简便起见，设计了两轮车身，两个后轮做主动轮，主动轮用两个直流电机。 从动轮用一个万向轮。活扫装置用一个伺服电机带动一个灰尘刮和一个刷子，产生推动力达到除尘的目的。在车身前部放置一个储存垃圾的箱体。 在车身的最后 还设计了一个抹地机械手，进一步达到活洁的目的，机械手下带有洒水除尘装置， 机械手上面的水箱带有一个用伺服电机控制的门，用来控制洒水量。车身上部安装了一个光电开关，以达到避障的作用三. 电子电路的设计采用一块微处理器STC89C52为控制系统的核心，负责控制电机、障碍检测 信号处理、舵机控

5、制、液晶显示等。电机驱动模块采用单片机作为电机的控制单 元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而实现电机调速。单片机完成 控制算法，再将计算结果转化为 PWM信号输出到电机,由丁单片机系统是一个 数字系统,其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小。直流电机 控制，液晶显示模块和单片机最小系统由一个电源供电。障碍检测模块用丁检测小车前进路上的障碍物，如有障碍则进行避让。液晶显示模块用丁显示当前小车 运行状态。1. 机械方案的设计小车的驱动设计为二轮驱动。而二轮驱动乂分为前轮和后轮驱动。 后轮驱动 的好处是：转向性能得到改善。前轮是转向轮，使得转向时的行驶方向容易控制， 不容易

6、出现过度转向的现象，转向安全性也得到提高。2. 车体结构设计为了满足机器人的性能要求，机器人的机械结构应该具有稳定性，运动灵活 性和足够强度的特点，同时尺寸要小，容量要大，重量要轻。活扫小车的机械结 构组成部分主要有：车体的设计，传感器的安装。为了保证小车良好的直线性，采用双电机驱动左右两轮的方式，在车体的前 端装有一个不锈钢万向滚珠，这样可以使小车获取较好的机动性和灵活性。 底盘 采用铝合金框架，以增大其坚固性，减轻重量。3. 单片机STC89C52勺系统设计由丁 51系列单片机在我国普及的时间比较早，开发和应用的实例比较多， 在学习编写程序时有丰富的实例可以参考和借鉴。因此，我选择 51系

7、列单片机 进行控制。本设计中我选用了 STC公司的STC89C52。3.1 STC89C52 的特'点STC89C5 2具有以下几个特点：-STC89C52与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围：0Hz33MHz ;-三级程序存储器加密；128X8 位内部 RAM ;-32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源，两级中断优先级；-一个全双工的异步申行口；-间歇和掉电两种工作方式。3.2 STC89C52的功能描述STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有8k字节 的

8、在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼 容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51系列 产品没有的功能5。STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的 可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于8k,四个I/O 口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的 白分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源 的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式

9、控制领域。工作电压范围宽（2.7V 6V），全静态工作，工作频率宽在 0Hz24MHz之间，比8751/87C51等51系列 的6MHz12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。STC89C52芯片提供三级程序 存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段， 能完全保证程序或系统不被 仿制。P0 口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存 储器的读/写操作。3.3 STC89C52引脚功能STC89C52单片机为40引脚芯片如图4-1。23456739101112131415区1?1319201P1.0VCCP1.1P0.0P1.2PO 1P1.3P0.2P1.4P0.3PI

10、5P0.4P1 6POSP1.7P0.6RESETP0.7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6P2.4P3,7P2.3XTAL2P2.2XTALlP2 1GNDP2.0AT89C51393937355534333231302328272S252423222140图4-1 STC89C52管脚图（1） 口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口。 P0 口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用丁对外部存储器的读/写操作。P0 口也用以输出外部存储器的低 8位地图1址。由丁是分 时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址

11、锁存信号用ALE。 P1 口是专门供用户使用的I/O 口，是准双向口。 P2 口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P2 口也 可以作为用户I/O 口线使用，P2 口也是准双向口。 P3 口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同 P1 口。P3 口的第二功能如表4-1所示。（2）控制口线：PSEN（片外选取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存 储器选择）、RESET（复位控制）；（3） 电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法。3.4 STC89C52复位电路设计89系列单片机与其他微处理器一样

