扫地机的智能控制系统设计毕业设计说明书

本科毕业设计说明书
扫地机的智能控制系统设计
SWEEPER INTELLIGENT CONTROLSYSTEM DESIGN
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：
指导教师签名：日期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日
导师签名：日期：年月日
扫地机的智能控制系统设计
摘要
目前，各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。

室内智能扫地机器人就是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人。

室内智能扫地机器人的路径规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的连续路径。

根据建立的扫地机器人平台，提出清扫机器人随机运动路径规划算法。

机器人利用其上安装的红外传感器和摄像头来识别和感知房间环境，机器人开始以螺旋运动方式覆盖房间的空白区域，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性。

关键词：扫地机器人，单片机，环境识别，路径规划
SWEEPER INTELLIGENT CONTROLSYSTEM DESIGN
ABSTRACT
At present time,more and more various of service robots are designed and applied to people’s daily life.The application of these robots is promoting the quality of people’s life tremendously as they deal with the works related to people’s life closely.Indoor automatic cleaning robot is one of these service robots developed to help people to carry out the troublesome room cleaning work.The path planning algorithm of Indoor Automatic Cleaning Robot should spread over the room area using the area filling path planning algorithm to find a continuous path from start to end. A random moving path planning algorithm is put forward based on the platform. The cleaning robot identifies the room environment using the infrared transducer and the camera outfitted on its body.Moving in the spiral motion mode with the gradually enlarging radius,the robot begins to explore and clean the blank area.While it encounters obstacles like wall or furniture,it will start the strategy of dealing with obstacles.This algorithm is validated through computer simulation and robot experiment.
KEYWORDS:cleaning robot,single chip microcomputer,environment identification,path planning
1绪论
1.1 引言
自动扫地机器人是当今服务机器人领域的研究热点。

从理论和技术上讲，自动扫地机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性；从市场上前景讲，自动扫地机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于宾馆﹑酒店﹑图书馆﹑办公场所和大众家庭。

因此开发自动扫地机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。

1.2 研究现状：
自从1904年英国人发明了第一台扫地机，至今为止扫地机的发展历史已有近百年。

而后日本、美国、德国、英国等国家就开始了扫地机的批量生产。

目前，国外先进的扫地机都在不断地提高智能水平。

吸扫式小型扫地机是目前国内外应用最为广泛的小型扫地机品种，通常有盘型刷和风机、风管道、吸尘嘴等部分。

盘刷的设置加强了对马路边沟的清扫，增加了清扫宽度。

盘型刷将侧面的垃圾扫到吸尘嘴的工作区域，再由吸尘系统将垃圾吸入机内的垃圾箱。

吸扫式小型扫地机适合于任何道路环境的清扫，对污物、尘土都有很好的清扫效果，工作效率高。

智能化扫地机不仅给企业带来巨大的经济效益，同时也产生了显著的社会效益。

1.2.1 路径规划技术
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的路径覆盖,实质就是扫地机运动过程中的导航和避碰。

1.2.2 多传感器融合技术
为了让吸尘机器人正常工作, 必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控, 并感知机器人所处工作环境的静态和动态信息, 使得吸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。

吸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融合处理, 使机器人获得最大量的外部环境信息, 运用多传感器融合技术可以提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度。

1.2.3 电源技术
移动电源需同时为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压,为吸尘操作模块及传感观测模块提供能源等。

电源在放电过程中具备: ①保持恒定的电压; ②内阻小以便快速放电; ③可充电; ④成本低等特点。

依托以上关键技术,可实现以下产品功能:
1.自动检测垃圾并对较脏的区域重点清扫
2.自动寻找智能充电座回去充电
3.定时清扫
4.当机器被卡住能自动摆脱
5.支持遥控
6.边角清扫程序
7.不重复清洁、不留死角和楼梯防跌落功能
1.3 研究内容：
1.3.1 自动返回充电功能
启动机器人自动充电模式，它在完成工作后会自动返回充电并进入待机状态。

用户只要打开机器人，剩下的清洁工作就不用担心了。

1.3.2 具有预约定时自动清扫功能
可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。

1.3.3 脱困功能
可以顺利跳过2CM高的电线等杂物，具有聪明的摆脱困境功能，入遇困境，机器人会自动尝试用各种办法摆脱困境。

1.3.4 防跌落功能
在楼梯，会议桌等地方工作也不用担心机器会跌落而造成顺坏及危险，机器人自动感知到危险而避开。

1.3.5 液晶显示屏智能报警提醒
智能识别系统能够帮助您判断机器人使用过程中出现的问题，智能识别系统能够自动识别各种异常情况。

1.3.6 灵巧边刷
单独的边刷控制边刷高速旋转，将墙角/墙边的垃圾清扫出来并进入尘盒，
真正的有效清扫边角灰尘。

1.3.7 解决智能扫地机反复清理一个地方的问题
1.4 论文主要完成的工作
课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计，驱动电机选择，传感器的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。

