基于MSP430的清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-工程控制碩士論文

分類號：分類號：TD242 密密 級：公級：公 開開 U D C ： 單位代碼：單位代碼：10424 工工 程程 碩碩 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 基于基于MSP430的清潔機(jī)器人的清潔機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姜堯維姜堯維 申請學(xué)位級別：申請學(xué)位級別：工程碩士工程碩士 領(lǐng)域名稱：控領(lǐng)域名稱：控 制制 工工 程程 指導(dǎo)教師姓名：指導(dǎo)教師姓名： 王曉寧王曉寧 職職 稱：稱： 副教授副教授 山山 東東 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 二零一二年五月二零一二年五月 論文題目：論文題目： 基于基于MSP430的清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作者姓名：作者姓名： 姜堯維姜堯維 入學(xué)時(shí)間：入學(xué)時(shí)間： 2010 年年 9 月月 領(lǐng)域名稱：領(lǐng)域名稱： 控制工程控制工程 研究方向：研究方向： 智能機(jī)器人智能機(jī)器人 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 王曉寧王曉寧 職職 稱：稱： 副教授副教授 論文提交日期：論文提交日期：2012 年年 5 月月 論文答辯日期：論文答辯日期：2012 年年 6 月月 授予學(xué)位日期：授予學(xué)位日期： DESIGN OF MOTION CONTROL SYSTEM IN CLEANING ROBOT BASED ON MSP430 A Dissertation submitted in fulfillment for the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Jiang Yaowei Supervisor: Associate Professor Wang Xiaoning College of Information and Electrical Engineering May 2012 聲聲 明明 本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所 公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交 于其它任何學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)作鑒定。 本人呈交給山東科技大學(xué)的這篇碩士學(xué)位論文，除了所列參考文獻(xiàn)和世所 公認(rèn)的文獻(xiàn)外，全部是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交 于其它任何學(xué)術(shù)機(jī)關(guān)作鑒定。 碩士生簽名：碩士生簽名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 山東科技大學(xué)工程碩士論文 摘要 摘 要 摘 要 本文提出了一種智能清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。工作時(shí)，該機(jī)器人沿著 房間的墻邊行走一周，對清掃房間進(jìn)行掃描以獲取房間的基本信息。掃描結(jié)束后，機(jī)器 人從房間的一個(gè)墻角出發(fā)，沿著與房間寬邊墻壁平行的方向前進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人接近長邊墻 壁時(shí)，向遠(yuǎn)離寬邊墻壁方向后轉(zhuǎn)彎，移動(dòng)一個(gè)車身寬度的距離，向另一側(cè)長邊墻壁行駛， 繼續(xù)清掃房間。遍歷房間后，機(jī)器人會(huì)執(zhí)行補(bǔ)償清掃。該機(jī)器人沿直線行駛，當(dāng)遇到障 礙物時(shí)，自動(dòng)躲避并繞過障礙物，然后繼續(xù)按躲避前的路線行駛。當(dāng)行駛到有落差的行 駛路面邊緣時(shí)，該機(jī)器人會(huì)自動(dòng)退回以避免跌落。 該清潔機(jī)器人以 MSP430F149 單片機(jī)為核心，單片機(jī)輸出兩路 PWM 方波信號，驅(qū) 動(dòng) L298N 芯片控制兩個(gè)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)機(jī)器人兩個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速差，令機(jī)器 人完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。同時(shí)機(jī)器人安裝了一個(gè)萬向輪來代替兩個(gè) 前輪，使機(jī)器人的轉(zhuǎn)向更加靈敏，可任意方向移動(dòng)。通過超聲波測距傳感器和紅外線避 障傳感器檢測障礙物，機(jī)器人能夠及時(shí)躲避障礙。通過開關(guān)型霍爾傳感器測量輪子的轉(zhuǎn) 數(shù)，單片機(jī)可計(jì)算機(jī)器人完成特定動(dòng)作時(shí)的行駛距離。