基于MF09的智能清洁机器人的设计与实现

毕业设计（论文）题目：基于MF09的智能清洁机器人的设计与实现
姓名宋涛
准考证号058911221062
专业计算机网络管理
专科院校苏州市职业大学
指导教师刘昭斌
南京航空航天大学
2013年4月
目录
摘要 (1)
前言 (2)
第1章概述 (3)
1.1 项目背景 (3)
1.2 国际机器人发展状况 (4)
1.3 国内机器人发展状况 (4)
1.4 家用吸尘机器人 (5)
1.5 本文工作梳理 (5)
第2章基于MF09智能吸尘机器人的设计 (6)
2.1 项目介绍 (6)
2.1.1 项目比赛场地 (6)
2.1.2 项目实现要求 (7)
2.1.3 项目规则控制 (7)
2.2设计方案 (8)
2.2.1体型改装（基于MF09灭火机器人） (8)
2.2.2传感器实施 (10)
2.3开发环境 (11)
2.3.1 开发环境简介 (11)
2.3.2 程序的下载 (13)
2.4关键技术 (14)
2.4.1 路径规划 (14)
2.4.2 多传感器融合 (15)
第3章吸尘机器人的硬件分析 (16)
3.1 智能吸尘机器人的核心处理器 (16)
3.1.1 认识核心微处理器 (16)
3.1.2 微处理器的项目优势 (16)
3.2 控制器系统 (17)
3.2.1 智能吸尘机器人整体架构 (17)
3.2.2 大功率电机驱动器 (18)
3.3 传感器介绍 (18)
3.3.1 红外线测距传感器 (18)
3.3.2 地面灰度传感器 (19)
3.4 辅助硬件的功能增强 (19)
3.4.1 液晶屏幕 (19)
3.4.2 按键增强 (20)
3.4.3 声控启动 (20)
第4章吸尘机器人的软件设计 (22)
4.1 软件设计概况 (22)
4.1.1 全程软件流程图 (22)
4.1.2 全程函数定义 (23)
4.2 驱动支持 (23)
4.2.1 硬件初始化 (23)
4.2.2 电机的操纵函数 (26)
4.2.3 全局参数存储 (26)
4.2.4 模拟口通道信息采集 (27)
4.3 项目函数详细设计 (29)
4.3.1 运动的函数实现 (29)
4.3.2 矫正的函数实现 (30)
4.3.3 检测的函数实现 (31)
第5章吸尘机器人的综合分析 (34)
5.1 控制器的电路图参照 (34)
5.2 创新方案 (34)
5.2.1别出心裁 (35)
5.2.2层出不穷 (36)
5.3 取长补短 (37)
5.4 改装心得 (38)
第6章对于方案的思考 (39)
6.1 所遇问题 (39)
6.2 解决方法 (40)
6.3 项目改进 (41)
6.4 项目展望 (42)
结束语 (I)
致谢 (III)
参考文献 (IV)
基于MF09的智能清洁机器人的设计与实现
摘要
智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械，电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。

因此，为了促进智能机器人的发展，选拔拥有创新能力以及深厚知识功底的人才，智能机器人竞赛已成为二十一世纪的面向大学以及中小学的科技活动。

智能机器人竞赛是使用智能机器人通过传感器感知外部环境，根据预先编制好的程序全自主的完成既定任务的一种高科技竞赛形式。

本课题从智能机器人家用吸尘功能的特点出发，基于上海未来伙伴机器人有限公司制定的基于MF09灭火机器人技术方案，采取较为合理和完整的传感器实施方法，并通过对高效率精简与优化代码的编写，作为了家用吸尘机器人竞赛的解决方案。

本文首先介绍了智能吸尘机器人的发展现状，分析了智能吸尘机器人竞赛的总体思想、控制方法及其关键技术，不仅在硬件方面有着较佳的设计思路与功能实现，在软件的规划以及代码的实施方面都有着重大改善，很好的完成了竞赛所要求的功能。

通过对智能清洁机器人的设计与实现，提高了参赛人员对机器人以及嵌入式平台的认识，加强了参赛人员在嵌入式应用技术实践的能力。

关键字：智能吸尘机器人，MF09，传感器，解决方案
前言
21世纪是一个变换难测的世纪，是一个催人奋进的时代，科学技术飞速发展，知识更替日新月异。

希望，困惑，机遇，挑战随时随地都有可能出现在每一个社会成员的生活当中。

抓住机遇，寻求发展，迎接每一次的挑战，适应变化的制胜法宝就是学习，然而，让自己的技术赢得社会的肯定，关键还在于创新，这样才能够在学习生涯中发现动力的源泉，维系属于自己的生命河流。

