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1、智能清洁装置控制系统设计(系统软件)摘要随着信息技术的不断发展，各种产品的技术含量及复杂程度也越来越高，智能化的概念开始逐渐渗透到各行各业以及我们生活中的方方面面。本文以智能计算机控制技术为理论基础，设计了一种以MSP430F149单片机为主控制器的智能清洁装置。该装置能按照一定的行走模式对复杂的空间环境进行清扫，当遇到障碍物时它能启动避障程序绕开障碍物再按照原来的模式进行清扫工作。如果地面上有台阶，它还能自动启动防摔落程序防止清洁装置被摔坏。文章主要围绕它的这些功能进行系统设计以及相关功能软件的分析与设计。在IAR EW430编译环境下编写系统程序，编译成功并下载到硬件系统中。最终，本设计完
2、成了智能清洁装置预期的功能，达到设计要求。关键字：智能控制系统；扫地机器人；MSP430；路径规划Intelligent control system design of cleaning device (System software) AbstractWith the development of the information technology, the technological content and complexity of products are becoming better than before. The concept of intelligent gradual
3、ly began to infiltrate into all walks of life and we all aspects of the life. The paper based on the intelligent control technology, designing a intelligent cleaning device by MSP430F149 MCU which was the master controller of the system. The device can clean complicated space according to establish
4、walking pattern. When faced with obstacles it can start the obstacle avoidance procedures around obstacles. Then according to the original mode of cleaning work.If the ground with a step, it can also automatically start a program to prevent the cleaning device being broken. The paper mainly around w
5、hich these functions of the system design and function of software analysis and design. The next task is writing system programs in the compiler environment, After successfully compiled and downloaded to the hardware system. Eventually, the design completed intended function of the intelligent clean
6、ing device and reached the design requirement.Key Word:Intelligent control system; Cleaning robot; MSP430; Path planning目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 序言11.2 选题的背景和意义11.3 智能清洁装置的研究现状21.4 智能清洁装置研究的关键技术31.5 本课题研究的主要内容41.6 本章小结42 智能清洁装置控制系统结构与总体方案设计52.1 智能清洁装置结构52.2 智能清洁装置控制系统总体方案设计62.2.1 控制器模块62.2.2 信息采集模块72
7、.2.3 电机驱动模块82.2.4 电源模块102.3 本章小结103 智能清洁装置控制系统软件设计113.1系统软件总体设计思路113.1.1 软件结构113.1.2 软件实现的总体思想123.2 各模块程序设计143.2.1 单片机系统时钟初始化143.2.2 电机驱动模块程序设计153.2.3 避障模块程序设计163.2.4 防摔模块程序设计183.2.5 主程序模块设计193.3 中断程序与中断嵌套问题203.4 本章小结214 系统调试224.1 软件调试224.2 系统软硬件联调235 结论24致谢25参考文献26附录127附录237291 绪论1.1 序言 顾名思义，智能清洁装置
8、控制系统也被叫做智能清洁机器人。机器人Robot,原为robo，意为奴隶，即人类的仆人。它是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处！ 中国
9、的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。
10、由的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现； 纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。 1.2 选题的背景和意义 近年来随着科学技术的发展，尤其是传感器、智能控制、驱动、及材料等领域的技术进步，机器人己经不再局限于生产和科研领域，开始应用于人们的日常生活。类似于家庭、宾馆以及写字楼等室内环境的清扫工作技术含量低且浪费时间和人力，用清洁机器人代替人力完成清扫工作已经引起了人们的
11、关注。它作为服务机器人的一个新研究方向，具有广泛的市场前景。 家庭清洁机器人可以自动进行房间地面的家庭卫生服务，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，己经产生了一些概念机和产品。它的发展带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像、语音识别、传感器等相关技术的发展。许多发达国家都将其作为机器人研究的新领域加以重视。我国很多高校也在进行服务机器人技术的研究，我们研发的KV8型清洁机器人不仅是一款实用的家用清洁工具，也可以作为一个清洁机器人的
12、开发平台，为进一步研究服务机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。同时还可以将其作为 计算机控制技术非电量检测技术及嵌入式课程的综合教学实验设备。实验的过程中，同学们可以在轻松偷快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，同时也可以培养实际动手操作能力。这样很自然的就将理论知识应用于实践。增加对专业知识学习的兴趣，拓宽知识面，为以后的研究开发奠定良好的基础。1.3 智能清洁装置的研究现状 在国内的一些大学，如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清扫机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清扫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
13、等技术的研究则更多，这些都为清扫机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学于90年代开始致力于这方面的研究，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点：采用全方位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务；采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性；在拥挤环境下的实时避障功能，能更好地适应不断变化的清扫工作环境；遥控操作和自主运动两种运行方式；吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。 图1-1 国内公司生产的机器人KV8浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子
14、研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步智能的自主吸尘机器人。这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习：利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走，在清洁这些角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间；之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径；清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在的实际家庭环境中，工作10分钟可以达到以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。如图1-1所示。KV8保洁机器人是今年在市场以
15、低价位卖得比较火的一款产品，也是国内首个产品化清扫机器人。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所，以及其它一些人员不便进入的地方。KV8能够通过自身的碰撞传感器来实现随机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选择，在启动时伴有音乐声。1.4 智能清洁装置研究的关键技术智能保洁机器人要在一个不规则的空间环境内进行自主清扫工作，就要让它具有像人类一样的感官、行动及思维能力。实现机器人智能化需要给予它会思考的大脑、可行动的手和脚及可感知周围环境的眼睛。根据这个原理，家庭清洁机器人的关键技术吸尘机器人系统通常由四个部分组成:移动机构、感知系统、控制系统和吸尘系统。移动机构是吸尘机器人的主体,决定了吸尘器的运动空间,一般采用轮式机构。感知系统一般采用超声波测距仪、接触和接近传感器、红外线传感器等。随着近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术的迅速发展,清扫机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。清扫机器人的控制与工作环境往往是不确定的或多变的,因此必须兼顾安全可靠性、抗干扰性以及清洁度。用传感器探测环境、分析信号,以及通过适当的建模方法来理解环境,具有特