通過防跌落傳感器檢測 8cm 以上 的地面落差， 防止機(jī)器人從高處跌落。 通過電子羅盤檢測機(jī)器人行駛方向， 通過調(diào)整PWM 波的占空比，使機(jī)器人始終保持直線行駛。本論文將通過可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定的軟件 算法，使清潔機(jī)器人清掃時(shí)盡量減小重復(fù)率并加大覆蓋率。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 清潔機(jī)器人，MSP430F149，避障，導(dǎo)航，L298N 山東科技大學(xué)工程碩士論文 Abstract Abstract This paper designs a kind of control system for the intelligent cleaning robot. Firstly, the robot walks along the walls of the room which the robot will clean for the basic information of the room. Secondly, after the scan, from a corner of the room , the robot walks along with the direction which parallel the width of the room .After cleaning the blind area, the robot will walk all over the room. The robot runs along the straight line. When encountering an obstacle, it can automatically go around the obstacle and continue the former route. When traveling near the stairs or the edge of the table, the robot will automatically return to avoid dropping. The cleaning robot is based on the MSP430F149 microprocessor. The MSP430F149 outputs two PWM square waves to drive L298N and control two DC motors. By adjusting the speed of the two wheels, the robot can move forward or backward and turns left or right. At the same time with the installation of a universal wheel which replaces the two front wheels, the robot moves more smoothly in any direction. By means of ultrasonic sensor and infrared sensors to detect obstacles, the robot can always avoid any obstacle. By means of the hall sensor to measure the speed of the two wheels, the MSP430F149 calculates the distance when the robot completes a specific step. Through the fall sensor to detect the drop of the ground level, the robot is prevented from a fall from a height. Through the electronic compass to detect the moving direction of the robot, by adjusting the duty cycle of the PWM wave, the robot always walks on a straight line. This task will be based on the reliable hardware and steady software, so the cleaning robot can minimize the repetition and increase the coverage. Keywords：Cleaning robot，MSP430F149，L298N，Obstacle avoidance，Navigation 山東科技大學(xué)工程碩士論文 目錄 1 目 錄 目 錄 1 緒論緒論1 1.1 課題的提出.1 1.2 清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 本課題主要研究內(nèi)容.3 2 整體設(shè)計(jì)方案整體設(shè)計(jì)方案.4 2.1 硬件設(shè)計(jì)方案.4 2.2 軟件設(shè)計(jì)方案.5 2.3 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu).6 3 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì).8 3.1 微控制器.8 3.2 電源管理.10 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.14 3.4 測速模塊.21 3.