人生就是一场接着一场的竞赛，不要局限于场场竞赛的结果，而要纵观整个过程，让所学，所知，所感充斥着大脑，让学以致用、解决问题的能力充实着自己。

作为两届中国举行的机器人大赛的参赛者，在整个过程中听到了很多的想法，看到了很多的创新实例，学会了很多的知识，掌握了很多的技能，不仅在对自己大学的专业有了独到的见解，在高新技术改变人类生活上也有了深刻的体会。

智能吸尘机器人只是大赛其中之一的项目，但却让智能化，信息化，简单化的特点彰显地淋漓尽致，更加体现出21世纪人才辈出，创新意识强烈，对于未来智能化的普遍有着坚定地信念。

本课题通过在基于MF09的智能灭火机器人硬件的改装和软件的设计与实现上，加之对竞赛中出现的各种优点和缺点的总结，取长补短，良好地让改造后的智能吸尘机器人更迅速，更准确，更简单的完成大赛要求的功能。

让参赛队员对于硬件的改装，软件的设计，团队的合作，有了较为深刻的认识。

宋涛
2013年2月
第1章概述
“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。

机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大已引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。

智能型机器人是最复杂的机器人，也是人类最渴望能够早日制造出来的机器朋友。

智能机器人能够理解“人类语言”，用“人类语言”同操作者对话，在它自身的“意识”中单独形成了一种使它得以“生存”的外界环境——实际情况的详尽模式。

它能分析出现的情况，能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。

本课题从智能机器人家用吸尘功能的特点出发，基于上海未来伙伴机器人有限公司研究的基于MF09灭火机器人技术方案，采取较为合理和完整的传感器实施方法，并通过对高效率精简与优化代码的编写，作为了家用吸尘机器人竞赛的解决方案。

1.1 项目背景
随着智能技术突飞猛进的发展、教育理念的不断更新，作为综合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿科技的机器人技术也在为教育改革贡献自己的力量。

为了推动机器人技术的发展，培养学生创新能力，在全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛。

中国智能机器人大赛创始于2000年，由中国人工智能学会机器人专业委员会、国际机器人灭火比赛中国赛区组委会和中国智能机器人等多个单位主办的一项全国性赛事，是国内历史最为悠久、项目最多、规模最大的综合性机器人赛事。

历年来共有超过24个省、300多所院校、1000多支队伍，近1万人参加此项比赛。

在这里诞生了中国第一个机器人世界冠军，目前该赛事已成为国际机器人足球联盟主办的机器人世界杯国际赛事 (FIRA Cup)、国际机器人灭火等赛事中国赛区的选拔赛，截止到2009年底，共培养了29个机器人比赛世界冠军和41个亚军。

我校于2010年起，已经参与了两届“未来伙伴杯”中国智能机器人大赛，在家用吸尘机器人比赛中，虽然初出茅庐，但通过两届的比赛并给予总结，改创出自己对
家用吸尘机器人的一套解决方案。

1.2 国际机器人发展状况
目前，相关领域的技术突破，从根本上为提升机器人技术的学术研究提供了必要的支持，为机器人的应用范围拓宽了道路，已涵盖国防、航空航天、工业生产、服务、老人康复、教育甚至普通家庭生活，一场新的机器人技术研究高潮和发展契机业已到来。

机器人技术毫无疑问是未来的战略性高技术，充满机遇和挑战。

目前国际上在机器人智能化和多样化方面，主要研究内容集中在以下几点：
1、虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。

2、多智能体控制技术：对多智能体的群体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

3、微型和微效机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向，微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方式、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

4、软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。

传统机器人结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是有好的。

5、仿人和仿生技术：这是机器人发展的最高境界，未来的机器人必须具有一定情感、社交头脑等等特点，这也是各国科学家努力的目标，目前仅在某些方面进行一下基础研究。

1.3 国内机器人发展状况
我国的机器人从上世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“十五”、“十一五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上，我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家，其中从事机器人研究和应用的有75家，共开发生产各类机器人约3000多台，90%以上用于生
产，引进机器人做应用工程的约1000多台。

在国内，机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，我国机器人经过20多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。

1.4 家用吸尘机器人
近年来, 随着中国工业的快速发展，吸尘器的产销量也大幅增加，在我国市场具有旺盛的生命力。

随着社会的进步和发展，人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来。

由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人，它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来，实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁，因此具有广阔的市场前景。

