緒論1.1研究背景智能避障清潔機(jī)器人[1]，是一種智能掃地，吸塵工具。是一種攜帶了微系統(tǒng)的使用電源為動(dòng)力的電動(dòng)清潔工具，它能夠依照人們的意愿來編寫程序，經(jīng)過設(shè)置后完成清潔室內(nèi)房間的目的。智能避障清潔機(jī)器人于美國最早開始發(fā)展，在一段時(shí)間后發(fā)展到歐美，在港澳臺掀起一股潮流，大約在90年代中期中國開始發(fā)展。人類的一只腳已經(jīng)邁入了機(jī)器人時(shí)代[2]的大門，中國10年內(nèi)機(jī)器人將融入市民日常生活，機(jī)器人將和汽車一樣成為生活必需用具。智能避障清潔機(jī)器人在當(dāng)下大多都主要注重于“民生”領(lǐng)域，希望以此來改善人們的生活，增添一些生活的情趣。機(jī)器人的發(fā)展是非常迅速的，比如20世紀(jì)80年代的私人電腦和90年代中期發(fā)展的通訊手機(jī)，是機(jī)器人行業(yè)真正快速發(fā)展的前兆，相當(dāng)大的市場前景在此時(shí)已經(jīng)表現(xiàn)出來。有數(shù)據(jù)顯示，在2003年到2007年的四年間，全世界的機(jī)器人年增長率達(dá)到了40%之多。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)推算，全世界將有越來越多的服務(wù)型機(jī)器人投入使用來服務(wù)人類社會(huì)。智能避障清潔機(jī)器人相比普通吸的塵器優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為節(jié)省時(shí)間和節(jié)省人力，在智能避障清潔機(jī)器人的清潔過程中不用人為的去操控控制，所以大大減輕了人們的操作工作和負(fù)擔(dān)。智能避障清潔機(jī)器人由于非常輕便體積很小，所以能夠輕松的清潔普通吸塵器因?yàn)轶w積原因所清潔不到的角落，總而言之，智能避障清潔機(jī)器擁有操作簡便，使用方式方便，清潔過程智能化，清潔過程安全，室內(nèi)清潔后效果顯著的特點(diǎn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀黑龍江八—黑龍江省農(nóng)機(jī)工程研究所的李輝、田磊、蔡曉華、侯云濤的牛舍清潔機(jī)器人[3]結(jié)構(gòu)。分析研究與障礙避開設(shè)計(jì)[4]相結(jié)合的搬遷路徑規(guī)則：劃船算法和隔墻或牛欄等障礙物的避障策略[5]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對牛舍的全方位清潔工作。來自中國計(jì)量大學(xué)的鄭震、孫健等專家和教授利用工業(yè)技術(shù)，根據(jù)攝像機(jī)拍攝灰塵記錄灰塵面積，用以計(jì)算馬爾塔布用以處理后的灰塵面積，再經(jīng)過智能避障清潔機(jī)器人進(jìn)行清潔工作。來自解放軍理工大學(xué)的專家，國防工程學(xué)院的教授毛偉峰、朱國棟、宋偉等人充分發(fā)揮了Matlab的圖像處理的強(qiáng)大功能，根據(jù)導(dǎo)管機(jī)器人的視覺檢測系統(tǒng)[6]（包括照明系統(tǒng)、照相機(jī)、圖像采集卡、圖像采集軟件和圖像分析軟件）的組成，對導(dǎo)管的內(nèi)部圖像進(jìn)行了預(yù)處理，并根據(jù)具體算法對其清潔度進(jìn)行了評估。韓克軒、秦家臣等人是來自東南大學(xué)的專家和教授，他們一起設(shè)計(jì)了一款基于MSP430f149的智能清潔系統(tǒng)，這種系統(tǒng)被用于室內(nèi)智能清潔。智能清潔避障機(jī)器人使用清潔車身的風(fēng)扇裝置用以連接到玻璃上，實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)生成路徑規(guī)劃并且能夠檢測車窗到達(dá)角落的距離，然后完成自動(dòng)清潔車窗的工作。能夠使用經(jīng)過設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人來替代人類在高空進(jìn)行工作，用以清潔高層建筑和外墻玻璃上不易清潔的灰塵和其他污垢。來自東北林業(yè)大學(xué)的專家王振秋、薛建奇、張玉軒、狄海等教授。