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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于Arduino的拖地机器人电路设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程郑会阳学 号：职 称：160404102522莫伟强工程师中国珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于Arduino的拖地机器人电路设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。承诺人签名： .日期： 年 月 日基于Arduino的拖地机器人电路设计摘 要清洁机器人是一款可以为人类生活提供服务和便利的产品，是科技快速发展的代表产物，拖地机器人作为扫
2、地机器人的一个分支，近年来在市场上也出现了很多型号。不论是扫拖一体的机器人还是只有拖地模块的机器人，都存在着拖地效率不高的问题，为了解决这个问题，本小组设计了一款基于Arduino的拖地机器人。本文对此款拖地机器人的元件选型，设计和制作电路进行说明。硬件电路分为两部分，一部分是以ATmega2560为核心的控制板；另一部分是以L298N为核心的电机驱动板，并整合了电量显示模块。这两块电路板共同组成了本设计的硬件电路部分，并经过仿真和实物调试，验证了电路的可行性。关键词：拖地机器人；Arduino；ATmega2560；控制板；电机驱动板Ground mopping robot based on
3、 Arduino- Circuit designAbstractThe cleaning robot is a product that can provide services and convenience for human life, and is a representative product of the rapid development of technology.As a branch of sweeping robots, mopping robots have also appeared in the market in recent years with many m
4、odels.Whether it is a robot that sweeps and drags one or a robot with only a mopping module, there is a problem of low mopping efficiency. To solve this problem, the team designed a mopping robot based on Arduino.This article explains the component selection, design and production of this mopping ro
5、bot.The hardware circuit is divided into two parts, one part is the control board with ATmega2560 as the core; the other part is the motor drive board with L298N as the core, and integrates the power display module.The two circuit boards together form the hardware circuit part of this design, and af
6、ter simulation and physical debugging, the feasibility of the circuit is verified.Keywords：Floor mopping robot；Arduino；ATmega2560；Control circuit board;Motor drive circuit board目录1 绪论11.1 研究背景及意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究目的和意义21.2 国内外发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状41.3 拖地机器人的发展趋势41.4 研究主要内容和目标51.5 本章小结52 拖
7、地机器人系统的总体方案设计62.1 控制板的方案设计62.2 驱动板的方案设计72.3 本章小结83 拖地机器人系统的相关元器件93.1 控制板的元器件93.1.1 控制芯片93.1.2 接口转换芯片113.1.3 运算放大器123.2 驱动板的元器件133.2.1 主动轮电机驱动模块133.2.2 抹布转动转轴电机驱动模块143.2.3 电量监控显示模块153.2.4 电源电压降压模块173.3 电机183.4 主要元器件清单183.5 本章小结184 电路设计194.1 控制板的电路设计194.1.1 控制芯片最小系统电路设计194.1.2 时钟电路设计194.1.3 复位电路设计204.