12、，在启动时都需要复位，使 CPU及系统各部表4-1 P3 口的第二功能端口功能各个功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0 （外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3INT1 （外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0 （定时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5P3.6P3.7T1 （定时器/计数器1计数脉冲输入端）WR （外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）RD （外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）件处丁确定的初始状态，并从初始状态开始工作。单片机的外部复位电路有上电 自动复位和按键手动复位两种。上电复位利用电容器充电来实现。

13、上电瞬间，RC电路充电,RST引脚端出现正脉冲。只要RST引脚端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。VCC|vccCl 'IO11FATS9C51RSTR1GND图4-2上电复位电路按键手动复位乂分为：按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位相当丁 按复位键后复位端通过电阻与 Vu电源接通；按键脉冲复位利用RC微分电路产生 正脉冲在这里，采用按键脉冲复位（如图 4-3），当人为按下按钮时，则 Vcc的 +5V电平就会直接加到RST端。由丁人的动作很快也会使按钮保持接通达数十 毫秒，所以能满足复位的时间要求。|vccVCCAT89C51RL Cl6 2k =10uFRSTGN

14、D图4-3手动复位电路在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位，如果这些复位端的复位电 平要求与单片机的复位要求一致，则可以与之相连。在有些应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将RC电路接斯密特电路后，再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合丁应用现场干扰大、 电压波动大的工作环境。并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位， 在此称其为同步复位电路。4. 电机驱动模块的设计为了使选定的电机在峰值转矩下以最高转速驱动负载，电机的功率估算如下:Pm= (1.5 -2.5)M p ' p1020(4-1)式中：Mp为峰值转矩p为最大角速度，本系统为20rad/sn为传动

15、效率，一般为0.80.9由上式求得电机的功率要在21.2瓦以上，对系统的各种性能和参数进行分析 后，我们选用功率为35瓦，120转/分的直流电动机作为机器人的行走电机。运动控制器芯片输出PWM (pulse width modulation)信号，电压为脉冲形式, 由于输出的电流很小，不能驱动电机。使用电机驱动芯片的目的就是将运动控制 器的输出电流放大，从而获得足够大的功率，驱动电机转动。驱动芯片的工作原理非常简单，即利用晶体三极管能放大电流的原理， 将基 极的电流放大到100B以上然后从发射极输出。本驱动系统选用的是意法半导体联合公司SGS-Thomsor)生产的电机驱动 芯片L298N。L

16、298N为含有15个引脚的直插式芯片。L298N具有以下主要性能：(1)体积小:长*宽 *高=19.6mm*17.5mm*5mm ; 操作电压范围大:操作电压范围从4V到46V;(3) 抗十扰能力强：低于1.5V的电压均视为低电平，对噪声由较强的抑制作用；(4) 配备散热片，减少温度对电子元器件的影响；(5) 逻辑电平为+ 5V;(6) 工作效率高：一块L298N可以驱动2台电机，故机器人只需配备一块L298N;(7) 输出电流大:L298N可以将电流放大到4A;机器人采用专业驱动芯片 L298N为主构成驱动电路。它内部包含 4通道逻 辑驱动电路。其额定工作电流为 2A,最大可达4A , Vs

17、s电压最小4.5V,最大可 达46V。 L298N可以驱动两个二相电机，如图图 4-6所示：输出电压最高可达46V,可以直接通过电源来调节输出电压，由于其工作电流在22.5A之间，故满足我们的要求。而且电路简单，使用比较方便。在使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，这样可以节省单片机 I/O 口的使用，也可以直接用单片机输出时序信号。在电路设计时，检测电阻 Rs必须考虑以下几种选择因素： 电阻本身可达到的功耗 L298N允许的检测电压为2.3V,超过这一幅度芯片会自动保护。 允许电流和功率限制。假设可能出现的最大电流为IMAX，驱动电源电压为 U,采样电阻阻值为 Rs,由以上条件我们

18、得出：rRSS<IMAX v 2.3<MAXv2(4-3)(U - 0.7) XMAX v 25我们采用的驱动电源为12V，故计算得出RS =1Q比较合适。机器人的速度的大小采用PWM方法进行控制。PWM控制就是周期T固定 不变，根据输入信号的大小，用软件改变脉冲的占空比，即可改变电机的平均电 压，从而控制电机的转速，所以也称为脉宽调制。PWM调速通常配合桥式驱动电路对直流电机进行调速，其调速范围也很宽。在本驱动电路中由丁开关管存在开通和关断时间， 因此造成了上下桥路直通 短路的问题，直通短路的存在，容易使开关管发热，甚至导致烧毁，而且电机在 正反转切换时存在着死区时间的问题，但在