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊.22 3.6 電子羅盤.24 3.7 超聲波測距模塊.25 4 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)29 4.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì).29 4.2 串口接收中斷程序.32 4.3 讀取串口接收數(shù)據(jù)程序.33 4.4 定時(shí)器A中斷程序34 4.5 定時(shí)器B中斷程序 41 4.6 I/O中斷程序42 5 實(shí)驗(yàn)中遇到問題及擬解決方案實(shí)驗(yàn)中遇到問題及擬解決方案.44 山東科技大學(xué)工程碩士論文 目錄 2 5.1 清潔機(jī)器人的重心問題.44 5.2 電源芯片負(fù)載問題.44 5.3 避障模塊的檢測范圍問題.45 5.4 超聲波測距模塊的信號串?dāng)_問題.45 5.5 步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的比較.47 5.6 電子羅盤的種種問題.47 5.7 計(jì)算障礙距離時(shí)變量的范圍問題.47 致謝致謝 . 48 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) . 49 附錄附錄 電路原理圖電路原理圖. 51 山東科技大學(xué)工程碩士論文 目錄 1 Contents 1 Introduction.1 1.1 Raising of project1 1.2 Present situation of cleaning robots1 1.3 Research contents.3 2 OVERALL DESIGN 4 2.1 Hardware design.4 2.2 Software design.5 2.3 Mechanical structure of the robot.6 3 Hardware Design 8 3.1 MCU.8 3.2 Energy management.10 3.3 Motor drive.15 3.4 Speed test.21 3.5 Infrared obstacle avoidance and protection from falling.21 3.6 Electronic compass.24 3.7 Ultrasonic sensor.25 4 Software Design. 29 4.1 Main program.29 4.2 Serial port receive interrupt program32 4.3 Read the serial receive data program.33 4.4 TimerA interrupt program.34 4.5 TimerB interrupt program41 4.6 I/O interrupt program42 5 System Debugging. 44 山東科技大學(xué)工程碩士論文 目錄 2 5.1 Gravity center of cleaning robot .44 5.2 Load of power supply .44 5.3 Testing scope of obstacle avoidance module.45 5.4 Signal crosstalk.45 5.5 Problems of electronic compass.47 5.6 Scope of variable .47 Acknowledgements 48 References. 49 Appendix. 51 山東科技大學(xué)工程碩士論文 緒論 1 1 緒論緒論 1.1 課題的提出課題的提出 在當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)使人類的生活和思維方式不斷變革，科技產(chǎn)品已深入到人類 生活的各個(gè)角落。在控制、感知、驅(qū)動(dòng)、材料等領(lǐng)域不斷進(jìn)步的技術(shù)背景下，機(jī)器人開 始出現(xiàn)在制造之外的服務(wù)領(lǐng)域，開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新天地1。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)有著 深刻的社會(huì)因素，其中包括勞動(dòng)力成本上升、人類想擺脫枯燥乏味的日常事務(wù)、人口的 老齡化和社會(huì)福利制度的日益完善。 清潔機(jī)器人是一種能夠自動(dòng)執(zhí)行房間清掃的家用服務(wù)機(jī)器人，涉及了機(jī)械學(xué)、傳感 器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)等多門學(xué)科2。20 世紀(jì) 80 年代人們開始進(jìn)行清潔機(jī)器人的研究，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種成功的產(chǎn)品，許多發(fā)達(dá)國家 都將其視為機(jī)器人研究的新領(lǐng)域并給予重視。