掃地機器人的設(shè)計與實現(xiàn)內(nèi)容摘要：隨著人類開展和社會進(jìn)步，智能化在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用越來越廣泛。本文闡述了掃地機器人在無人操控的情況下完成清掃具有桌子﹑椅子﹑飲水機和茶幾的室內(nèi)地面的任務(wù)。本設(shè)計由控制模塊、感知模塊、移動模塊、清潔模塊四大模塊組成?？刂颇K由控制器局部和電源局部構(gòu)成，是整個設(shè)計的中心。感知模塊要運用到傳感器，常用的傳感器有感應(yīng)式傳感器﹑電容式傳感器﹑超聲波傳感器﹑紅外光反射傳感器﹑碰撞傳感器和感光傳感器。移動模塊一般用到的結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)式﹑輪式和履帶式及其他方式，輪式和履帶式結(jié)構(gòu)一般用于平滑的地面，而步進(jìn)式那么適合在路況較差的地面上運動。清潔模塊包括吸塵裝置﹑清掃裝置，吸塵裝置可以吸附地面上較小的垃圾以及灰塵，清掃刷可以除去地面上的頑固污漬。小車采用智能控制技術(shù)，按照規(guī)定路線在室內(nèi)行駛，具有自動發(fā)現(xiàn)垃圾并清潔地面的功能?；贏T89C51單片機和C語言小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能。關(guān)鍵字：感知移動清潔目錄1.概述1.1設(shè)計目的和設(shè)計要求1.2設(shè)計構(gòu)思2.設(shè)計原理及方案2.1模塊設(shè)計2.2工作流程2.3路徑規(guī)劃研究2.4路徑的實現(xiàn)——內(nèi)螺旋算法3.實驗及其結(jié)果4.總結(jié)與心得體會參考文獻(xiàn)掃地機器人的設(shè)計與實現(xiàn)1.概述1.1設(shè)計目的和設(shè)計要求隨著人類文明的不斷開展，科技已經(jīng)深入到了我們生活的方方面面。在當(dāng)今社會，人們的工作與學(xué)習(xí)愈加繁忙，機械自動化便順理成章地成為了社會開展的趨勢，這樣可以極大地提高工作效率。機器人假設(shè)要實現(xiàn)智能化就必須要能獨立感知外界環(huán)境并作出及時的判斷與處理，隨后觸發(fā)指令并完成相應(yīng)的動作。本次設(shè)計的要求是小車能夠在指定區(qū)域內(nèi)不留遺漏地清掃干凈地面。1.2設(shè)計構(gòu)思清潔模塊控制模塊感知模塊移動模塊清潔模塊控制模塊感知模塊移動模塊2.設(shè)計原理及方案2.1模塊設(shè)計掃地機器人由各功能模塊構(gòu)成，各功能模塊相互協(xié)調(diào)，共同作用，保證機器人的順利工作。掃地機器人的中心是控制模塊，使用了AT89C51單片機，它對其他各功能模塊進(jìn)行控制。移動模塊負(fù)責(zé)行走，由驅(qū)動電機，驅(qū)動輪和萬向輪組成，因房間地面平滑，故采用輪式結(jié)構(gòu)。感知模塊負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境的各種信息。感知模塊由傳感器構(gòu)成，傳感器的選擇取決于機器人的工作需要，機器人對傳感器的一般要求是:精度高，可重復(fù)使用，穩(wěn)定性好，不受外界干擾干擾，質(zhì)量和體積小。綜合這幾點，同時考慮到機器人對避障和清掃任務(wù)的要求，感知模塊決定采用超聲波傳感器、紅外線傳感器。清潔模塊由起塵刷、擋塵蓋、清掃電機、清掃刷、集塵室和吸塵風(fēng)機組成，由于客觀條件的限制，沒有安裝灑水裝置和擦地裝置。圖一和圖二為機械結(jié)構(gòu)圖。圖一圖一圖二圖二2.2工作流程=1\*GB3①首先啟動機器人，令其開始進(jìn)行工作。=2\*GB3②機器人開始工作后便控制吸塵裝置進(jìn)行吸塵，清掃裝置開始掃地。=3\*GB3③機器人一旦開始工作，感知模塊就開始不停地搜集周圍的信息，送入控制模塊進(jìn)行分析處理從而決定機器人的行走路徑。=4\*GB3④當(dāng)路徑規(guī)劃需要機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的時候，控制模塊便改變兩輪的速度，通過速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。該掃地機器人利用安裝的傳感器獲得房間內(nèi)部的根本信息，例如障礙物的位置，墻壁的位置，然后根據(jù)獲得的信息，采取相應(yīng)的措施，通過以單片機為核心的控制模塊進(jìn)行障礙物的判斷、避障方式選擇和前進(jìn)的實施。2.3路徑規(guī)劃研究所謂機器人路徑規(guī)劃技術(shù)，就是機器人根據(jù)自身的傳感器對環(huán)境的感知，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，在起點和終點之間規(guī)劃出一條與障礙物無碰撞的路徑。