智能清扫机器人

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。其中在现实生活中清洁机器人清理的过程中，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电器公司和Howa工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人. 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清水工厂开发出一种自动清扫机器人. 可用于各种工厂的清扫工作. 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月清洁机器人‘‘Roomba”美国面市. 这是一款面向家庭的机器人。重约2ky直径为 762mm(30"). 具有高度自主能力. 可以游走于房间各家具缝隙间. 灵巧地完成清扫工作. 据说这是将用于军事的“躲避地雷的移动技术，'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”在家进行清扫英国法国和澳大利亚也都推出过清洁机器人产品

在国内，对清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，也对清洁机器人进行了大量的研究，并取得了一些成果，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质和技术基础

二. 设计思路

为了制作一个能够覆盖全区域的清洁机器人，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。清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，进一步达到清洁的目的，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,由于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。障碍检测模块用于检测小车前进路上的障碍物，如有障碍则进行避让。液晶显示模块用于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。而二轮驱动又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。清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的系统设计

由于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

STC89C52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:0Hz～33MHz；

·三级程序存储器加密；

·128×8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；

·一个全双工的异步串行口；

·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的擦除时间的百分之一,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0Hz～24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz～12MHz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。