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1、东南大学 硕士学位论文 基于ARM的清洁机器人控制系统研究 姓名：耿平 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：张赤斌 20080403 摘要 摘要 基于A R I e l 的清洁机器入控制系统研究 研究生：耿平指导老师：张赤斌副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 家用清洁机器人是当今服务机器人领域的一个热门的研究方向，它涉及了当前多项人工 智能技术。从理论和技术角度讲，清洁机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术， 具有较强代表性；从市场前景角度讲，清洁机器人大大降低了劳动强度，提高了劳动效率， 适用于宾馆、酒店、图书馆、办公场所和家庭。因此，开发自主智能清洁机器人既具有
2、科研 上的挑战性又具有广阔的市场前景。 首先，本文简要介绍了清洁机器入的机械结构，并对两轮驱动三轮结构的清洁机器人进 行了运动学分析和动力学分析，为清洁机器人的运动控制和定位技术的分析打下理论基础。 其次，本文重点阐述了清洁机器人底层控制系统的设计和实现。按照模块化设计的思想， 详细分析了以A R M 嵌入式微处理器为核心的中央控制系统模块、避障模块、电机驱动模块、 测速模块、清扫模块和遥控等模块的电路设计和软件编程，并讨论了系统可靠性问题。 最后，深入研究了清洁机器人的定位系统，并提出了将绝对定位和相对定位相结合的定 位方法。在算法分析和理论建模的基础上，设计了基于n R F 2 4 0 1
3、 无线收发模块和超声波测 距技术的绝对定位系统，并取得了很好的定位效果。 关键字：清洁机器人，控制系统，A R M 处理器，定位技术 东南大学硕士学位论文 A b s t r a c t R e s e a r c ho nC o n t r o lS y s t e mo fC l e a n i n gR o b o tB a s e do nA R M C a n d i d a t ef o rM a s t e r ：G e n gP i n g A d v i s e r ：A s s o c i a t eP r o f Z H A N GC h i - b i n ( S o
4、u t h e a s tU n i v e 璐i 慨N a n j i n g ) T h es t u d yo fc l e a n i n gm o b i l er o b o t si sav e r yh o ti s s u ei nt h ef i e l do fm o b i l er o b o t s I t i n v o l v e sp l e n t yo fc u r r e n tA r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c et e c h n o l o g i e s I nv i e wo f t h e o r
5、 ya n dt e c h n o l o g y , t h ec l e a n i n gm o b i l er o b o te m p l o y sm a n yk e ym o b i l er o b o tt e c h n o l o g i e s I tc a l lg r e a t l yr e d u c et h e b u r d e no ft h eh o u s e w o r k , S Oi ti sv e r ya p p l i c a b l ei nh o t e l s ，h o s p i t a l s ，l i b r a r i
6、 e s ，o f f i c e sa n dh o u s e s T h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h ec l e a n i n gm o b i l er o b o t si sar e a lc h a l l e n g ei ns c i e n t i f i cs t u d ya n d c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s F i r s t l y , t h ef r a m eo f t h ec l e a n i n gm o b i l er o b o
7、 ti si n t r o d u c e db r i e f l y T h e ni t sm o t i o na n d d y n a m i cm o d e l sa r eb u i l t , w h i c hp r o v i d e st h e o r i e sf o rt h ef o l l o w i n gd e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e S e c o n d l y , t h i sp a p e rp r e s e n t sh a r d w a r ed e s i g n
8、o fc o n t r o ls y s t e mf o rt h ec l e a n i n gm o b i l er o b o t i nd e t a i l A c c o r d i n gt om o d u l ed e s i g ns t y l e ，t h ec o n t r o ls y s t e mm a i n l yi n c l u d e sc e n t e rc o n t r o l m o d u l eb a s e do nA R Me m b e d d e dp r o c e s s o r , o b s t a c l ea
9、 v o i d a n c em o d u l e ，m o t o rd r i v em o d u l e ， v e l o c i t ym e a s u r em o d u l e ，r e m o t em o d u l e ，c l e a n i n gm o d u l ea n ds oo n B e s i d e s ，t h eh a r d w a r e d e s i g n Sf e a s i b i l i t ya n ds o m er e l a t i v eq u e s t i o n sa r ef u r t h g rd i
10、s c u s s e d F i n a l l y , t h el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u ei sa n a l y z e d An e wl o c a t i o nm e t h o di sd e v e l o p e d I t c o m b i n e sa b s o l u t el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u ea n dr e l a t i v el o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e A d d i t i o n a
11、l l y , t h e p o s i t i o n i n ga l g o r i t h ma n di n d o o rl o c a l i z a t i o nm o d e la r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so fu l t r a s o n i c l o c a t i o n T h e nan e wa b s o l u t ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nn R F 2 4 01t r a n s c e i v e
12、r sa n d u l t r a s o n i cl o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e K e yW o r d s ：C l e a n i n gM o b i lR o b o t , C o n t r o lS y s t e m ，A R MP r o c e s s o r , L o c a l i z a t i o nT e c h n i c a l ，R e l a t i v eL o c a l i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的
13、研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研
14、 究生院办理。 日 期：o 让f 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早三百下匕= 随着社会的进步和发展，人们迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来。智能清洁机器人将移动 机器人技术和吸尘技术有机的融合起来，能够通过传感器感知外部环境信息和自身工作状态，并能 在室内实现自主导航和定位，从而完成吸尘作业，实现家庭、宾馆及写字楼等室内环境的半自动或 全自动清洁。清洁机器人具有广泛的市场前景，近年来已受到国内外研究人员的普片重视。清洁机 器人是家用服务机器人的一种。所谓服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它有益于人 类的健康和设备的运行与维护。 1 2 服务机器人概述 机器人技
15、术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人最早出 现在2 0 实际6 0 年代，其最初是作为一种工业设备发展起来的。这些机器人主要用于工业制造，随 着科技的进一步发展，一些机器人相继出现在许多新的领域。例如：导游机器人、清洁机器人、对 话机器人、娱乐机器人、医用及康复机器人、老年及残疾人护理机器人、救灾机器人、餐厅服务机 器人等。这种机器人以提供服务性工作为特征，我们通常称其为服务机器人，本课题研究的清洁机 器人即为最常见的服务型机器人。 国际机器人联合会经过几年的搜索整理，给了服务机器人一个初步定义：服务机器人是一种半 自动或全自动工作的机器人，它能完成有益于人类的
16、服务工作，但不包括从事生产的设备I 】J 。顾名 思义，服务机器人的定位是服务，是针对第三产业而言的。而工业机器人是针对第一、第二产业而 言的。从机器人的功能结构来讲，他们间的本质区别在于工业机器人的工作环境是已知的，而服务 机器人所面临的工作环境大多数是未知的，或者说是变化的。 1 2 1 服务机器人发展概况 从上个世纪6 0 年代，第一台机器人出现至今，随着计算机技术、传感器技术、网络技术等相关 技术的发展，特别是新一代计算机技术和人工智能的快速发展，为机器人的发展提供了强劲的动力 【2 - 3 】，使机器人经历一个阶梯式前进过程，在工业生产和其他一些领域，机器人已经形成一个规模产 业。而服务机器人正是这个过程发展到新一阶段上的高科技产物，智能化是服务机器人的主要发展 方向，经过人们的不懈努力，最先进的服务机器人已达到了3 岁小孩的智力水平，但要进一步提高 智力水平以向人类看齐，仍然是一个巨大的挑战”。5 】。但是关于全球服务用机器人市场的发展前景， 专家们均表示乐观。2 0 0 2 年，世界全部服务机器人为1 8 8