路徑規(guī)劃可分為兩類，一種是傳統(tǒng)的從起點到終點的路徑規(guī)劃，它的目標(biāo)是找到一種兩點間的最優(yōu)路徑，其中包括路程最短，耗時最少，耗能節(jié)約等方面，并且使機器人能正常運行并避開障礙物；另一種是完全遍歷路徑規(guī)劃，這是一種在平面工作范圍中特殊的路徑規(guī)劃，指在滿足某種前提下，找到一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從起點到終點且經(jīng)過所有可到達(dá)點的連續(xù)路徑。對于掃地機器人來說，由于它要將整個房間清掃干凈，這就要求它要走遍房間的每一個角落，所以這與一般的移動機器人路徑規(guī)劃不同，它要按照一定的軌跡來運動，同時具有運動的遍歷性和不重復(fù)性。遍歷性指的是機器人要盡可能地走遍所有需要清掃的區(qū)域。它反映了機器人的實效性。不重復(fù)性指的是機器人的行走路線應(yīng)盡量防止重復(fù)。它反映了機器人的工作效率的上下。同時我們希望路徑是連續(xù)的、不間斷的;機器人能避開所有障礙;清潔機器人行走的總距離和時間最小，以到達(dá)最小的能量消耗。在本設(shè)計中，我采用的是完全遍歷路徑規(guī)劃，機器人不必去探測垃圾的具體位置，只需走遍房間的每個角落即可，發(fā)現(xiàn)有垃圾便清潔即可。2.4路徑的實現(xiàn)——內(nèi)螺旋算法內(nèi)螺旋算法是讓機器人沿墻壁移動，進(jìn)行內(nèi)螺旋式“回”字型路徑規(guī)劃，內(nèi)收縮式的清掃，如圖三。圖中箭頭表示前進(jìn)方向，直線表示行進(jìn)路線。在清掃過程中遇到障礙物時，清潔機器人的正常軌跡就會中斷，進(jìn)入繞障礙的程序，繞障結(jié)束后回歸原來的軌跡。同時清潔的軌跡需要依據(jù)一定的規(guī)那么來限定。本路徑規(guī)劃易于實現(xiàn)較大的覆蓋率。這種方法簡單，滿足了遍歷性和不重復(fù)性的要求。在整個行進(jìn)過程中，機器人是從外向內(nèi)運動的。機器人的初始位置是靠墻的。自起點開始，采用“回”字型內(nèi)螺旋式進(jìn)行清掃，沿順時針方向繞房間沿墻行走，每轉(zhuǎn)一周與墻邊距離增加一個車身的寬度，直至走到房間中心，機器人在每一周的直線運行過程中要保持與墻不變的距離，當(dāng)遇到障礙物時就繞過障礙物。具體流程如圖四圖三內(nèi)螺旋算法示意圖開始開始按照按照“回”字型內(nèi)螺旋方式進(jìn)行清掃是否遇到障礙物是否遇到障礙物否是繞開障礙物否繞開障礙物是否清掃完所有區(qū)域是否清掃完所有區(qū)域圖四內(nèi)螺旋方式流程圖是結(jié)束清掃工作結(jié)束清掃工作3.實驗及其結(jié)果為了驗證方案的可行性，選擇一個房間進(jìn)行實驗，檢驗機器人是否能按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑行走且能夠成功避障直到完成清掃任務(wù)。同時，通過實驗，對機器人的硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)電路和控制程序的正確性做進(jìn)一步驗證。機器人在走直線和轉(zhuǎn)彎時均有一定偏差，此外還有漏掃的情況，經(jīng)分析和處理后機器人根本可以完成任務(wù)。4.總結(jié)與心得體會在這次設(shè)計中，我親自動手制作了機器人，令其完成清潔工作看似是一件容易的事情，但是實際的過程中遇到了很多麻煩。對于出現(xiàn)的各種情況，我采取了相應(yīng)的方法。首先要考慮的就是機器人應(yīng)該分成哪幾個局部，掃地只是它的功能，為此那么需要多個模塊來共同實現(xiàn)，首先要有清掃工具，，移動依靠輪子，為了防止撞到墻壁和障礙物那么需要傳感器做出感應(yīng)，所有這一切都需要控制器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排。在考慮路徑規(guī)劃時，我查閱了一些資料，其中包括自由空間法，柵格法等，但是這些方法要么需要較大的內(nèi)存空間，要么對傳感器的要求非常高，或者有一些其他的要求，這些要求客觀上都不太容易滿足，權(quán)衡各方面因素，我最終選擇了內(nèi)螺旋法。在實驗的過程中，機器人在走直線的時候存在偏差，在程序中設(shè)置的兩個輪子理想的行駛速度是一致的，但是兩個輪子的大小不可能完全一樣，電機的驅(qū)動可能也稍有差異。機器人在轉(zhuǎn)彎的時候不能到達(dá)90度，這與硬件有關(guān)，可能也受到地面摩擦的影響，我不斷調(diào)整兩輪速度大小以及持續(xù)時間從而到達(dá)理想的效果。地面上的某些區(qū)域是機器人沒有能夠清掃到的，我發(fā)現(xiàn)機器人離障礙還有較遠(yuǎn)的距離時就開始躲避障礙，這應(yīng)該是傳感器感知障礙的距離的設(shè)置有問題，將距離適當(dāng)設(shè)小一些就能讓機器人根本上清掃到所能清掃的所有區(qū)域。另外，程序本身也有一定問題，機器人顯得不夠靈活，應(yīng)該是各個模塊之間的協(xié)同性不夠好，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，各個模塊之間可以較好的配合。機器人在改良后根本上能到達(dá)了預(yù)期的實驗效果。通過實驗我明白了理論和實際是有偏差的，設(shè)計程序時要考慮到硬件和客觀環(huán)境這些因素的影響。這次實驗是讓我把理論知識勇于實踐當(dāng)中，