清洁机器人系统设计 - 图文(3)

图1.3 “三叶虫”

20世纪90年代，美国就推出了地面清洁机器人 RoboScrub，该机器人配有激光导航系统，采用超声波测距和避障，用光码条实现定位。2002年９月清洁机器人＂Roomba”在美国面市，运用人工智能运转与导航侦测技术，搭配独有的真空吸孔与旋转刷，清洁效果特别好。它具有高度自主能力，可以游走于房间各家具缝隙间，灵巧地完成清扫工作。只要按下开关，Roomba就会全自动在指定的区域吸尘打扫，碰到障碍物会自动躲避，遇到楼梯或台阶也会自动侦测而不会掉下去。同时，Roomba会自主规划路线对家庭地面进行清洁。由于能够在完成任务后自动切断电源，所以在外出期间可以让Roomba在家进行清扫。如图1.4所示。

图1.4 iRobot公司的Roomba

1.2.2 国内产品研究现状

在国内，哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等也对清洁机器人进行大量的研究并取得了一些成果。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则更多，这些都为清洁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

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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。

浙江大学于1999年初在浙江大学机械电子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。

目前国内的科沃斯、福玛特、海尔等公司已经相继推出他们的清洁机器人产品。现在市场上，海尔公司的SWR-C1清洁机器人在功能上相对比较健全。它具有五大功能：定时预约清扫、智能远程操控、虚拟墙分区清扫、智能防跌撞、智能回归充电。它能够设定时间对清扫区域进行清扫，同时可以通过配置红外线虚拟器，阻止机器人进行无需清扫区域，实现清扫的目的。如图1.5所示。

图1.5 海尔公司的SWR-C1

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1.3 论文构成及研究内容

本文主要内容是清洁机器人系统设计，主要完成了控制部分软硬件的设计，其中包括硬件控制电路的设计，以及相应的软件程序的编制、调试。

主要内容安排如下：

第一章阐述了智能清洁机器人的相关概念，分析了清洁机器人国内外的研究 动态和发展趋势，提出了课题的研究背景、意义和主要内容。

第二章对清洁机器人的设计方案比较以及对总体设计进行了说明，包括整个机电系统的结构组成和工作原理。

第三章对清洁机器人的硬件控制电路进行了详细的设计，包括单片机系统、传感器器系统、电机驱动电路以及主要控制芯片的介绍等。

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2 清洁机器人的总体设计

2.1 总体设计方案比较论证

方案一：采用组合逻辑电路控制清洁机器人运行

利用数字电路知识用各种逻辑电路搭建出清洁机器人的控制系统，对车速和车的行进方向进行控制，再利用红外对管实现避障和对台阶的检测，以及利用逻辑电路控制电机驱动，从而达到并实现题目要求和发挥。这种方案下，所有控制电路都要手工制作，非常复杂，规模大不易实施，而且这种控制电路精度不高，反应不够灵敏，可行性差。

方案二：采用智能控制器控制清洁机器人运行

利用控制芯片作为智能小车的核心控制系统，例如单片机、FPGA和DSP等等。用控制芯片控制清洁机器人的系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，适应科技先进性，而且各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

因此，采用方案二作为智能小车的控制系统。 2.2 核心模块方案设计

控制系统的核心模块也就是控制器，是小车的大脑，主要用于传感器信号的接收、辨认和处理、以及对电机控制等。下面列出三种控制器的选择方案：

方案一：采用先进的FPGA编程控制器件。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案二：采用DSP编程控制器件。

DSP因为数字处理与通信领域的空前发展而近显火爆，应用面很广泛，DSP

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主要是面对数字信号方面的处理，其针对性有速度快，精度高等优点，但是，而DSP强调的是较大的数据处理能力,如在运行控制,图像处理等方面，占有较大优势，而在这个智能车小系统中则没有必要使用如此精确的控制器件，而且价格方面也不低，固不宜采用。

方案三：采用单片机编程控制器件。

用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统控制器，单片机也叫单片微型计算机，在控制领域应用非常广泛，具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性等优点，是小型控制系统的首选。而且单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。

本系统属于小型控制系统，用单片机作为控制芯片非常合适，因此采用方案三。 2.3 避障模块方案设计

方案一：采用超声波传感器。

利用超声波的特性实现对障碍墙壁的测量和有效规避，超声波传感器波的发射角小，检测灵敏度高，但是超声波传感器使用成本不低，而且不能体现设计才能，不宜采用。

方案二：采用激光传感器。

通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，这在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。激光测距虽然原理简单、结构简单，但是因为激光测距传感器售价太高，不适合自主设计使用。

方案三：采用红外对管传感器。

用红外对管传感器采集信息，以红外线为介质测量判断障碍，从而达到避障的效果。它的优点是消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，制作也比较简单。 因此，方案三在小系统中非常适用，采用方案三。 2.4 清洁机器人系统的整体构架

整体设计方案的系统框图如图2.1所示

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