19、正转启动和反转启动时没有。故解决这一问题可从硬件电路和软件两个方面下手， 硬件电路解决较麻烦还 存在不稳定因素，因此利用软件解决是最好的办法 6。5. 舵机的模块伺服电机简称舵机，是自动装置中的执行元件，它最大的特点是可控。在有 控制信号时，舵机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小， 除去控制信号电 压后，舵机就会即停止转动。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的 控制系统。减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置 检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反

20、向转动，使 齿轮组的输出位置与期望值相符， 令纠正脉冲最终趋于零，从而达到使舵机精确 定位的目的17,0舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流 电机、控制电路板等。标准的舵机有三条控制线，分别为电源、地及控制。电源线与地线用于提供 内部的直流电机及控制电路所需要的能源， 电压通常介于4V6V之间，该电源应 尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音） 。本设计选用国产的SG-5001型号的舵机。此舵机可以达到控制上的精度而且 价格便宜。舵机电源引线三条线中橙色的线是控制线，连到控制芯片上。红色的线是电 源正极线，工作电压是5V。黑色的是地线。舵机的工作原理：

21、舵机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号， 这个周期性 脉冲信号的高电平时间通常在 1ms2ms,而低电平时间应在5ms20ms,并不很 严格。表4-2表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达 的输出臂在180度范围内转动时与输入脉冲的对应关系。舵机的瞬时运动速度是由其内部的直流电机和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式 来改变。单片机可以产生PWM信号，由AT89C51得P3.1端口输出。输出得PWM 信号通过光耦隔离传送到舵机中。方波信号经过光耦传输后剔除十扰,产生标准 的PWM方波信号，我在实验过程中发现，舵机

22、在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源,则舵机会对单片机产生较大的十扰地因此，舵机与单片机控制器采用模块化的供电供电方式， 通过光耦来隔离， 并且给舵机供电的电源最好采用输出功率较大的电源。 为了保证电流我设计的电 源模块是用7805构成的单独电源，为指定的负载供电。表4-2特定周期下正脉冲宽度与输出角度关系输入正脉冲宽度（周期为 20ms）伺服电机输出臂位置_n6_ 0.5msL项J-90 °c1.0msLpl-45 °r*ic1.5msLM-J-0 °_ .a,112.0msrJQ-45 °_ h h _n2.5ms歹,

23、90 °6. 避障传感器电路模块的设计红外避障传感器原理，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回 路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限丁金届，所有能反射光线的物体均 可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测1101 0我们所使用的红外避障传感器 E18-D80NK是一个NPN型的开关量传感器， 当没有障碍物时输出高电平；有障碍物时输出低电平。正常工作电流为20mA ,最大工作电流可以达到100mA，可以直接驱动5V直流继电器的。红外避障传感 器前端增加了透镜，利用其焦距作用，传感器最远探测80cm处的物体

24、。对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋钮进行调节。该传感器的输出信号类型为开关量，可以直接和 CPU连接。该传感器内部集成了放大，比较，调制等电 路。使用该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易丁装配、使 用方便等特点，使用广泛11,o本模块主要由单片机STC89C52,红外避障传感器组成，其中红外避障传感 器用丁检测是否有障碍物，单片机作为本模块的关键器件用丁对光电开关检测的 信号进行判断和分析，确定出前方障碍的大体情况，并为主控制器提供信号，配 合主控制器发出动作指令。7. 显示模块的设计液晶显示器作为一种低功耗显示器件，广泛应用丁计算器、数字式仪表等低 功耗系统中。但一

25、般使用的液晶显示器均为七段笔划式 ，只能显示数字和少量字 符，对丁较复杂的字符或图形则无能为力。而点阵式液晶显示模块可以显示各种 各样的字符（包括简单的汉字）,而且点阵显示模块具有可编程能力，与单片机接 口方便。由丁以上优点，点阵式液晶显示模块获得了广泛的应用。本设计中液晶 显示模块选用了 JM12864K型液晶显示器与AT89C51单片机的组合使用，用丁显 示仿生爬虫在运动过程中的状态。JM12864K汉字图形点阵液晶显示模块，可显 示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵） 及64X256点阵显示 RAM （GDRAM ）。主要技术参数和显示特性：