在很多國家里，車站、機(jī)場、辦公室、工 廠等公共場合的清潔任務(wù)已經(jīng)逐步交由機(jī)器人來完成3。專家預(yù)測清潔機(jī)器人是未來幾 年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人，將會(huì)有很大的成長空間。同時(shí)，只要其性能優(yōu)越，價(jià)格又 可以令大眾接受，相信清潔機(jī)器人會(huì)大量走入普通家庭。 從技術(shù)層面來講，研究智能清潔機(jī)器人會(huì)運(yùn)用到機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有很強(qiáng) 的代表性；從市場前景層面來講，智能清潔機(jī)器人將大大降低人們的勞動(dòng)量，提高勞動(dòng) 效率，特別適合家庭和公共場合的室內(nèi)清潔。因此，清潔機(jī)器人的開發(fā)既具有科研上的 挑戰(zhàn)性與前瞻性，又具有廣闊的市場前景4。 1.2 清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀清潔機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 清潔機(jī)器人最早出現(xiàn)于美國，隨后進(jìn)入到歐洲與日本，風(fēng)靡港澳臺(tái)，進(jìn)入大陸的時(shí) 間是上世紀(jì) 90 年代末期?，F(xiàn)在清潔機(jī)器人的生產(chǎn)廠商有很多，比較著名的有德國 Karcher，英國 Dyson，澳大利亞 Floorbotics，美國 irobot，瑞典伊萊克斯，荷蘭飛利浦， 韓國三星、LG，臺(tái)灣聯(lián)騰電子以及國內(nèi)的 KV8。 與傳統(tǒng)吸塵器相比，智能清潔機(jī)器人更省時(shí)、省力，整個(gè)清潔過程不需要人參與， 山東科技大學(xué)工程碩士論文 緒論 2 幫助人們省下更多的時(shí)間上網(wǎng)、看電視、陪家人5；清潔機(jī)器人在工作時(shí)，噪音極小， 不影響人們生活和休息；有些機(jī)器人內(nèi)部裝有活性炭，可吸附空氣中的有害物質(zhì)；由于 其體積很小，一些普通吸塵器清掃不到的死角，它都可以處理；工作過程中電量不足時(shí)， 機(jī)器人會(huì)停止工作移動(dòng)到充電器進(jìn)行自動(dòng)充電，充電完畢后，會(huì)返回到原來清掃中斷時(shí) 的地點(diǎn)繼續(xù)清掃工作；機(jī)器人工作時(shí)，當(dāng)探測到有障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇躲避障礙物，然 后自主選擇新的清掃路徑；機(jī)器人有防跌落智能感應(yīng)器，當(dāng)機(jī)器人行駛到邊沿時(shí)會(huì)自動(dòng) 退回來，所以不用擔(dān)心它掉下去；機(jī)器人不但有真空吸口，還有底部的旋轉(zhuǎn)滾刷以及側(cè) 部的旋轉(zhuǎn)毛刷，這些都強(qiáng)化了清潔去污能力；機(jī)器人能夠檢測污垢情況，進(jìn)行多次的清 掃工作；用戶可通過“虛擬墻”設(shè)置一個(gè)對機(jī)器人有阻隔作用的墻壁，控制機(jī)器人的活動(dòng) 空間；最新型的智能清潔機(jī)器人使用新型 3D 地圖影射技術(shù)定位自身位置，用戶能夠通 過互聯(lián)網(wǎng)操作家中的機(jī)器人，在家中無人時(shí)，監(jiān)視家中情況。 目前，大多數(shù)投入市場的清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成基本一致。清潔機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 一般包括四部分：控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、清潔系統(tǒng)6。控制系統(tǒng)是清潔機(jī)器 人的核心，一般采用微控制器，通過對感知系統(tǒng)采集到的信號分析與計(jì)算，對移動(dòng)機(jī)構(gòu) 和清潔系統(tǒng)發(fā)出控制信號，控制機(jī)器人完成移動(dòng)和清掃等各種行為；感知系統(tǒng)依賴于傳 感器技術(shù)， 主要作用是感知外部的環(huán)境信息并將其讀入控制系統(tǒng)， 一般常用的傳感器有： CCD 攝像儀、超聲波測距傳感器、紅外避障傳感器、接觸傳感器和碰撞傳感器等；移動(dòng) 機(jī)構(gòu)確保清潔機(jī)器人可以自動(dòng)移動(dòng)7，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進(jìn)式或其他方 式，輪式和履帶式適合移動(dòng)在平整的地面上，步進(jìn)式適合于條件較差的路面移動(dòng)；清潔 系統(tǒng)一般有：噴水器、地刷和吸塵器，噴水器向地面噴灑清水，地刷用于強(qiáng)力清掃地板 上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體及灰塵。 盡管國內(nèi)對于清潔機(jī)器人的研究取得了很大的進(jìn)展，但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需 要解決或提高。