因此，致力于如何将智能机器人的优点实现集合在吸尘器上的研究已经成为热点。

目前在欧美日等发达国家，吸尘机器人开发较早，应用范围也较广。

近两年来，已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。

1.5 本文工作梳理
本文共六章：
第一章为引言部分。

介绍课题背景、国际机器人发展现状、国内机器人发展状况、家用吸尘机器人的发展状况，以及本文的章节梳理概况。

第二章为解决方案的实施部分。

通过对项目的分析，对基于AS-UIII项目的实现的不足加以改进，然后在改进中提及所采取的关键技术。

第三章为硬件分析部分。

从基于MF09的智能吸尘机器人介绍具备的硬件方面的优势，在较之前AS-UIII的硬件基础上实现了功能增强。

第四章为软件分析部分。

通过对设计的软件实施，分模块进行函数设计，功能实现。

第五章为补充部分。

对于本课题的选择及项目的实施方案的提出及设计实现的过程加以阐释。

第六章为思考部分。

通过从项目方案的规划到实施再到最终反思，对其进行整体把握。

随后提出项目仍然存在的不足，并在此不足上做了更好的展望。

最后为课题总结部分。

第2章基于MF09智能吸尘机器人的设计
吸尘机器人是一种智能的家庭清洁工具，具有防碰撞、防跌落、可以记住房间的布局，定时清扫指定位置的性能。

在吸尘机器人中，用到了路径规划技术，多传感器融合技术，碰撞检测技术，较好的满足了吸尘机器人在复杂结构环境中的自主式移动，但要进一步提高其自主程度，主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方法，还需要进一步开发全局模型，从而为机器人获取全局信息。

2.1 项目介绍
设计一个自主控制的机器人，在一套平面结构的模拟的房子里运动，尽量遍历房子的每一个角落，这个工作受到多个因素的影响，包括墙壁和模拟的家具等，它模拟了现实生活中的家用吸尘机器人清理房间的过程，比赛的成绩将根据电子记分器（一个固定在赛场上空的一个摄像机）计算得到的机器人遍历率来给定。

2.1.1 项目比赛场地
比赛场地的长和宽分别为200cm和200cm，墙壁高为30cm，四周的墙壁被刷成白色，比赛场地的地面被刷成黑色；模拟房间里会有一个的圆柱体障碍物；模拟客厅里有长方体障碍物，障碍物的位置为随机摆放；房子里会有一个的小台子模拟楼上房间，小台子和地面之间通过的小坡连接，坡面和小台子的台面均被漆成白色；如图 2.1为比赛场地的平面图。

图2.1 比赛场地平面图
2.1.2 项目实现要求
智能吸尘机器人应在最短的时间内尽量遍历整个房子，吸尘机器人在工作过程中可以沿墙走，但不能碰到墙壁，否则会扣除一定的分数。

当然也可以采用其他控制策略。

智能机器人在遍历整个房子后，应能爬上白色的小台子并且能在其上遍历小台子，之后智能机器人应能安全下来并返回起点。

2.1.3 项目规则控制
(1)比赛共分三轮，每轮比赛时间为3分钟，从机器人启动开始计时，3分钟之后时间将被终止。

机器人都要在规定的时间内尽量遍历整个房子，电子记分器会根据机器人的遍历率给出成绩F；
F=机器人的遍历面积/房间的总面积*10
(2)机器人在比赛过程中可以沿墙走，但是碰撞墙壁或是障碍物都将被扣分，碰撞墙壁或是碰撞障碍物1次将会被扣掉0.1分（0.1分/1次）；
(3)如果机器人能爬上白色的小台子并且能在其上遍历小台子总面积的1/3 以上则最后成绩将会被乘以一个 1.2 的系数；如果机器人还能安全下来，最终成绩将会被乘以一个 1.3 的系数；如果机器人在规定时间内遍历房间之后（包括爬上小台子并下来）还能返回起点，则成绩将会被乘以一个1.5的系数；
(4)选择镜子模式并且能遍历小台子总面积的1/3 以上则成绩可以额外乘以一
个1.1 的系数；选择地毯模式成绩则可以额外乘以一个1.3的系数。