1.4.1 机械结构部分
包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择。

1.4.2 避障系统控制方案
包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择。

1.4.3 控制系统硬件部分
包括单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感器检测硬件电路设计。

1.4.4 控制系统软件部分
包括单片机控制系统的软件设计。

2 单片机
2.1 单片机简介
常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。

概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作。

2.1.1 硬件特性
1、单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；
3、单片机可靠性高；
4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品
6、控制功能强
7、环境适应能力强。

2.2 AT89C51单片机
本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。

AT89C51是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

2.2.1 AT89C51主要性能参数
1.与MCS-51产品指令系统完全兼容
2.有4K字节可重擦写Flash闪速存储器
3.有1000次的擦写周期
4.全静态操作：0Hz~24MHz
5.有128×8字节的内部RAM
6.有32个可编程I/O口
7.有2个16位定时/计数器
8.有6个中断源
9.低功率空闲和掉电模式
2.2.2 AT89C51功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

2.2.3 AT89C51引脚
VCC：电源电压
GND：接地
P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。

作输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

图2.1 AT89C51芯片
P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：
3 智能扫地机各系统分析
用红外传感器、光电传感器、接触传感器完成自动避障。

用光电编码器检测电机的转速。

利用PWM技术来动态控制电动机的转动方向和转速。

通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。

通过对电路的优化组合最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。

P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。

这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源, 降低了总体设计的成本。

总系统框图如图3.1所示。

图3.1硬件设计总框图
3.1 智能扫地机传感器系统
传感器系统是扫地机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息，是扫地机的重要组成部分，由多传感器及相关信号处理电路组成。

在非结构化环境下，传感器系统为扫地机的正常工作发挥着无可替代的作用。

扫地机传感器系统的性能越好，自动避障和路径规划方案就越容易实现，控制系统的程序就更容易编写和执行，扫地机系统的整体性能也就越好。

移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两大类。

内传感器主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。

这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。

外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。

这类传感器包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。

扫地机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息，以实现扫地机的自主避障。

由此可见，传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选择和执行质量。

对工作环境下的障碍物信息，可以通过外部传感器获得，移动机器人上常用的探测障碍物的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器、接触传
感器和视觉传感器等几种。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

超声波传感器通过计算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距。

超声波传感器波束较宽，方向性差，但是其环境适应能力强，探测距离远，采集信息速度快，且比一般视觉传感器和激光测距仪都要便宜，因此在许多方面得到广泛应用。

红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等优点，但是其受环境影响较大，当探测头被灰尘等污染后，其探测性能将大大下降。

红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

红外光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，它的探测距离比较近，从几个毫米到几十厘米不等。

因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

接触传感器通过与被测物体的接触来确定被测物体的相关信息，如物体的存在与否、物体的形状和位置、接触面的压力分布及大小等等。

接触传感器主要有限位开关、接触开关等，这些传感器结构简单、信号易处理、适应能力强且价格低廉。

由于超声波传感器、红外光电传感器和接触传感器都具有价格低廉、工作可靠、速度快等优点,因此广泛应用于移动机器人的局部导航。

经过对比分析，本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构建清扫机器的传感器系统。

将这些传感器合理布置在清扫机周边位置上，通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据通讯，控制系统根据获得的传感器系统信息做出避障决策，实现自主避障。

3.1.1 测速装置模块
测速信号通过在电机的转子上加装带有黑白条纹的圆盘，再利用光电开关得到电机每转一圈产生若干个脉冲信号，据此可以算出电机的实际转速。

这种简易的光电开关测速法成本低，性能可靠，可以在电机转速不高，精度没有严格要求
的情况下使用，这种测速装置可以构成里程计。

根据里程计的返回脉冲数可以计算出电机行走的距离，并间接得到行走速度。

3.1.2 碰撞检测
碰撞检测采用霍尔元件EW462，芯片的内部原理框图如图3-4所示，芯片的工作方式如图3-5所示。

芯片的供电电压范围为 4.5V~18V，灵敏度高，阻抗低，工作的最大输出电流为15mA。

当芯片的正上方有S极磁场时，霍尔元件输出高电平，当元件偏离磁场后，元件输出低电平。

通过控制霍尔元件正上方的磁场极
图3.2 EW462内部原理示意图
性，可以控制元件输出信号的变化趋势。

当极性相反时，元件在偏离磁场时为高电平，正对磁场时为低电平。

3.2 驱动系统
驱动器就是驱动扫地机的动力部件，最常用的就是电机。

扫地机最主要的控制量就是控制扫地机的移动，扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机，控制电机转的圈数就可以控制扫地机移动的距离和方向、清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。