例如，有些機(jī)器人只能隨機(jī)移動(dòng)，有的能在單個(gè)房間內(nèi)較簡單的以一定 路線移動(dòng)，有的機(jī)器人當(dāng)遇到障礙物時(shí)，雖然能夠做出躲避動(dòng)作，但繞過障礙物時(shí)卻無 法沿著之前的清掃路線繼續(xù)清掃。由于清潔效果不佳、無法遍歷或者重復(fù)率高而遍歷時(shí) 間太長等原因，很多產(chǎn)品無法令人滿意，所以路徑規(guī)劃是一個(gè)比較重要亟待解決的技術(shù) 問題。 山東科技大學(xué)工程碩士論文 緒論 3 1.3 本課題主要研究內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容 本課題旨在設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的清潔機(jī)器人，在路徑規(guī)劃上追求高覆蓋率與低重 復(fù)率，在用時(shí)更少的情況下達(dá)到更好的清掃效果。機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)要求如下： (1) 清潔機(jī)器人在清掃房間前，先繞房間一周，利用測速傳感器測行駛速度，利用單片 機(jī)內(nèi)部定時(shí)器計(jì)時(shí)，計(jì)算房間的長與寬，并規(guī)劃好路徑。 (2) 清潔機(jī)器人利用方向傳感器對行駛方向進(jìn)行檢測，單片機(jī)根據(jù)檢測信號控制兩個(gè)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向， 使機(jī)器人可以直線正向或反向行駛， 以及轉(zhuǎn)90度彎或180度彎。 (3) 清潔機(jī)器人利用避障傳感器對障礙物進(jìn)行檢測，能夠及時(shí)躲避，繞過障礙物后，能 夠回到原路線上繼續(xù)前進(jìn)，盡量做到既不重復(fù)已經(jīng)清掃過的路徑，又不漏掉未清掃 的路徑8。 (4) 當(dāng)行駛到有落差的路面邊緣時(shí)，即桌子上或樓梯附近運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人通過防跌落傳 感器對路面落差進(jìn)行檢測，當(dāng)有跌落危險(xiǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)退回。 本課題的研究主要包括智能機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)與軟件編程。其中硬件設(shè)計(jì)包括傳感 器的選取，單片機(jī)的選取，電機(jī)的選取，各種控制芯片的選取，全部電路的設(shè)計(jì)等；軟 件設(shè)計(jì)包括控制各傳感器采集信號，接收、處理與計(jì)算傳感器傳回的信息，根據(jù)計(jì)算結(jié) 果規(guī)劃機(jī)器人行駛路徑，并輸出控制信號驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 2、整體設(shè)計(jì)方案、整體設(shè)計(jì)方案 2.1 硬件設(shè)計(jì)方案硬件設(shè)計(jì)方案 該清潔機(jī)器人以單片機(jī)為核心，與行駛方向檢測模塊、速度檢測模塊、避障模塊、 防跌落模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的電路原理框圖如圖 2.1 所示。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 4 圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖 Fig2.1 The block diagram of the system 系統(tǒng)主要包括： (1) 行駛方向檢測模塊: 通過電子羅盤采集方向數(shù)據(jù)信號，使機(jī)器人始終保持直線行駛， 最大可能減小路徑重復(fù)率。 (2) 速度檢測模塊: 通過霍爾傳感器采集電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號， 讀入單片機(jī)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的行 駛距離。 (3) 避障模塊：避障模塊分別由超聲波測距傳感器與紅外線避障傳感器組成。超聲波測 距傳感器發(fā)出超聲波，通過單片機(jī)記錄的超聲波遇到障礙物后的返回時(shí)間計(jì)算障礙 距離檢測障礙，使機(jī)器人可以時(shí)時(shí)躲避障礙；紅外線避障傳感器發(fā)出紅外線，紅外 線遇到障礙物后發(fā)生反射，傳感器檢測到頻率匹配的反射紅外線后，向 I/O 口輸出 避障模塊 防跌落模塊 方向檢測模塊 單片機(jī) 速度檢測模塊 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 5 低電平信號，單片機(jī)由此知曉前方有障礙物。 (4) 防跌落模塊：通過紅外線傳感器發(fā)射紅外線并檢驗(yàn)規(guī)定距離內(nèi)是否返回紅外線，檢 測路面落差，防止跌落。 (5) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：通過單片機(jī)輸出的兩路 PWM 方波信號，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動(dòng) L298N 芯片控制兩路直流減速電機(jī)，令機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作。 (6) 電源模塊：通過線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到系統(tǒng)需要的各種電源電壓。 2.2 軟件設(shè)計(jì)方案軟件設(shè)計(jì)方案 軟件設(shè)計(jì)上，編寫了相應(yīng)程序使清潔機(jī)器人能夠自主導(dǎo)航避障。清潔機(jī)器人的清掃 工作包括三個(gè)步驟：掃描房間信息、“弓”形清掃和反“弓”形清掃。模擬房間情況如圖 2.2 所示。 (1) 掃描房間信息:清潔機(jī)器人清掃起點(diǎn)為 AB 墻夾角， 先沿著房間的四面墻壁行駛一周， 對清掃房間進(jìn)行掃描，檢測房間基本信息。在此過程中，根據(jù)前、左、右三個(gè)方向的 避障傳感器檢測結(jié)果判斷行駛方向，機(jī)器人的行駛方向的選擇順序?yàn)椋鹤?、前、右?只要左方無障礙物機(jī)器人就左轉(zhuǎn) 90 度，當(dāng)左方檢測到障礙物時(shí)，機(jī)器人直線前進(jìn)， 當(dāng)前方和左方同時(shí)有障礙物時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn) 90 度，繼續(xù)前進(jìn)。檢測房間基本信息后， 計(jì)算房間的長和寬，為接下來的清掃工作做準(zhǔn)備。 (2) “弓”形清掃：機(jī)器人 R 回到房間 AB 角，以此墻角為出發(fā)點(diǎn)，沿著墻壁 A 前進(jìn)，并 默認(rèn)此路徑為清掃區(qū)域一，當(dāng)接近墻壁 D 時(shí)，機(jī)器人的右輪子轉(zhuǎn)動(dòng)、左輪子靜止不 動(dòng)， 向左后轉(zhuǎn)彎， 這樣保證了每次掉頭時(shí)， 只移動(dòng)了一個(gè)車身寬度， 進(jìn)入清掃區(qū)域二； 當(dāng)接近墻壁 B 時(shí)，機(jī)器人的左輪轉(zhuǎn)動(dòng)、右輪靜止不動(dòng)，向右后轉(zhuǎn)彎，進(jìn)入清掃區(qū)域 三。這樣，機(jī)器人沿與房間寬邊墻壁平行長邊墻壁垂直的方向上下往返清掃，直到遍 歷房間。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人向左（或向右）轉(zhuǎn) 100 度彎行駛，右側(cè)面（左轉(zhuǎn)看 右面，右轉(zhuǎn)看左面）傳感器繼續(xù)檢測障礙，如果已無障礙，機(jī)器人向右轉(zhuǎn)彎并繼續(xù)檢 測右側(cè)傳感器， 直到右側(cè)無障礙， 機(jī)器人左轉(zhuǎn)回到此次避障轉(zhuǎn)彎前初始行駛的直線軌 跡上；如果有障礙，機(jī)器人左轉(zhuǎn) 80 度行駛，即在未行使到墻邊時(shí)，進(jìn)入下一個(gè)清掃 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 區(qū)域。單片機(jī)記錄此次區(qū)域號和行駛距離。當(dāng)正“弓”形清掃結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)所有未完全 清掃區(qū)域，將相鄰區(qū)域合并，組成重點(diǎn)清掃區(qū)域，例如圖中的 J 區(qū)域和 K 區(qū)域。 (3) 反“弓”形清掃：結(jié)束“弓”形清掃后，機(jī)器人來到與清掃出發(fā)點(diǎn)橫坐標(biāo)相同，縱坐標(biāo)不 同的墻角 AD 作為出發(fā)點(diǎn)，清掃過程與“弓”形階段相同，這樣可對“弓”形階段中漏掉 的地方進(jìn)行補(bǔ)償清掃，增大清掃覆蓋率。 圖 2.2 房間模擬圖 Fig2.2 The simulator of the room 2.3 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示，在機(jī)器人底盤靠近外側(cè)處一共安裝 3 個(gè)超聲測距 波傳感和 6 個(gè)紅外避障傳感器用于避障，前方，左側(cè)和右側(cè)各有 1 個(gè)超聲波傳感器，在 每個(gè)超聲波傳感器的兩側(cè)各安裝一個(gè)紅外線避障傳感器。機(jī)器人正前方底盤外安裝紅外 避障傳感器，傳感器整體垂直地面，以檢測路面落差防止跌落。電子羅盤安裝在機(jī)器人 地盤前半部，注意羅盤上的白色箭頭必須與小車的正前方方向一致。底盤反面安裝一個(gè) 萬用輪來代替兩個(gè)前輪，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏，可任意方向移動(dòng)。機(jī)器人的主控板和 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板緊挨著安裝在底盤正面后半部，盡量保證兩者在底盤上位置靠后并左 6 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 右對稱，使兩個(gè)輪子受力平均。L298N 通過杜邦線驅(qū)動(dòng)兩路電機(jī)， 兩個(gè)電機(jī)分別控制 一個(gè)輪子，通過螺絲固定。測速板在底盤反面，正對兩個(gè)電機(jī)未安裝減速箱一側(cè)的輸出 軸。 