機(jī)械電子學(xué)課程作業(yè)

類別標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)實(shí)得分?jǐn)?shù)

平時(shí)

專業(yè)：精密儀器及機(jī)械成績(jī)

課程名稱:機(jī)械電子學(xué)作業(yè)

學(xué)號(hào):______________________成績(jī)

姓名:______________________總分100

完成時(shí)間:_____________________授課教師

簽字

掃地機(jī)器人（自動(dòng)打掃機(jī)）的設(shè)計(jì)方案

1.緒論

隨著現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏的加快，人們或忙于工作，或享受生活，時(shí)間越來(lái)越

寶貴，所以不會(huì)把它浪費(fèi)在整理家務(wù)和打掃衛(wèi)生方面。收入水平的不斷提高使得

人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，高品質(zhì)的生活首先要保證居住環(huán)境的干凈衛(wèi)

牛，因此大家渴望找到一種機(jī)器人，能夠智能的打掃房間衛(wèi)牛C

機(jī)器人作為人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，在短短的幾十年內(nèi)發(fā)生了日新

月異的變化。近幾年機(jī)器人已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有代表性的戰(zhàn)略目標(biāo)。機(jī)器人

技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對(duì)人類

社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)

展。從自動(dòng)化生產(chǎn)線到海洋資源的探索，乃至太空作業(yè)等領(lǐng)域，機(jī)器人可謂無(wú)所

不在。目前機(jī)器人己經(jīng)走進(jìn)人們的生活與工作，機(jī)器人已經(jīng)在很多的領(lǐng)域代替著

人類的勞動(dòng)，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，人們已經(jīng)離不開(kāi)機(jī)器人的幫助。機(jī)器人

工程是一門(mén)復(fù)雜的學(xué)科，它集工程力學(xué)、機(jī)械制造、電子技術(shù)、技術(shù)科學(xué)、自動(dòng)

控制等為一體。目前市機(jī)器人的研究已經(jīng)呈現(xiàn)出專業(yè)化和系統(tǒng)化，一些信息學(xué)、

電子學(xué)方面的先進(jìn)技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。

目前機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展與30年前的電腦行業(yè)極為相似。今天在汽車裝配線

上忙碌的一線機(jī)器人，正是當(dāng)年大型計(jì)算機(jī)的翻版。而機(jī)器人行業(yè)的利基產(chǎn)品也

同樣種類繁多，比如協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行外科手術(shù)的機(jī)械臂、在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上

負(fù)責(zé)排除路邊炸彈的偵查機(jī)器人、以及通過(guò)編譯程序使其能做整套表演動(dòng)作為舞

蹈機(jī)器人，還有不少參考人、狗、恐龍等動(dòng)物的模樣制造機(jī)器人玩具。

掃地機(jī)器人，又稱自動(dòng)打掃機(jī)、智能吸塵、機(jī)器人吸塵器等，是智能家用電

器的一種，能憑借一定的人工智能，自動(dòng)在房間內(nèi)完成地板清理工作。一般采用

刷掃和真空方式，將地面雜物先吸納進(jìn)入自身的垃圾收納盒，從而完成地面清理

的功能。一般來(lái)說(shuō)，將完成清掃、吸塵、擦地工占的機(jī)器人，也統(tǒng)一歸為掃地機(jī)

器人。掃地機(jī)器人也是當(dāng)下比較流行的一種機(jī)器人，隨著不斷的研究發(fā)展智能化

大幅度提高，能夠自我定位、感應(yīng)障礙物、規(guī)劃路徑以及自動(dòng)充電。

2.掃地機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)

綜合考慮經(jīng)濟(jì)型和先進(jìn)性的原則，參考淘寶網(wǎng)在售產(chǎn)品，我選擇了一款掃地

機(jī)器人以作對(duì)比，實(shí)物如圖2.1所示。該產(chǎn)品采月革命性清掃系統(tǒng)，真空龍卷大

吸力（普通機(jī)器人的5倍），無(wú)毛刷設(shè)計(jì)，首創(chuàng)滾筒吸取器，將適配器與座充合

二為一（簡(jiǎn)約、美觀而且不占空間），零部件高度模塊化，可自由拆卸更換，垃

圾盒、獨(dú)立濾網(wǎng)倉(cāng)方便抽取和清理。

02.1掃地機(jī)器人實(shí)物仰視圖

其技術(shù)指標(biāo)如下所示:

