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1、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
2、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 DESIGNABSTRACTAt present time,more and more various of service robots are designed and applied to peoples daily life.The application of these robots is promoting the quality of peoples life tremendously as they deal with the works related
3、to peoples 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 algorit
4、hm 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 enla
5、rging 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,e
6、nvironment identification,path planning1 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
7、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、人益。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
8、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
9、电过程中具备: 保持恒定的电压; 内阻小 以便快速放电; 可充电; 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
10、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
11、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
12、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、 I2
13、C、 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AT8
14、9C51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：OHz24MHz5. 有128X8字节的内部RAM6. 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
15、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，
16、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（I IL）。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