設(shè)計(jì)出一種擁有攀巖功能的清潔機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人通過模擬人類，用仿人的上肢和下肢通過運(yùn)動(dòng)來輪流夾住桿狀的物體，機(jī)器人通過曲柄聯(lián)動(dòng)機(jī)制來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?？梢姡瑖鴥?nèi)智能清洗機(jī)器人的研究[7]主要集中在避障和特殊區(qū)域的清潔上，研究應(yīng)用范圍主要包括高空清洗、管道清洗、牛舍清洗等，較少研究較復(fù)雜環(huán)境的清潔能力，采用靜態(tài)圖像分析與評價(jià)以及終端專用機(jī)械機(jī)制設(shè)計(jì)是主要的技術(shù)研究方向。1.3研究目的及意義智能避障清潔機(jī)器人得以實(shí)現(xiàn)離不開移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，同時(shí)還包含多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)例如吸塵器相關(guān)的技術(shù)等。智能避障清潔機(jī)器人實(shí)際上是一種工具——可以完成自動(dòng)清潔和吸塵的工具，智能避障清潔機(jī)器人機(jī)身還配備了微系統(tǒng)，滿足了人們希望完成清潔部分或整個(gè)室內(nèi)空間，取代了傳統(tǒng)的令人費(fèi)力地手動(dòng)清潔工作，你可以清理人們無法到達(dá)的部分。從長遠(yuǎn)來看，工業(yè)機(jī)器人正在成熟，服務(wù)機(jī)器人正致力于世界各地的研究人員。使用最廣泛的家庭清潔機(jī)器人是家政機(jī)器人，人類已經(jīng)進(jìn)入機(jī)器人時(shí)代，所以服務(wù)機(jī)器人將融入人們的生活，因?yàn)槠噷⒑芸斐蔀槿祟惖男枨?。自?dòng)智能避障清潔機(jī)器人如傳統(tǒng)的真空吸塵器，可以節(jié)省能源和時(shí)間，整體清潔過程不需要人工干預(yù)，因?yàn)樵胍羟鍧嵠餍〉枚?，清潔效率高，小而輕，有一個(gè)機(jī)器人沒有輸出，簡言之，掃蕩機(jī)器人在各方面都比傳統(tǒng)的吸塵器?，F(xiàn)在社會(huì)的飛速發(fā)展，生活節(jié)奏的加快，人們承受著越來越大的壓力，服務(wù)機(jī)器人可以幫助人們減輕壓力，它是傳感器與機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，這個(gè)畢業(yè)建議準(zhǔn)備提出，以滿足大多數(shù)家庭的需要和方便的自動(dòng)掃描機(jī)器人。讓它取代手工家庭清潔，使家庭生活更智能，讓技術(shù)更好地為人民服務(wù)。1.4研究內(nèi)容因?yàn)閽叩貦C(jī)器人的體積不宜過大,所以本次設(shè)計(jì)中如何設(shè)計(jì)好驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、掃地機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)[8]及儲存垃圾機(jī)構(gòu)。智能避障清潔機(jī)器人中的清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分，其次智能避障清潔機(jī)器人的避障功能也是機(jī)器人的一項(xiàng)很重要的功能，也是是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。2方案論證與選擇2.1設(shè)計(jì)思路?控制器包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障傳感器模塊、除塵模塊。單片機(jī)進(jìn)行控制信號的傳輸和接收并對信號進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、智能避障、吸塵功能。智能避障清潔機(jī)器人包括傳感器、電機(jī)與動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電源、吸塵器、電源開關(guān)等，清掃機(jī)完成的主要功能是能夠自主驅(qū)動(dòng)走進(jìn)所有可進(jìn)入的房間，可以自動(dòng)進(jìn)行清掃吸塵工作。