適用面積(布)150根據(jù)家居環(huán)境而定

額定電壓(V)220

額定功率《V)33

最大功率《V)33

產(chǎn)品重量(kg)3.8

產(chǎn)品尺寸(mm)353*92

包裝尺寸(mm)483*546*127

環(huán)境類型干用

過(guò)濾級(jí)別醫(yī)療級(jí)別

噪音(db)<67

集塵容量(L)0.6

充電類型自動(dòng)充電

控制方式遙控

充電時(shí)間3小時(shí)

連續(xù)使用時(shí)間2小時(shí)

自動(dòng)充電支持

液晶屏有

虛擬墻支持

定時(shí)預(yù)約定時(shí)一次

自救功能支持

全、有效、可行的路徑。具體到智能掃地機(jī)器人，已知條件是傳感器感知的外界

參數(shù)，限制條件即室內(nèi)活動(dòng)范圍，任務(wù)要求機(jī)器人以低重復(fù)率遍歷環(huán)境中全部非

障礙區(qū)，滿足這種任務(wù)要求的路徑規(guī)劃也稱全覆蓋路徑規(guī)劃。覆蓋路徑規(guī)劃不僅

在智能掃地機(jī)器人領(lǐng)域有所應(yīng)用，在油漆噴涂、操場(chǎng)除草、路面鋪瀝青、智能犁

地甚至戰(zhàn)場(chǎng)排雷、海底探測(cè)諸多涉及“全覆蓋”概念的軍民技術(shù)都有重要意義。

與路徑規(guī)劃概念相對(duì)的還有隨機(jī)路徑行進(jìn)，即指機(jī)器人以隨機(jī)嘗試的方式覆蓋空

間，當(dāng)然效率和質(zhì)量不如規(guī)劃方法。隨機(jī)路徑和規(guī)劃路徑應(yīng)用場(chǎng)合區(qū)別在于是否

對(duì)周圍環(huán)境已知，如果不能建立環(huán)境地圖，就無(wú)法進(jìn)行規(guī)劃，就只能采用隨機(jī)路

徑。故而環(huán)境地圖建立也是路徑規(guī)劃的一個(gè)必要前提。雖然機(jī)器人路徑規(guī)劃已經(jīng)

得到了多領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)注，但是至今智能掃地機(jī)器人仍沒(méi)有最佳的路徑規(guī)劃方

案。這是由于智能掃地機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)決定的:環(huán)境的不確定性，即大部

分區(qū)域?yàn)殪o態(tài)，局部地區(qū)為動(dòng)態(tài)。這樣要求機(jī)器人在規(guī)劃繞過(guò)障礙的前提下，還

有自主避障的能力。

目前關(guān)于智能掃地機(jī)器人的全覆蓋規(guī)劃方法多種多樣，各有優(yōu)劣，主要的方

法可以分為:隨機(jī)覆蓋法、單元域分割法、模板匹配法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

隨機(jī)覆蓋法是目前中低檔智能掃地機(jī)器采用的主要邏輯。所謂隨機(jī)覆蓋法，

并非是指機(jī)器人亳無(wú)章法的在地板上隨機(jī)移動(dòng)，換言之在工程操作中“隨機(jī)”也

是一個(gè)難以達(dá)到要求，隨機(jī)覆蓋法是指機(jī)器人根據(jù)簡(jiǎn)單的移動(dòng)邏輯，如三角形、

五邊形軌跡嘗試性的覆蓋作業(yè)區(qū)，如果遇到障礙，則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向函數(shù)。這種

方法是一種以時(shí)間換空間的低成本策略，如不計(jì)時(shí)間可以達(dá)100%覆蓋率。它無(wú)

需了解整個(gè)作業(yè)區(qū)全貌，也不用依賴過(guò)多的傳感器，處理器運(yùn)算量也很小，是一

種性價(jià)比很高的方案。但是，隨機(jī)覆蓋算法因?yàn)辄S略簡(jiǎn)單，面對(duì)復(fù)雜地形經(jīng)常出

現(xiàn)BUG,造成機(jī)器人陷入死區(qū)，即在某個(gè)區(qū)域來(lái)回打轉(zhuǎn)。

單元域分割法顧名思義，即是將整個(gè)作業(yè)區(qū)根據(jù)尺寸和障礙物位置等地形特

征分割為若干不重合的單元域，在每個(gè)單元域內(nèi)單獨(dú)執(zhí)行覆蓋規(guī)劃，最后按照最

優(yōu)邏輯順序鏈接各個(gè)區(qū)塊的方法。分割策略是單元域分割法的第一個(gè)關(guān)鍵，最理

想狀態(tài)即是所有障礙物均處在單元域的邊界，這樣在單元域的中心可以進(jìn)行高效

的連續(xù)覆蓋。實(shí)際應(yīng)用中一般都以單獨(dú)房間或明顯具有封閉性的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)單元

