扫地机器人原理及实现【精选文档】.doc

扫地机器人结构及控制系统设计 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、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。 本文所介绍的自动清扫机器人的总体布局方案如图1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： 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2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： 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： 设计行走功能模块程序设计系统选用了图 3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: 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30 cm 的矩形区域需