（注：每一年规则都有所更新，这样才可以更接近于生活）
(5)机器人启动之后还需用外接电源的，最终的成绩会被扣掉0.1分；
(6)最终的得分为三轮比赛的平均分。

2.2设计方案
根据竞赛要求，可以选择不同的实现方案，上海未来伙伴机器人有限公司设计的AS-UII机器人，如图2.2所示，是家用吸尘机器人较好的一种解决方案。

但基于公司的实现方法，在程序以及体型设计方面有着较大限制，虽然可以实现基本的项目要求，但在扩展功能上以及代码的优化方面都有所局限，这不仅挑战参赛人员对于原始机器的依赖性，也挑战了参赛人员的创新能力。

为了适用竞赛规则并且更好地实现代码的设计，本课题采取基于MF09的智能清洁机器人的设计与实现，在硬件以及软件上较基于AS-UIII智能吸尘机器人的设计与实现做了很大的改善，接下来的章节就对此进行详细的阐述。

图2.2 基于AS-UII机器人的解决方案
2.2.1体型改装（基于MF09灭火机器人）
基于MF09灭火机器人的技术解决方案，在对于灭火的实现环境中可以发挥最佳效果。

MF09灭火机器人，可以对代码重新定义与改写，从而完成项目所规定的要求。

但是，存在三个劣势，分别如下：
1.实现家用吸尘功能，四个红外线测距传感器（PSD），（具体的介绍请参阅3.3.1
章节，红外线测距传感器），基于MF09灭火机器人的技术解决方案，没有将场地环境考虑完全，在运行中，由于传感器检测位置有限，会造成机器人没有准确鉴定前方的障碍物，从而碰到墙壁。

2.实现家用吸尘功能，需要进行灰度判断，在二楼上可以控制机器人通过预定好的吸尘过程进行运行。

如果缺失地面灰度传感器（具体的介绍请参见
3.3.2章节，地面灰度传感器），在二楼运行时，就会很难控制智能吸尘机器人高效地清扫面积，甚至是致使机器人在没有灰度传感器检测判断后掉落二楼，结束比赛。

3.由于是MF09灭火机器人的解决方案，很多元器件在进行智能吸尘机器人的设计时会显得多余，而且，多余的同时，占据着AI 接口，从而限制了在项目中用来检测障碍物的传感器添加的数量。

综合以上三点存在的不足，本课题进行了对MF09灭火机器人的重要改装，改装后基于MF09的智能清洁机器人的设计方案如图2.3所示：
图2.3 基于MF09智能清洁机器人的设计方案
图2.3是改装后机器人的俯视图，相对于原来的基于MF09的灭火机器人，实现了彻底的改装，四个电机和主芯片没有改变，其他的部件，都有位置或者是数量上的增加。

底座是全手工塑料制成，电机通过螺丝固定在塑料底座上，红外和灰度也都是固定在塑料底座上。

基于MF09的智能清洁机器人的设计，主要是考虑了以下三点：
1.重心降低，在行进时可以起到稳重前行的好处。

2.四面增加了红外传感器，可以起到对障碍物灵敏检测的效果。

3.前方增添一个额外的灰度传感器，实现双灰度探测，提高了检测的准确度。

图2.4 前行中的机器人
图2.4是机器人行进时候的状态，前方两个转轮可以在遇到障碍物时候及时滑行过去，减少了碰撞的时间，很大程度上减少了撞到障碍物的机会。

图2.5 智能吸尘机器人俯视图
图2.5是智能吸尘机器人的俯视图，可以清楚的看到四个电机，七个红外传感器和两个灰度传感器的位置。

以前方，右方，后方的顺序观看，红外传感器分别对应着AI口的1～7口，前方的灰度传感器从左到右分别对应AI口的9口和10口。

2.2.2传感器实施
在2.2.1节已经对智能吸尘机器人整体的构造，传感器位置和所对应的接口详细的做了介绍，在本节，通过对不同的传感器负责不同的检测功能具体做了介绍。

如图2.6所示，是智能吸尘机器人前三个红外传感器直视图：
图2.6 前方红外传感器直视图
从右到左依次是AI(1)，AI(2)和AI(3) 三个AI口的红外传感器，主要负责前方障碍物的检测，即对智能吸尘机器人添加了行进过程中走偏矫正的功能。

