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1、室内扫地机器人的能源管理策略室内扫地机器人的能源管理策略摘要：摘要：随着科学技术的不断发展，移动机器人已经走进了人们的日常生活。机器人从原先的军事、工业、商场、医院等应用领域逐步向家用智能机器人的方向发展，未来家用智能机器人将是人们生活不可或缺的一部分，人们对机器人的人工智能要求也越来越高。机器人的室内定位和自动充电技术是衡量人工智能性的重要标准。智能机器人只有能够准确地知道自己在室内的坐标点，才能自主有效的运动。在准确的定位之后，机器人才能在电量不足的情况下，朝着充电源的方向靠近并且完成与充电的对接工作。关键词：关键词：室内扫地机器人；能源管理；策略1 1、绪论绪论1.11.1 课堂研究背景
2、课堂研究背景机器人的应用越来越广泛，几乎渗透所有领域。进入九十年代以来，人们广泛开展了对服务机器人的研制和开发。各国尤其是西方发达国家正致力于研究、开发和广泛应用服务机器人。目前，在美国、日本等发达国家，机器人已应用于商场导购、物品移送、家居服务、展厅保安和大面积清扫等多个服务领域。随着我国国民经济的不断发展和人民生活水平的不断提高，将势必会在各个领域广泛、大量地应用服务机器人。 与普通工业机器人相比，服务机器人具有更大更灵活的工作空间，因此其往往是移动机器人。移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人，是继操作手和步行机之后机器人技术的一个新的研究目标，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向
3、。移动机器人目前主要包括军事和民用服务两大应用领域。在民用服务领域，美国和日本处于遥遥领先的地位，机器人被广泛应用于车站清扫、大面积割草、商场导游导购、导盲和保安巡逻等各个方面。在我国的移动服务机器人的研究和应用还处于起步阶段，上海大学、哈尔滨工业大学曾先后研制成功导购机器人、导游机器人和清扫机器人。随着我国经济建设的不断开展和人民生活水平的提高，广泛应用服务机器人必将成为趋势。1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状自动扫地机作为服务机器人领域中的一个新产品,尽管目前国内在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果,但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高,如路径规划就是其中的一个比较重要的技术
4、。有的可在房间内随机移动，有的能在单个房间内较简单地以一定的路线移动(不能 100%走遍)。事实上，虽然有一些公司推出了一些样品或产品，但却不能达到满意程度：清洁效果不佳，遍历时间长。 目前，在一些发达国家的办公室、工厂、车站、机场等场所已广泛使用到自动扫地机。随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得自动扫地机进人家庭成为可能。如果自动扫地机性价比足够高，那么自动扫地机市场将会被看好。1.31.3 研究目的及意义研究目的及意义自动扫地机，是一种智能扫地、吸尘工具，是一种配备了微电脑系统的电动保洁设备，它能能够按照人们的设置清洁房间的某一特定部分或全部。
5、清洁机器人最早出现于美国，随后发展的欧美，风靡港澳台，90 年代中期进入大陆。国内自动扫地机主要几种品牌：iRobot(美国)、凯驰(德国)、QQ(台湾)、三叶虫(瑞典)、保时洁(国产)、美嘉乐(国产)、微朗(国产)等。 人类的一只脚已经迈入了机器人时代的大门，中国 10 年内机器人将融入市民日常生活，机器人将和汽车一样成为生活必需用具。这些机器人从用途上看，有用于教育类的机器人，有用于服务类的机器人，有用于制造类的机器人，等等。其中自动扫地机就属于服务类的机器人。机器人的发展就像上世纪 80 年代的个人电脑、上世纪 90 年代中期的手机一样，正处于产业真正起飞的前夕，巨大的市场前景已经展现。