26、电源：VDD 3.3V+5V（内置升压电路，无需负压）；显示内容：128列X64行显示颜色：黄绿显示角度：6: 00钟直视LCD 类型：STN与MCU接口 ： 8位或4位并行/3位申行配置LED背光多种软件功能：光标显示、圆面移位、自定义字符、睡眠模式等逻辑工作电压（VDD） : 4.55.5V电源地（GND）: 0V工作温度（Ta）: 060C （常温）/ -2075 C （宽温）表4-3 12864引脚1VSS模块的电源地2VDD模块的电源正端3V0LCD驱动电压输入端4RS(CS)并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)并行

27、的使能信号；串行的问步时钟7DB0数据08DB1数据19DB2数据210DB3数据311DB4数据412DB5数据513DB6数据614DB7数据715PSB并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RET复位低电平有效18NC空脚19LED_A背光源正极（LED+5V20LED_K背光源负极（LED-OV8. 电源供给模块的设计电源供给模块是机器人系统提供能源的装置，当电池的输出电压发生波动 时，及负载电路发生变化时，为了保证数字电路芯片的逻辑电平不受影响，使机器人能正常的工作，要求电源电压尽量保持稳定，有必要使用稳压芯片。我们选 用的直流电机使用的是直流12V电源，驱动电路的供

28、电电源为直流 12V电源， 驱动电路的输入信号采用的是 5V系统，单片机系统也采用5V电压供电。为了 提供CPU使用5伏的电源采用的是7805芯片，同时在电源的正极与地线之间加 上了去耦电容，它可以作为储能元件，它吸收或提供该集成电路内部三极管导通、 截止引起的电流变化，从而降低系统噪声。本系统中，为了给数字部分的电路提供 5V的稳定电源，我们选用的是美国 德州仪器公司生产的芯片：UA7805。它的输入电压范围是7-25V;输出电压的范 围是4.8-5.2V。该芯片除了具有良好的稳压功能外，还包含过载保护电路，散热 电路，限流电路等。UA7805变压稳压电路如图4-7所示：图4-7 7805变

29、压稳压电路图四. 控制系统的主程序程序设计主要有：控制系统的主程序设计、舵机控制的设计、障碍检测子程 序的设计、显示子程序的设计。主程序的流程图如图5-1所示。主程序的功能是：完成各个模块的初始化，当电源供电时，进入清扫子程序；当避障传感器检测到障碍时，进入避障子程序。开始图5-1主程序流程图五. 测试：1、实验器材：1.智能活扫小车一辆；2. PC机一台，调试程序用；3. 12V电池一块;4. 万用表一块；5. 编程器一台；6. 障碍物体一个在比赛使用赛道上，虽然成功率较低，在避障的一个90度弯上有转角不精确现象。2、通过多次测调试，本自动识别路径的智能小车实现功能如下：1）在规定的时间内小

30、车可完成全程路的活扫功能；2）在不同配重物的情况下，小车达到的平衡度有一定的误差;3）小车可避障运行;3、结果分析及相应的措施：经过小车在实验场地里实验运行发现，小车经常不能抵达目的位置；而且，在不同场地就不能再现同一实验结果， 即不能沿着同一条路线行走，很显然这是 由于小车的底盘电机控制过程中用的是开环控制，并且运行速度比较快，刹车后有一段滑行，所以会出现不同的运行结果。鉴于此，我只好在程序中根据不同的 场地在适当的时候根据传感器记录运行的路程， 使机器人提前减速，以使之顺利 到达目的。六、心得体会这次比赛制作使我们体会到了理论和实际之间是有差别的，我们在掌握理论的同时要把理论放到实际中去。实验中遇到了和多困难，理论上正确的但在实际 中运行不起来。认识到单掌握理论是不够的。要考虑到实际的外界和内部之间的 因素，之间的联系，全方位的了解问题，思考问题，理解问题，解决问题。我们 认为学习最好能在实践中，掌握，巩固自己的理论知识，得到更好的发展。智能活洁小车是集信息技术、自动化技术、传感技术、计算机网络技术等结合的 融合体。随着对小车研究的深入和移动机器人在工业、 农业、日常生活中的逐渐 普及，机器人研究的各种方向的理论研究显得越来越迫切。齐齐哈尔大学第三届“创新杯”科技作品竞赛智能清洁机器人结题报告班级：自动化08姓名：丰龙、王业杰、王洪洋指导教师：尹明