域，單元域的尺寸過(guò)大或者過(guò)小都沒(méi)有意義。單元域法的第二關(guān)鍵即是各個(gè)單元

域的鏈接。一個(gè)單元域完成覆蓋后，如果只有一個(gè)單元域相鄰，則以其為下一個(gè)

覆蓋作業(yè)目標(biāo)，如果有多個(gè)單元域則按照一定邏輯判選下一單元，如沒(méi)有未覆蓋

的單元域則返回上一單元域直至有未覆蓋的子單元域。這種方法針對(duì)一些多房間

的場(chǎng)合效果最好，對(duì)于連續(xù)空間也可以提升運(yùn)算速度。

本文設(shè)計(jì)的掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃方面采用隨機(jī)覆蓋法和單元區(qū)域分割法相

結(jié)合的形式。

隨機(jī)覆蓋法是本機(jī)器人路徑規(guī)劃的方法之一，主要原因有如下諸點(diǎn)：

(1)隨機(jī)覆蓋法原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)；

(2)不會(huì)對(duì)硬件和軟件上增加額外的負(fù)擔(dān)；

(3)在定位失效的情況下，通過(guò)冗余的覆蓋依I日可以完成任務(wù)；

(4)智能選擇隨機(jī)覆蓋法的基本移動(dòng)邏輯可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性更強(qiáng)的覆蓋法。

單元區(qū)域分割法亦是本機(jī)器人路徑規(guī)劃方法之一，主要原因有如下諸點(diǎn)：

(1)室內(nèi)清掃任務(wù)區(qū)域性特征突出適合單元區(qū)域分割法；

(2)單元區(qū)域分割可以減少規(guī)劃任務(wù)量，化整為零減少軟件的緩存壓力：

(3)單元區(qū)的分割策略可以根據(jù)智能識(shí)別技術(shù)，也可以根據(jù)模板比對(duì)；

(4)單元區(qū)內(nèi)部以智能隨機(jī)覆蓋法清掃，單元區(qū)之間以“一筆畫(huà)”問(wèn)題模型

實(shí)現(xiàn)。

3.3地圖建立方案

地圖建立的備選方案有:拓?fù)涞貓D、特征地圖、柵格地圖。柵格地圖作為本

機(jī)器人的地圖建立方案，主要原因有如下諸點(diǎn)：

(1)柵格適合數(shù)字化，便于與規(guī)劃算法程序結(jié)合；

(2)柵格地圖存儲(chǔ)的地形信息全面，為路徑規(guī)劃提供足夠數(shù)據(jù)；

(3)柵格化地圖便于局部更新修改。

拓?fù)涞貓D不適合選作本機(jī)器人地圖建立方案，主要因?yàn)橥負(fù)涞貓D包含信息量

過(guò)于簡(jiǎn)略不能滿足路徑規(guī)劃的基本需要。特征地圖不適合選作本機(jī)器人地圖建立

方案，主要因?yàn)樘卣鞯貓D包含的特征信息與智能掃地機(jī)器人路徑規(guī)劃需要的數(shù)據(jù)

不對(duì)口。

4.掃地機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)

4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖4.1掃地機(jī)器人俯視圖

使用SulidWsks2013繪制了掃地機(jī)器人裝配體，它采用圓餅形設(shè)沖(如圖

4.1所示），最大限度的減小運(yùn)動(dòng)路徑所占面積，保證能夠清潔一些狹窄的角落;

采用較高強(qiáng)度的塑料外殼，既減小了自身的重量乂具有防碰撞和跌落的特性。

運(yùn)動(dòng)部分采用三輪結(jié)構(gòu)（如圖4.2所示），保證了機(jī)身的穩(wěn)定性，后輪為一

個(gè)萬(wàn)向輪，前輪為兩個(gè)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，有兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)配套有光電編碼

器。通過(guò)改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制線，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行和任意