6、资料显示，2003 年至 2007 年间，全球机器人以每年 40%左右的速度增长。据统计，到 2009 年年底，全球投入使用的服务机器人已达到 450 万台。 自动扫地机优于普通吸尘器的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程不需要人控制，减轻您操作负担；还比一般吸尘器的噪音小，清洁房间的过程免受噪音之苦；还可以净化空气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达 96，清扫效率接近100；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。总之，自动扫地机，具有操作简单，使用方便、智能、安全、清洁效果显著的特点。 2 2、室内扫地机器人的工作原理室内扫地机器人的工作原理扫地机器人设计为 5 部分
7、组成：系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C52 控制，包括红外遥控接收模块，对输入输出器件的操作，对执行电机的控制，以及对传感器的响应等。执行电机部分是吸尘机器人的主要构成部分，包括行走驱动子系统和吸尘子系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，底盘为三轮电动小车，前面两轮由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。吸尘系统用电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集中于吸风口处，由吸尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘存储箱中。在清扫吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在地面上的细小灰尘。轮子电机、吸尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机；传感
8、器部分即检测子系统，主要为了保障机器人能够安全地工作；输入输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电源部分采用可充电的 5 伏锂电池。3 3、室内扫地机器人的结构详细室内扫地机器人的结构详细自动清扫机器人是当今服务机器人领域一个热门的研究方向。从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性，从市场前景角度讲，自动清扫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。因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。家用智能清扫机，包括计算机、传感器、电机与动力传动机构、电源、
9、吸尘器、电源开关、操作电位计等，在清扫机的顶部共设有三个超声波距离传感器；清扫机底部前方边沿安装有5个接近开关，接近开关与超声波距离传感器一起，构成清扫机测距系统；清扫机装有两台直流电机；在清扫机的底部安装有吸尘器机构。自动清扫机器人的功能是自动完成房间空旷地面尤其是家居空旷地面的清扫除尘任务，打扫前，要把房间里的物体紧靠四周墙壁，腾出空旷地面。清扫机完成的主要功能：能自动走遍所以可进入的房间，可以自动清扫吸尘，可在遥控和手控状态下清扫吸尘。3.13.1总体布局方案总体布局方案本文所介绍的自动清扫机器人的总体布局方案如图2所示，前后两轮为万向轮，左右两轮为驱动轮。驱动轮设计采用两轮独立且各由两
10、台步进电动机驱动的转向方式，通过控制左右两轮的速度差来实现转向。考虑到机器人实际应用的实用性，本驱动系统设计成一个独立的可方便替换的模块，当机器人驱动系统发生故障时，只需简单步骤就可以对驱动部分进行替换。同时为了机器人能够灵活的运动，从动轮选用万向轮。下图为自动清扫机的三维立体图：3.23.2 车箱体结构车箱体结构自动清扫机器人车箱体采用框架式结构。从下至上分隔成三个空间：第一层装配各运动部件的驱动电机、传动机构；第二层为垃圾存储空间；第三层装配机器人控制系统、接线板、电源电池、开关等。自动清扫机器人控制系统硬件主要是以单片机 AT89C51 作为核心，辅助其外围电路、电机驱动电路、传感器检测