8、1.4 RS232串口通讯204.1.5 TWI总线电路214.1.6 双运算放大电路214.1.7 Arduino引脚接口224.2 驱动板的电路设计234.2.1 降压稳压电路234.2.2 主动轮电机驱动电路244.2.3 抹布转动轴电机驱动电路254.2.4 电量监控电路254.2.5 显示电路264.2.6 驱动板引脚接口274.3 实物图介绍284.3.1 控制板实物图介绍284.3.2 驱动板实物图介绍294.4 本章小结325 电路板实物测试和仿真335.1 电路板的实物测试335.2 仿真测试356 结论与展望426.1 工作总结426.2 展望43参考文献44致谢45附录1
9、 硬件相关图46附录2 英文文献50附录3 英文文献翻译551 绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着二十世纪以来工业技术的快速发展，各种工业产物相继问世，在众多工业产品里面高端技术集成度最高，代表了工业最高水平的产物之一就是机器人。第一台工业机器人诞生于1962年，该机器人由美国研制和制造，机器人经历了五十多年的发展已取得显著的进步，并将在二十一世纪成为各个国家工业水平发达程度的标杆。目前，各个工业发达的国家都相继出台了相关政策以促进本国机器人的发展。美国为了在机器人行业保持领先地位，分别于2009年和2011年推出了第一版的机器人技术路线图和国家机器人计划，目的是创造更好的机器
10、人系统；2014年，欧盟为了满足经济发展对机器人技术的需求，推出了欧盟机器人研发计划；中国为了实现从“制造大国”向“制造强国”的转变，于2015年发布了中国制造2025，并在2016年发布机器人产业发展规划，从基础上强化机器人产业的能力，培养多家企业龙头1。在各个国家推出的一系列政策的推动下，必将促进机器人技术的飞跃发展，进一步改变我们的生产和生活方式。服务型机器人作为机器人的一个分支，在市场中也占据着很大的份额。中国于2006年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）中对智能服务型机器人给予了明确的定义：“智能服务机器人是在无人为干涉条件下为人类提供必要服务的集成高新技
11、术的智能化装备”，并明确指出要将其列为重点发展的前沿技术，并在2020年时要将智能服务型机器人发展为战略高新技术。2013年3月美国发布的机器人技术路线图：从互联网到机器人中提出机器人技术在服务领域、创造新市场和改善人们生活质量等方面都存在着巨大的潜力2。服务机器人是二十一世纪高新技术服务业的重要组成部分，各个国家都在此领域投入了巨大的研发精力，发展服务机器人也是我国高科技产业发展的一次重大机遇，对于提升国家竞争力具有重大战略意义，因此服务机器人的创新和发展是国家重点扶持的项目。清洁机器人作为进入人类家庭生活最普遍的机器人之一，它能够代替人类完成家庭环境的清洁，使人们解放双手，提高生活质量，是
12、服务型机器人中不可或缺的一部分。清洁机器人涉及到很多关键的科学问题，例如机构学，运动学，导航和路径规划，这些重难点是阻碍清洁机器人快速发展的原因之一3，目前国内外相关行业学者都在对其进行研究和突破。清洁机器人可以根据清洁领域细分为扫地机器人，拖地机器人，洗碗机器人和擦窗机器人。其中地面清洁机器人的研究虽然已经取得了丰富的成果，也在清洁机器人里占据了很大的市场，但是目前市场中的大量产品都存在着一些问题。首先，扫地机器人得到了很多年的发展，扫地方案和技术都较为成熟，但拖地机器人发展时间较短，水渍残留和拖地清洁程度不高的问题一直无法得到有效解决；其次，虽然市场上存在大量扫拖一体类型的清洁机器人，但是
13、大多数产品的结构和功能都相似，在拖地机器人的问题没有得到解决之前就将扫地机器人和拖地机器人合二为一，不仅水渍残留和拖地效率不高的问题无法解决，还会使耗电速度大大提高，使得扫地机器人的技术优势因为能耗问题无法发挥。1.1.2 研究目的和意义目前市面上大多数拖地机器人采用的拖地方式都是用一块抹布固定在底部，然后通过水箱渗水的方式来浸湿抹布，同时机器人进行移动从而完成拖地工作。这种拖地方式虽然能够完成拖地工作，但由于抹布接触地面的一面经过长时间的工作后会沾上灰尘，使得后半程拖地工作的清洁程度不如前半程，且由于是通过渗水来浸湿抹布的工作方式，难免会因为渗水过多导致水渍残留的问题4。为解决以上问题，本小
14、组设计了一款基于Arduino控制的拖地机器人。这款拖地机器人的抹布在底部做履带式运动，机器人内部有两个刷子对抹布的表面进行清理，并且在机器人前方有一个挤压装置，可以使抹布在经过浸水清理表面后的拖地工作中不会遗留水渍。本文主要为此款拖地机器人设计电路板，利用所学的知识和网上查找的资料，选用以Arduino Mega2560为核心控制板，运用传感器和各种元器件，通过L298N和ULN2003A电机驱动模块操控电机，从而完成拖地机器人的转向、避障、拖地和电量监控等功能。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状SANYO公司于上世纪80年代就已经对自主机器人开展了研发工作，虽然该公司没有留下占领市场的产品，但其作为扫地机器人的研究先驱，对清洁机器人的发展起到了不可替代的促进作用。经过了数十年的发展，2001年世界第一款量产并投入市场的扫地机器人才诞生，它就是由瑞典家电巨头伊莱克斯制造的“三叶虫”扫地机器人。该扫地机器人经过了几代的更迭，刚问世时有着避障效果不好的明显缺陷，经过了改进，从第二代以后的产品相较于第一代有了较大进步，可以通过放置磁条来实现禁止进入房间和避免跌落楼梯的危险。虽然该扫地机器人并不成熟，但是已经具备现代扫地机器人的基本功能5。图1.1 “三叶虫”扫地机器人 图1.2 Roomba980扫地机器人Roomba系列扫地机器人于2002年9月投放在市场上，该产