角度轉(zhuǎn)向操作。

圖4.2掃地機(jī)器人仰視圖

清潔方面有一對(duì)表面覆蓋虛實(shí)胎紋的滾筒（如圖4.3所示）和無(wú)毛刷結(jié)構(gòu)（如

圖4.4所示）組成，采用抽吸和滾掃相結(jié)合的清打方式。

圖4.3防纏繞吸取器

一對(duì)表面覆蓋虛實(shí)胎紋的滾筒，一路對(duì)向高速轉(zhuǎn)動(dòng)；軟膠富足的彈性零距離

貼地旋轉(zhuǎn)，保持真空態(tài)勢(shì)；每一個(gè)胎而虛實(shí)胎紋交錯(cuò)，實(shí)紋巧妙的設(shè)計(jì)成150

度菱形胎紋，專攻頑固污物，舌”取、震碎、虛紋趁勢(shì)連根拔起，高效馬達(dá)與真空

氣流增強(qiáng)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)力。摒棄傳統(tǒng)滾刷設(shè)計(jì)，采月滾筒吸取器。高檔耐磨橡狡材

質(zhì)，鋸齒狀胎面設(shè)計(jì)，高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可強(qiáng)力分解碎屑，斬?cái)嗝l(fā)，徹底解決纏

繞難題。杜絕傳統(tǒng)吸塵口吸力多處散失弊端，完全密封通道設(shè)計(jì)?？杉铀贇饬魍?/p>

吸取器，直達(dá)垃圾盒，最大限度減少吸力散失。全新定制的大功率吸塵馬達(dá)，全

面提高吸塵動(dòng)力，優(yōu)化清掃效率。

無(wú)毛刷結(jié)構(gòu)可以最大限度的增加清潔周期，只需3-4個(gè)月清理一次。

圖4.4無(wú)毛刷結(jié)構(gòu)

4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4.5所示，其核心是一片ST公司的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)IC

L298NoL298N芯片內(nèi)含兩個(gè)全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者一

個(gè)兩相四線步進(jìn)電機(jī)。邏輯輸入部分加入TLP521-4光電隔離IC,更好的保護(hù)控

制器；模塊最大輸入電壓為40V,單路峰值電流為3A,持續(xù)2A,最大功率25肌

直插式IC背貼散熱片，有效避免了芯片過(guò)熱；邏輯端輸入端采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平

控制，并設(shè)有兩個(gè)使能端ENA'ENB,用來(lái)允許、禁止器件工作。工作溫度范圍在

-25℃到130℃之間。

電機(jī)為48:1直流減速電機(jī)，8.4V零負(fù)載實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速0.75m/s°

L298N電路對(duì)外有如下接口：

IN1-IN4:邏輯輸入端，其中INI、IN2控制電機(jī)Ml；IN3、IN4控制電機(jī)

M2。通過(guò)改變高電平的占空比調(diào)速。

ENA、ENB:L298N使能端（高電平有效，默認(rèn)短接到VCC,可通過(guò)這兩

個(gè)端口實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速（使用PWM調(diào)速時(shí)取下跳線帽）。

VCC/GND:邏輯控制部分供電，可以用控制器的5V/3.3V來(lái)供電。

VIN/GND:電機(jī)供電電源接口，VIN、GND分別接電源正、負(fù)極。

Ml、M2:電機(jī)線接口。

4.3光電編碼器

直流減速電機(jī)配套有一只兩路增量光電編碼器用于測(cè)速和計(jì)算里程。光電編

碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的

器件。光電編碼器由光柵盤(pán)、發(fā)光器、光電檢測(cè)和整形電路四部分構(gòu)成。光柵盤(pán)

又稱碼盤(pán)，是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同

軸固定，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中碼盤(pán)上的長(zhǎng)方形

孔依次經(jīng)過(guò)發(fā)光器和光電檢測(cè)電路中間，光電檢測(cè)電路依次輸出脈沖。增量編碼

器的每一個(gè)脈沖即表示電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度。輸出的這個(gè)脈沖的邊沿陡峭和電平

高低可能不滿足后端電路的需要，一般還要進(jìn)行整形電路整形。該光電編碼器采

用槽型紅外對(duì)射管，波形調(diào)理采用74HC14施密特觸發(fā)器，除去波形毛刺抖動(dòng)。

兩路輸出分別接有一個(gè)LED指示燈，LED的閃爍與編碼器的脈沖一致。

4.4傳感探測(cè)子系統(tǒng)

傳感探測(cè)子系統(tǒng)包含：2+n紅外測(cè)距模塊組、四向超聲波檢測(cè)電路、陀螺儀

與加速度計(jì)模塊。2+Ji紅外測(cè)距模塊組由2個(gè)固定的紅外測(cè)距傳感器（即2+n

中的2）和一個(gè)安裝在舵機(jī)云臺(tái)上可180°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)（即2+兀中的口）的紅外測(cè)距