功能結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1功能結(jié)構(gòu)圖2.2各功能模塊方案論證與選擇2.2.1主控制系統(tǒng)方案論證與選擇控制系統(tǒng)的基本模塊，也稱為控制系統(tǒng)，是大腦一般的存在，主要用于接收、識別和處理傳感器信號和控制發(fā)動(dòng)機(jī)。以下列出了三個(gè)驅(qū)動(dòng)程序選項(xiàng)：方案1：使用高級FPGA編程控制器FPPGA支持復(fù)雜的邏輯功能、范圍和密度，將所有設(shè)備集成到單個(gè)芯片中，減少體積并提高穩(wěn)定性，F(xiàn)PPGA使用并行輸入和輸出方法提高系統(tǒng)處理速度[10]并實(shí)時(shí)擴(kuò)展控制核心，模塊輸出信號并行輸入FPGA通過FPGA的程序設(shè)計(jì)管理執(zhí)行相關(guān)操作，但由于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理速度要求不高，F(xiàn)PGA高速處理優(yōu)勢沒有得到充分體現(xiàn)，且集成度高，芯片銷售增加，物理布線硬件復(fù)雜，電路設(shè)計(jì)損壞，實(shí)際焊接工作成本高。方案2：DSP編程控制器數(shù)字處理技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展使得它們的應(yīng)用范圍十分廣泛，DSP具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要包括具有處理數(shù)字信號能力的同時(shí)還可以高針對性速度和高靈敏度以及控制流量和圖像處理等優(yōu)點(diǎn)。方案3：使用微控制器對驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編程微控制器具有的系統(tǒng)控制器是AT89S52，它是由ATMEL生產(chǎn)是控制領(lǐng)域常用的具有多功能和兼容性等優(yōu)點(diǎn)非常多的具有小型控制的系統(tǒng)的首選。微控制器的算術(shù)功能強(qiáng)大，軟件編程靈活，自由度高，這種軟件編程不僅可以用于執(zhí)行各種算法的運(yùn)行還可以進(jìn)行邏輯控制。該系統(tǒng)是一個(gè)小控制系統(tǒng)，使用微控制器作為控制芯片非常方便，所以使用方案3。2.2.2避障模塊方案論證與選擇方案1：使用超聲波傳感器使用超聲波可以實(shí)現(xiàn)測量工作，超聲波傳感器不僅波的發(fā)射角度更小，而且超聲波傳感器的檢測靈敏度更高。但是超聲波傳感器本身的使用成本很高所以不能體現(xiàn)出人才設(shè)計(jì)，所以不適合使用。方案2：使用紅外傳感器紅外傳感器可以收集信息，是以紅外來測量并且評估障礙的信息，這樣可以達(dá)到避障的效果。紅外傳感器的優(yōu)點(diǎn)是很多例如除外光干擾的同時(shí)提高靈敏度，并且紅外傳感器的生產(chǎn)相對簡單。因此，方案2比較適合。2.2.3除塵模塊方案論證與選擇智能避障清潔機(jī)器人的除塵模塊是由裝載于清潔機(jī)器人體內(nèi)的一種小型的并且能夠完成吸塵工作的的吸塵器來實(shí)現(xiàn)的，除塵模塊包括氣泵，吸室，吸道和吸嘴。在智能避障清潔機(jī)器人驅(qū)動(dòng)清掃的過程中可以通過清潔機(jī)器人底盤上開的吸嘴來將行走并清掃的地面上的灰塵吸入吸室。3硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1主控制器電路設(shè)計(jì)STC89C52[11]是一款STC生產(chǎn)的擁有低功耗和高性能優(yōu)點(diǎn)的CMOS8位微控制器，這款控制器具有8K系統(tǒng)可編程閃存，不僅如此STC89C52還使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是已經(jīng)進(jìn)行了許多大的改進(jìn)，能夠使芯片的功能在傳統(tǒng)的51微控制器上得以實(shí)現(xiàn)，STC89C52不僅在單個(gè)芯片上擁有了8位CPU和系統(tǒng)可編程的閃光燈，而且為各種嵌入式控制應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了有效的解決方案。主控制器電路如圖3.1所示。