11、电路以及红外遥控电路等，各模块在单片机的控制下，相互协调工作，保证自动清扫机器人各种功能的实现。该控制系统框图如图 3 所示。传感器在清扫机器人上的布置如图下所示，图中红色的圆点代表六个红外传感器的位置。下图为清扫机的硬件系统：3.33.3 步进电机作为执行元件系统步进电机作为执行元件系统步进电机作为执行元件，广泛应用于各种自动化设备中。步进电机和普通电动机不同之处在于它是一种可以将电脉冲信号转化为角位移的执行机构，工作中传递转矩的同时还可以控制角位移或速度。本研究中采用两台步进电机分别驱动两个驱动轮，通过通电方式的不同使自动清扫机器人的行走机构达到前进、后退、左转、右转的运动姿态。自动清扫机
12、器人的吸尘器则采用直流电机（H 桥式电路）驱动。下图为步进电机驱动电路：采用以 AT89C51 单片机为核心的红外接收电路和步进电机驱动电路。红外遥控器发射不同的码值来控制步进电机的正转、反转、加速减速以及启动停止。单片机通过对红外信号的解码来实现步进电机的变速。红外发射器原理图如下所示：3.43.4 设计行走功能模块程序设计系统设计行走功能模块程序设计系统设计行走功能模块程序设计系统选用了图 4 所示的行走方案。程序设计时要考虑:吸尘器在外圈行走时, 为了避免接近开关中断对程序运行的干扰, 应对接近开关的中断处 理程序做 相应处理。由于吸尘器两动力轮的中心与车体中心不重合, 故采用以一轮为中
13、心的旋转方式并通过检测转弯标志位 ( 1 或 0)来判断转向。在墙角转弯时处，根据吸尘器外形的几何尺寸计算吸尘器遇墙停止后, 后退再转弯的时间。吸尘器内圈行走时的转弯依靠转弯设定值实现。当超声波传感器 1 的值小于等于设定值时, 吸尘器转弯。考虑到超声波传感器的最小量程为 0. 5 m, 第一圈内圈行走的转弯设定值设定为 50 cm, 以后每圈的转弯设定值递增 30 cm。吸尘器单向行驶至转弯结束的过程称为一次单向清扫过程。若某次单向行驶结束后检测到超声波传感器 1 的值小于转弯设定值, 则吸尘器原地再次转弯, 然后前进至墙停止, 整个房间清扫完毕。设计躲避障碍物功能模块程序设计避障总规则:
14、利用超声波实测值与已测得的房间长 (宽 )值的比较, 判断某次单向清扫途中是否有障碍物。若有障碍物: 行走时若为左转, 采用左避让规则; 行走时若为右转, 采用右避让规则。障碍物避开后按行走规则继续行进; 若无障碍物: 按行走规则继续行进, 在转弯前应判断是否有足够的空间供机器人吸尘器转弯。若吸尘器可以转弯, 则转弯, 本次单向清扫完毕; 若吸尘器不能转弯, 说明下次单向清扫起始点处有障碍物, 后退,避开障碍物后再转弯, 前进至通过障碍物边线后, 本次单向清扫完毕。避障功能是在行走功能基础上实现的, 分为内圈避障程序设计和外圈程序设计。清扫完毕的判断方案: 用外圈行走结束后清扫区域的精确长、宽
15、值与内圈行走轨迹宽度 30 cm 相除, 商即为长、宽方向上各自所需的单向清扫次数, 有余数则说明还有一块宽度小于 30cm 的矩形区域需要清扫。在执行内圈避障时, 只要长或宽任意方向上的单向清扫次数达到所需的次数, 即认为清扫完毕, 剩余矩形区域的清扫在终止模块中完成。3.53.5 车体姿态调整功能模块程序设计车体姿态调整功能模块程序设计车体姿态调整功能模块程序设计，为保证车体运行时不偏离轨道, 采用陀螺仪传感器监视车体运动状况。当车体偏移量达到一定值时, 通过控制行进方式调整车体姿态。当车体偏转角度大于 10%时, 开始调整车体姿态。首先判断车体偏转的方向并记录车体偏转角度。为使车体能最大
16、限度地回到原位置, 采用一个动力轮不动, 另一动力轮倒转的方式实现车体姿态调整。使用该方案调整车体位置后, 车体并不一定能恰好回到原位置, 但误差已经很小, 可以满足系统设计要求。车体姿态调整程序流程如图所示。主控程序是吸尘器工作的主体逻辑。在主控程序中需要完成DSP的初始化设置, 考虑各功能模块间的逻辑关系, 实现对各子程序的调用, 并要充分考虑到各级中断信号对程序运行的影响, 做出正确的处理、协调。主控程序流程如图所示。用户操作键盘时接近开关可能会工作, 这有可能导致程序运行出错, 故DSP需在程序最开始首先屏蔽所有中断。键盘的检测由单片机实现, 用户若想通过键盘设定吸尘器工作方式, 则必须在开机后20 s内开始操作, 该20 s的延时由DSP提供, 20 s后若无键按下, 则认为用户未设定吸尘器工作状态, 系统按自动方式开始工作; 20 s后若有键按下, 则将等待用户输入完毕后,按照用户设定要求工作。系统初始化程序设计，系统的初始化程序是系统各功能实现的前提。给状态寄存器赋值, 保证子程序调用或进入中断时实现CPU 各种状态的保存; 数据存储区配置; 输出口的选择及功