傳感器組成。四向超聲波檢測(cè)電路包含四個(gè)固定在機(jī)體四個(gè)頂角的超聲波接收探

頭和四套超聲波信號(hào)調(diào)理電路。調(diào)理電路以TLO74為核心運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)了隔

直濾波和信號(hào)放大功能。激光、紅外接收管的基本原理是光伏效應(yīng)和逆光伏效應(yīng)。

即指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)

象。在光敏三極管器件上光照即產(chǎn)生了基極電流，導(dǎo)通了三極管，使得射級(jí)輸出

有電壓，在配合外圍電路將輸出電壓調(diào)整為T(mén)TL電平。為了提升接收的靈敏度和

減少干擾，一般都會(huì)增加一個(gè)對(duì)應(yīng)接收中心光譜的光學(xué)濾鏡。本機(jī)器人的激光接

收管安裝在機(jī)體前端，高度與激光阻擋器的發(fā)射器一致，用于檢測(cè)阻擋器上發(fā)射

管發(fā)出的激光。當(dāng)檢測(cè)到激光射入時(shí)，接收管的輸出5V電平，此時(shí)系統(tǒng)判斷前

方為不可進(jìn)入的區(qū)域。紅外接近開(kāi)關(guān)的原理是反射法，即根據(jù)反射波的能量大小

反應(yīng)波走過(guò)的距離，接收時(shí)也使用基于光伏效應(yīng)的紅外接收管。PCB上的兩個(gè)電

位器分別用于調(diào)節(jié)紅外發(fā)射管限流電阻和接收管的射級(jí)偏置電阻，從而分別改變

發(fā)射紅外的強(qiáng)度和接收紅外的靈敏度，等同于接近判斷閩值，這個(gè)距離值閩值最

小為10cm,最大90cm。紅外接近開(kāi)關(guān)安裝在機(jī)體的前端外緣側(cè)，當(dāng)障礙物接近

機(jī)體距離小于15cm,紅色指示燈燈亮起，檢測(cè)端輸出5V電平。

4.5充電基地設(shè)計(jì)

圖4.6充電基地設(shè)計(jì)實(shí)物圖

充電基地設(shè)計(jì)如圖4.6所示，主要包括基地控制器MSP430G2553最小系統(tǒng)、

超聲波發(fā)射模塊、鋰電池充電電路?；仉娫粗苯佑?2v電源適配由220V市電

取電。

充電基地的任務(wù)復(fù)雜度、實(shí)時(shí)性都不高，應(yīng)盡量選擇低成本的控制器。故系

統(tǒng)選擇了TI公司的MSP430系列的G2超值系列16位超低功耗混合信號(hào)處理器作

為控制器，其特點(diǎn)如下：

(1)處理能力優(yōu)越:MSP430系列是16位，精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)單片機(jī)，其

中G2系列主頻可高達(dá)16MHz。某些型號(hào)還具有多功能硬件乘法器、硬件乘加功

能、DMA等一系列先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)，大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，可以高效地

完成各類數(shù)字模擬信號(hào)的處理任務(wù)。

(2)片上資源豐富:MSP430系列單片機(jī)擁有幾百種型號(hào)可供選擇，片上功能

模塊十分豐富。不同型號(hào)組合了以下功能單元模塊:模擬比較器、通用定時(shí)器、

基本定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位〃12位〃16位ADC,

12位DAC,USART,12c總線、SPI總線、DMA控制器、Flash控制器等。

(3)超低功耗:MSP430系列單片機(jī)采用1.8}3.6V低電壓供電，RAM數(shù)據(jù)保持

方式下電流僅0.1uA,活動(dòng)模式耗電250uA,10輸入端口的最大漏電流SonAo

MSP430有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能模塊所需的時(shí)鐘,

通過(guò)控制指令可以關(guān)閉相應(yīng)的時(shí)鐘，從而關(guān)閉指定功能模塊。系統(tǒng)還具有多種低

功耗模式，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)總功耗的有效控制。

圖4.7MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部框圖

MSP430G2553最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、穩(wěn)壓電源。因?yàn)槌潆娀厝?/p>

務(wù)速度和時(shí)間精度要求不高，故采用內(nèi)部DC0(數(shù)控振蕩器)為時(shí)鐘。穩(wěn)壓電源和

復(fù)位電路同STM32F103Z的最小系統(tǒng)。

該模塊包含基于微控制單元、基于運(yùn)放芯片的TL074信號(hào)調(diào)理單元和基

于電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232的發(fā)射驅(qū)動(dòng)單元。FM8PS53單片機(jī)內(nèi)部集成有定時(shí)器，