圖3.1主控制電路3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[12]如圖3.2所示，其核心是ST公司的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)ICL298N，ICL298N芯片內(nèi)含兩個(gè)全橋式驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)直流電機(jī)或兩個(gè)階段的四線步進(jìn)電機(jī)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)，邏輯輸入部分添加到TLP521-4光電隔離IC中，從而更好地保護(hù)控制器，L298N電路外部有以下界面：IN1-IN4：邏輯輸入，其中IN1、IN2控制電機(jī)M1：IN3，IN4控制電機(jī)M2。通過改變高層次的值班比例來調(diào)整速度。圖3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.3電源模塊模塊電路設(shè)計(jì)因?yàn)橹悄鼙苷锨鍧崣C(jī)器人工作方式是自動(dòng)化的，所以使用的電源不是連接線電路，而是智能避障清潔機(jī)器人體內(nèi)自動(dòng)攜帶的電池，這樣一來智能避障清潔機(jī)器人的清潔工作能夠不受外部電源線路的控制，而且工作也變得非常靈活。每次電池充滿電就可以支持智能避障清潔機(jī)器人連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。電源電路如圖3.3所示。圖3.3電源電路3.4避障檢測模塊電路設(shè)計(jì)智能避障清潔機(jī)器人的避障程序能夠用于控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)從而保護(hù)清潔機(jī)器人的機(jī)身避免撞到障礙物，從而得以從障礙物的旁邊離開。其電路原理圖如圖3.4所示：圖3.4避障模塊電路3.5除塵模塊電路設(shè)計(jì)邊緣刷電機(jī)和真空電機(jī)的清洗機(jī)制是由繼電器驅(qū)動(dòng)的，微控制器的I/O端口只需發(fā)出控制信號，通過三腳架放大驅(qū)動(dòng)繼電器，正常的開放端口關(guān)閉即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。具體電路見圖3.5所示。圖3.5除塵模塊電路4軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1軟件開發(fā)環(huán)境概述微控制器在研發(fā)過程中的應(yīng)用主要包括兩部分，一部分是微控制器的外部硬件，另一部分是讓人們思考微控制器的軟件。手動(dòng)配置和機(jī)器分組是將組裝器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以讀取和運(yùn)行的機(jī)器語言的兩種方式，但隨著時(shí)間的推移，會(huì)禁用更復(fù)雜的手動(dòng)集。隨著微控制器技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的語言開發(fā)軟件。KeiluVision5軟件[13]增加了功能導(dǎo)航、源代碼和示例功能，以及配置向?qū)?，以幫助操作員簡化配置文件并啟動(dòng)構(gòu)建過程，KeiluVision5軟件還配備了模擬外部信號和指令系列的模擬軟件，KeiluVision5軟件不僅方便了操作員的內(nèi)部配置，還為用戶界面帶來了窗口空間，使工程師能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)窗口并提高工作效率。KeiluVision5軟件界面如圖4.1所示。圖4.1KeiluVision5軟件界面4.2主程序設(shè)計(jì)主程序里面采用的是順序結(jié)構(gòu)，一開始是初始化，然后開始避障檢測[14]處理，根據(jù)獲取信息，控制驅(qū)動(dòng)，開始智能清掃。主程序里面的具體流程圖如圖4.2所示。

