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智能清扫机器人设计可编辑.doc
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智能清扫机器人设计可编辑.doc
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摘 要
总体方案是设计一个自主控机器人,在一个模拟的平面结构内
运动,移动机器人本体,完成自主移动、避障功能。尽快遍历每一个角
落,完成任务,这个工作受多个因素的影响。其中在现实生活中清洁机
器人清理的过程中,利用了机器人自身的传感系统、运动控制系统和
自主蔽障系统,自动记录时间系统等。整个系统的电路结构简单,可靠
性能高。实验测试结果满足要求,本文着重介绍了该系统的硬件设计
方法及测试结果分析。
采用的技术主要有:
通过编程来控制小车的速度;
传感器的有效应用;
关键词 80C51 单片机、光电检测器、PWM 调速、电动小车、舵
机
一.国内外研究现况在日本,东日本铁路公司、shinko 电器公司
和 Howa 工业有限公司联合研制了车站地面清扫机器人. 机器人可沿
墙壁从任何一个位置自动启动. 利用不断旋转的刷子将废弃物扫入白
带容器中[1]日本静甲株式会社的清水工厂开发出一种自动清扫机器
人. 可用于各种工厂的清扫工作. 机器人采用光纤陀螺控制方向. 采
用编码器和超声波传感器测距. 采用光学探测器探测障碍物 机器人的
四周装有橡胶垫. 橡胶垫内部装有触觉传感器. 一旦机器人与人接触.
触觉传感器信号会使机器人停下来 1 以保证人的安全 Br-3]这些应
用还都是用于工业或者公共的场合. 真正具有里程碑意义的是 2002
年 9 月清洁机器人‘‘Roomba”美国面市. 这是一款面向家庭的机器
人。重约 2ky 直径为 762mm30". 具有高度自主能力. 可以游走于房间
各家具缝隙间. 灵巧地完成清扫工作. 据说这是将用于军事的“躲避
地雷的移动技术,'应用到了吸尘器上。“Roomba”的动作有点迟缓.
但却能稳定 安全地完成任务 由于能够在完成任务后自动切断电源.
所以可以在外出期间让‘‘Roomba”在家进行清扫 英国 法国和澳大
利亚也都推出过清洁机器人产品 在国内,对清洁机器人相关技术如
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、动力驱动等技术的研究. 哈尔滨工业大学、华南理工大学、上
海交通大学等高校,也对清洁机器人进行了大量的研究,并取得了一
些成果,这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质和技术基
础
二. 设计思路 为了制作一个能够覆盖全区域的清洁机器人,首
先是设计一个移动的平台。为了简便起见,设计了两轮车身,两个后轮
做主动轮,主动轮用两个直流电机。从动轮用一个万向轮。清扫装置
用一个伺服电机带动一个灰尘刮和一个刷子,产生推动力达到除尘的
目的。在车身前部放置一个储存垃圾的箱体。在车身的最后还设计了
一个抹地机械手,进一步达到清洁的目的,机械手下带有洒水除尘装
置,机械手上面的水箱带有一个用伺服电机控制的门,用来控制洒水
量。车身上部安装了一个光电开关,以达到避障的作用。三.电子电路
的设计
采用一块微处理器 STC89C52 为控制系统的核心,负责控制电
机、障碍检测信号处理、舵机控制、液晶显示等。电机驱动模块采用
单片机作为电机的控制单元,使 PWM 信号的脉冲宽度实现微秒级的变
化,从而实现电机调速。单片机完成控制算法,再将计算结果转化为
PWM 信号输出到电机,由于单片机系统是一个数字系统,其控制信号
的变化完全依靠硬件计数,所以受外界干扰较小。直流电机控制,液晶
显示模块和单片机最小系统由一个电源供电。障碍检测模块用于检测
小车前进路上的障碍物,如有障碍则进行避让。液晶显示模块用于显
示当前小车运行状态。
1. 机械方案的设计
小车的驱动设计为二轮驱动。而二轮驱动又分为前轮和后轮
驱动。后轮驱动的好处是:转向性能得到改善。前轮是转向轮,使得转
向时的行驶方向容易控制,不容易出现过度转向的现象,转向安全性
也得到提高。
2. 车体结构设计
为了满足机器人的性能要求,机器人的机械结构应该具有稳定
性,运动灵活性和足够强度的特点,同时尺寸要小,容量要大,重量要
轻。清扫小车的机械结构组成部分主要有:车体的设计,传感器的安装。
为了保证小车良好的直线性,采用双电机驱动左右两轮的方式,
在车体的前端装有一个不锈钢万向滚珠,这样可以使小车获取较好的
机动性和灵活性。底盘采用铝合金框架,以增大其坚固性,减轻重量。
3. 单片机 STC89C52 的系统设计
由于 51 系列单片机在我国普及的时间比较早,开发和应用的
实例比较多,在学习编写程序时有丰富的实例可以参考和借鉴。因此,
我选择 51 系列单片机进行控制。本设计中我选用了 STC 公司的
STC89C52。
3.1 STC89C52 的特点
STC89C52 具有以下几个特点:
?STC89C52 与 MCS-51 系列的单片机在指令系统和引脚上完全
兼容;
?片内有 8k 字节在线可重复编程快擦写程序存储器;
?全静态工作,工作范围:0Hz~33MHz;
?三级程序存储器加密;
?128×8 位内部 RAM;
?32 位双向输入输出线;
?两个十六位定时器/计数器;
?五个中断源,两级中断优先级;
?一个全双工的异步串行口;
?间歇和掉电两种工作方式。
3.2 STC89C52 的功能描述
STC89C52 是一种低损耗、高性能、CMOS 八位微处理器,片内
有 8k 字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器,能重
复写入/擦除 1000 次,数据保存时间为十年。它与 MCS-51 系列单片机
在指令系统和引脚上完全兼容,不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机,
而且能使系统具有许多 MCS-51 系列产品没有的功能[5]。
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