所以，第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。

一般有专门的控制卡和控制芯片来进行控制。

有了这些控制卡和芯片，然后把微控制器与其连接起来就可以用程序来控制电机。

第二个问题是控制电机的速度，在扫地机上的实际表现就是它的实际运动速度，扫地机走的快慢全靠电机的转速，这样就要求控制卡对电机有速度控制。

机器人的工作电机分为行走、吸尘和毛刷电机。

机器人行走结构中前面有一个从动转向轮，两侧各有一个驱动轮，由无刷直流电机进行控制。

清扫结构主要使用真空吸尘器和由电机带动的旋转毛刷。

永磁无刷电动机具有效率高，功率大，体积小，控制精度高等明显特点在机器人领域有着广泛的应用。

无刷直流电机具有良好的调速性能，由于它采用电子换向，脉宽调制脉冲调速，在进一步提高直流电机性能的同时，又克服了直流电机传统机械换向带来的一系列问题，从而大大延长了电机的使用寿命。

直流无刷电机控制电路主要有控制电路微处理器、数字信号处理器和专用集成电路等3种方式。

使用单片机辅以外围处理电路的方法，其测频、换相、控制调节等均由软件实现。

选用单片机软件编程的方法控制无刷直流电机。

吸尘器内的风机和带动毛刷的电机都使用直流电机，由于不需要调速、换向，因此控制方法比较简单。

电机的运动系统结构如图3-2，它决定了机器人的运动空间，采用轮式结构。

其中左右轮为主动轮，需要用可调速的电机控制，前面的转向轮为从动轮，便于
机器人的转向。

直流电动机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优良的动态特性，所以一直占据着调速控制的统治地位。

虽然近年不断受到其他电动机如交流变频电动机、步进电动机的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中仍有着广泛的应用。

采用广泛应用的脉宽调制技术控制电动机电枢的电压。

所谓 PWM 控制技术，就是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的。

产生PWM 信号常用的 4 种方法如下：
(1)分立电子元件组成的PWM 信号发生器。

这种方式是用分立的逻辑电子元件组成信号电路，是较早采用的方法，可靠性、可调性较差；
(2)软件模拟式。

利用单片机的一个I/O 引脚，通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM 波，该方法占用CPU 的时间较多，控制软件较复杂；
(3)专用PWM 集成电路。

采用专用的 PWM 集成电路芯片，该方法功能强，但增加了调速系统的成本开销；
(4)单片机的PWM 口。

新一代的许多单片机具有PWM 调速功能。

通过单
转向轮左
轮
右轮
机器人底座
图3.3 主从动轮分布图
片机的初始化设置，使其自动发生脉冲波，只有在改变脉冲宽度时才进行干预，该方法控制直流电动机转速简单、可靠。

所以使用单片机的PWM口作为电机的PWM调速控制。

无刷直流电动机简称BLDC，学名是无换向器电机或无整流子电机，是一种新型的无级变速电机。

它具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单，制造方便，不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。

选用的轮子驱动电机即为无刷直流电机，其工作电压是10~15V，最大工作电流0.84A，正常工作电流0.4A，有专门的换向控制引脚，高低电平控制正反转。

该电机可以由PWM信号直接驱动，允许的脉宽调制脉冲信号输入参数为：允许输入PWM的频率最大为50kHz；高电平的输入电压范围为2.0V~5.0V；低电平的输入电压为0V~1.0V；输入开路电压为 4.5V~5V。

3.3 红外遥控系统
红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。

红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，继彩电、录像机之后，红外线遥控在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也实现广泛的应用。

工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控能可靠且有效地隔离电气干扰。

基于以上优点，故采用红外遥控装置来控制智能扫地机的清扫方式及开机与关机。

通常红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编码/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图3.2所示。

发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED
图3.4 红外遥控系统
红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。

红外接收芯片选用TFMS5380。

在遥控器上使用单片机进行红外功能编码，在扫地机上，由于单片机处理任务很多，因此选用专用的解码芯片。

解码芯片是REALTEK公司生。