4.3避障程序設(shè)計(jì)避障程序[16]用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而確保清潔機(jī)器人機(jī)身不會(huì)撞到障礙物而損壞，得以從障礙物的旁邊離開，當(dāng)避障探頭1前方檢測到有障礙物時(shí)智能清潔避障機(jī)器人機(jī)身右轉(zhuǎn)100ms后直線驅(qū)動(dòng)并重新返回避障程序，當(dāng)避障探頭2前方檢測到有障礙物時(shí)智能清潔避障機(jī)器人機(jī)身右轉(zhuǎn)100ms后直線驅(qū)動(dòng)并返回避障程序，當(dāng)避障探頭3前方檢測到有障礙物時(shí)智能避障清潔機(jī)器人機(jī)身反轉(zhuǎn)100ms后左轉(zhuǎn)100ms后直線驅(qū)動(dòng)并返回避障程序，當(dāng)避障探頭4前方檢測到有障礙物時(shí)智能避障清潔機(jī)器人機(jī)身左轉(zhuǎn)100ms后直線驅(qū)動(dòng)并返回避障程序，當(dāng)避障探頭5前方檢測到有障礙物時(shí)，智能避障清潔機(jī)器人機(jī)身左轉(zhuǎn)100ms后直線驅(qū)動(dòng)并返回避障程。避障流程如圖4.3所示。圖4.3避障流程圖

5測試與分析5.1自動(dòng)行走測試打開智能避障清潔機(jī)器人電源開關(guān)，機(jī)器人向前行走，從圖5.1所示位置移動(dòng)到圖5.2所示位置。圖5.1智能避障清潔機(jī)器人行走前圖示圖5.2智能避障清潔機(jī)器人行走后圖示5.2自動(dòng)清潔測試清掃前如圖5.2.1所示，打開智能避障清潔機(jī)器人電源開關(guān)，機(jī)器人自動(dòng)向前進(jìn)行清掃，清掃后如圖5.2.2所示。圖5.2.1智能避障清潔機(jī)器人清潔前圖示圖5.2.2智能避障清潔機(jī)器人清潔后圖示5.3測試結(jié)果分析打開智能避障清潔機(jī)器人電源開關(guān)機(jī)器人能自動(dòng)向前行走，自動(dòng)行走功能[15]基本實(shí)現(xiàn)。在自動(dòng)行走過程中機(jī)器人會(huì)自動(dòng)清潔地面上的紙屑，自動(dòng)清潔功能基本實(shí)現(xiàn)，但是無法清理機(jī)器人行走路徑上所有紙屑，只能清理大部分紙屑。本次智能避障清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)還有許多不足之處，有待改進(jìn)。6結(jié)論本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)智能避障清潔機(jī)器人，在設(shè)計(jì)前了解當(dāng)前國內(nèi)外智能避障清潔機(jī)器人的研究空間后設(shè)計(jì)了智能避障清潔機(jī)器人的控制電路，基本滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)中我尋找了很多知識同時(shí)也學(xué)習(xí)了很多知識，真的使我在尋找信息方面的能力向前邁進(jìn)了一大步，盡管如此我也了解到雖然對清潔機(jī)器人的學(xué)習(xí)研究已經(jīng)有了進(jìn)展，但是智能避障清潔機(jī)器人的自主清潔能力、清潔工作效率等方面還不是很理想。智能避障清潔機(jī)器人發(fā)展迅速，雖然智能避障清潔機(jī)器人的生產(chǎn)成本從多方面考慮到了很多，不僅價(jià)格不高而且智能避障清潔機(jī)器人的市場前景相當(dāng)不錯(cuò)，但主要數(shù)據(jù)表明，在未來幾年內(nèi)，清潔機(jī)器人將是最受歡迎的服務(wù)型機(jī)器人，尤其是所有小型設(shè)備中最活躍的機(jī)器人，無論在市場上還是產(chǎn)品創(chuàng)新方面都占有重要地位。參考文獻(xiàn)[1]王樹國.智能機(jī)器人的現(xiàn)狀及未來[J1].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,1998,（1):4-6[2]蔣新松.未來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向的探討[J1].機(jī)器人,2002,2(3):21-22[3]譚定忠，王啟明，李金山，等.清潔機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀[J1].機(jī)械工程師，2004,6:9-11[4]宋澤清.關(guān)于靈活避障快速循跡.《無線電》,2009(2).[5]YuLiu,ShiqiangZhu,BoJinstc.Sensorynavigationofautonomouscleaningrobots.Proceedingsof2004WorldCongresonIntelligentControlandAutomation[J1].Hangzhou:IEEE.2004:4793-4796[6]Chri