帶有一個(gè)4MHz的石英晶振，能夠?qū)崿F(xiàn)40KHz脈沖生成、記錄超聲波時(shí)差、實(shí)現(xiàn)

模塊的通信規(guī)則。超聲波的產(chǎn)生是由周期性的對(duì)超聲波發(fā)生振子頭進(jìn)行電壓激勵(lì)

產(chǎn)生的，這個(gè)激勵(lì)的功率與超聲波的能量成正比，而單片機(jī)通過(guò)10輸出的電壓

是固定3.3V,最大驅(qū)動(dòng)電流也只有3mA,功率約10mW,通過(guò)電平轉(zhuǎn)換可以抬升

電壓至13.2±0.3V,最大驅(qū)動(dòng)電流65mA（實(shí)際受到所選振子交流阻抗的限制，

輸出電流不會(huì)大于10mA,最大驅(qū)動(dòng)能力大幅提升。為了方便總控制對(duì)模塊進(jìn)行

操作，單片機(jī)內(nèi)有一段程序用于檢測(cè)超聲波啟動(dòng)發(fā)射命令和返回超聲波測(cè)距結(jié)

果。TL074構(gòu)成的一系列電路與四向超聲波檢測(cè)原理相同，用于檢測(cè)、調(diào)理超聲

波接收器接收的超聲波返回信號(hào)。

4.6路徑規(guī)劃模塊

圖4.9路徑規(guī)劃示意圖

如圖4.9所示，路徑規(guī)劃模塊實(shí)現(xiàn)的效果如下，沿墻邊和角落清掃，不會(huì)損

壞易碎物件，可以清掃家具四周，探測(cè)污垢后重點(diǎn)處理集中區(qū)域，而旦不會(huì)從樓

梯上跌落，徹底清掃每一個(gè)房間后，才會(huì)移動(dòng)至下一個(gè)房間繼續(xù)清掃，多次反復(fù)

清掃地板每個(gè)區(qū)域，清掃家具底下，有效清掃各種地板表面。

4.7外殼的有限元分析

由于掃地機(jī)器人不大，很容易被人或家里的寵物踩到，那么必須要考慮它能

否承受得住這種壓力，下面模擬掃地機(jī)器人局部被重物壓住，做了有限元分析，

驗(yàn)證機(jī)器人能否被壓壞，如圖4.10所示。

假設(shè)掃地機(jī)器人被30Kg的物體壓中，用ansys對(duì)掃地機(jī)器人上殼進(jìn)行了有

限元仿真。根據(jù)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)面板中的最大應(yīng)力為270,小于材料的屈服強(qiáng)度,

掃地機(jī)器人不會(huì)被壓壞。

1

ELEMENTSOLUTION

JAN192015

STEP-120:21:09

SUB=1

TIME=1

SEQV<NOA5

DMX=.311727

SMN-.004878

SMX=11.293

.004878

1.2593.7686.2768.78511.293

圖4.10掃地機(jī)器人上殼應(yīng)力分布圖

5.總結(jié)

世上無(wú)難事，只要肯登攀，歷時(shí)兩個(gè)周，早起晚睡加班加點(diǎn)終于完成了機(jī)械

電子學(xué)大作業(yè)，此刻回想本次掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，收獲良多，受益匪淺。

為了完成這次的設(shè)計(jì)，我給自己制定了計(jì)劃，每天完成一定的設(shè)計(jì)任務(wù)，這樣才

保證了作業(yè)的按時(shí)完成。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中不乏有困難，每一個(gè)模塊都會(huì)遇到或大

或小的問(wèn)題，好在養(yǎng)成了積極解決問(wèn)題的好習(xí)慣，那么我主要是通過(guò)查閱論文文

獻(xiàn)資料、去圖書(shū)館尋找相關(guān)書(shū)籍、和教研室小伙伴們討論以及利用網(wǎng)絡(luò)資源搜索

等方式來(lái)排除障礙的，我很感謝這段寶貴的經(jīng)歷，因?yàn)樗粌H讓我對(duì)學(xué)術(shù)研究方

面所必須的工具有所了解，而且再一次鍛煉了解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

這次設(shè)計(jì)我是按照這樣的步驟進(jìn)行下去的，首先，根據(jù)對(duì)淘寶網(wǎng)上面在售的

掃地機(jī)