仍然是从右到左的顺序，AI(9)和AI(10)的两个AI口的灰度传感器主要是判断场地中光线明暗的差别，从而做出相应的判断，采取控制措施。

图2.7 后方红外传感器直视图
如图2.7所示，AI(4)口(图上对应左面的传感器，正过来的时候对应右面的传感器)，主要是判断右面是否有障碍物。

从左到右的顺序的AI(5)，AI(6)和AI(7)口，这三个AI口的红外传感器主要负责智能吸尘机器人后退过程中有着和前方传感器行进过程中一样的功能。

2.3开发环境
2.3.1 开发环境简介
图形化交互式C 语言（简称VJC）是用于能力风暴智能机器人系列产品的软件开发系统,具有基于流程图的编程语言和交互式C 语言（简称JC）。

VJC 为开发智能机器人项目、程序与算法、教学等提供了简单而又功能强大的平台,是全球开创性的具
有自主知识产权的产品。

在VJC 中，不仅可以用直观的流程图编程，也可以用JC 语言编写更高级的机器人程序。

流程图和JC语言的搭配，既能让参赛人员轻松入门，又能够让参赛人员在编程中有较大的选择余地。

MF09控制器能识别后缀名为“*.bin”的程序文件，该文件将是ARM9 处理器可运行的机器代码文件。

我们可以通过使用VJC 1.7 版本流程图或者标准的C 语言来生成这种文件。

如图2.8所示，是通过VJC 1.7 版本流程图进行编程：
图2.8 流程图编程
如图2.9所示，是通过标准的C 语言进行编程：
图2.9 C语言编程
通过VJC 1.7 版本流程图的编程容易实现，适合刚入门的参赛选手使用，但是有着较强图形拖拽编程的依赖性，所以本文采取标准的C 语言进行编程。

2.3.2 程序的下载
点击界面中的下载按钮，即可弹出MF09 编译下载界面。

等到编译完成，即会弹出保存对话框，将程序文件保存到控制器中即可。

如图2.10所示：
图2.10 编译程序
将文件输出到E:\Desin_ST下，名为Demo01.bin，将其复制到I:\下面，I盘为机器人连接到电脑时出现的可移动磁盘。

如图2.11所示：
图2.11 程序代码存入存储器
2.4关键技术
除尘机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的，因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。

用传感器探测环境、分析信号，以及通过适当的建模方法来理解环境，获得环境的更多信息，近年来对智能机器人的研究表明，对于工作在复杂结构环境中的自主式移动机器人，要进一步提高其自主程度，主要依靠模式识别及障碍物识别、实时数据传输及适当人工智能方法，还需要进一步开发全局模型，从而为机器人获取全局信息。

目前发展较快、对除尘机器人发展影响较大的关键技术是：路径规划技术、多传感器融合技术等。

2.4.1 路径规划
路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息，按照某种优化指标，在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径，并且实现所需清扫区域的合理完全路径覆盖，其实质就是移动机器人运动过程中的导航和避碰。

机器人工作环境不同，分为静态结构化环境、动态巳知环境和动态不确定环境。

自20世纪70年代研究以来，移动机器人的路径规划按机器人获取环境信息的方式不同，大致分为三种类型：
①基于模型的路径规划，主要处理结构化环境，规划方法有栅格法、可视图法、拓扑法等；
②基于传感器信息的路径规划，主要用于非结构化环境，克服环境条件或形状无
法预测的因素，方法有人工势场法、确定栅格法和模糊逻辑算法等；
③基于行为的移动机器人路径规划是移动机器人路径规划问题研究中的新动向，就是把导航问题分解为许多相对独立的单元即行为基元，如避碰、跟踪、目标制导等。

随着计算机技术和传感器技术的发展，多传感器集成与信息融合技术在智能机器人上获得了广泛的应用。

非结构化环境下移动机器人是机器人技术发展的重点，基于多传感器信息融合的移动机器人的避障策略及其路径规划技术是其中的关键技术。

2.4.2 多传感器融合
为了让除尘机器人正常工作，必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控，还要感知机器人所处工作环境的静态和动态信息，使得除尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。

通常采用的传感器分为内部传感器和外部传感器，其中内部传感器有编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗盘等用于控制和监测机器人本身；外部传感器包括视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器、接触和接近传感器等安装在机器人自身用于感知外部环境信息。

从上述国内外除尘机器人可以看出，除尘机器人都采用了大量的传感器，有效地把大量的传感器观测信息进行融合处理，从而使机器人获得最大量的外部环境信息，其主要优点就是在同样的观测条件下，可以协调使用多个传感器，把分布在不同位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整观测量及相关数据库中的相关信息加以综合，消除多传感器间存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低不确定性，从而获得对物体或环境的一致性描述，这都是任何单一传感器所无法获得的。

运用多传感器融合技术对提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度等具有重要作用。