紅外避障傳感器 防跌落傳感器 超聲波傳感器 單片機(jī)主控板 萬向輪 電子羅盤 車輪 霍爾傳感器 直流電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 圖 2.3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 Fig2.3 The mechanical structure of the robot 7 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 8 3 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 3.1 微控制器微控制器 3.1.1MSP430 簡介簡介 1996 年，由美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的MSP430 系列單片機(jī)華麗登場。它 是一種 16 位、 超低功耗、 具有精簡指令集 （RISC） 的混合信號處理器 （Mixed Signal Processor）。該系列單片機(jī)針對實(shí)際應(yīng)用需要，在一個(gè)芯片上集成了不同功能的模 擬電路模塊、數(shù)字電路模塊和微處理器，以提供“單片”解決方案9。 MSP430 系列單片機(jī)處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快。它擁有 16 位數(shù)據(jù)寬度的 CPU 寄存 器，采用精簡指令集（RISC）架構(gòu)，具有十分豐富的尋址方式包括 7 種源操作數(shù)尋址 和 4 種目的操作數(shù)尋址、 簡潔而實(shí)用的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令和高效的查 表處理指令10。同時(shí)在 MSP430 單片機(jī)中，最大 256KB 的 Flash 只讀存儲(chǔ)器(ROM)和最 大 18KB 隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)可參加多種運(yùn)算。 該系列單片機(jī)可以在最大 8MHz 外接晶 振和內(nèi)置數(shù)字振蕩器(DCO)的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn) 25MHz 的 CPU 主頻。 另外，16 位的數(shù) 據(jù)寬度、最短 40ns 的指令周期和多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）9。 TI 公司宣稱 MSP430 系列單片機(jī)是世界上功耗最低的微控制器11。該系列單片機(jī) 之所以有超低的功耗是因?yàn)槠洳捎?1.83.6V 的電源電壓的同時(shí)， 擁有獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè) 計(jì)12。時(shí)鐘系統(tǒng)是 MSP430 系列單片機(jī)最關(guān)鍵的部件，它包含基本時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù) 字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)，并可對多種時(shí)鐘源進(jìn)行分類管理。用戶可通過時(shí)鐘系統(tǒng)靈活的切換 時(shí)鐘源，通過軟件隨時(shí)更改 CPU 的運(yùn)行速度，為不同的外設(shè)提供不同頻率的時(shí)鐘信號。 MSP430 單片機(jī)時(shí)鐘系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM ）和五種深度不同的低功耗模式 （ LPM0、 LPM1、LPM 2、LPM 3、LPM4 ） 。通過控制時(shí)鐘系統(tǒng)中多個(gè)相應(yīng)的控制位 即 CPUOFF、SCG0、SCG1、OSCOFF，控制內(nèi)部的 CPU、FLL 倍頻環(huán)、數(shù)字時(shí)鐘發(fā)生 器和外接晶振的開關(guān)，MSP430 單片機(jī)可以進(jìn)入不同深度的低功耗模式以降低功耗13。 當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行程序時(shí)，時(shí)鐘系統(tǒng)處于活動(dòng)模式，全部時(shí)鐘均開啟，此時(shí)功耗正比于 CPU 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 9 主頻， 每 MHz 為 200400 uA， 仍然處于微安級上。 當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行在低功耗模式 4 （LPM4） 下，整個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng)全部關(guān)閉，單片機(jī)內(nèi)部所有模塊停止工作，功耗最低可降到 0.1uA 。 因此，用戶通過時(shí)鐘系統(tǒng)可以在功耗和性能之間尋求最佳的平衡點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)理想的設(shè)計(jì)效 果14。 MSP430 系列單片采用模塊化結(jié)構(gòu)， 擁有較豐富的片內(nèi)外設(shè)， 具備高性能集成優(yōu)勢， 完美整合了在程序失控時(shí)可使系統(tǒng)迅速復(fù)位的看門狗（ WDT ） ；可進(jìn)行模擬電壓比較 的模擬比較器 A ；具有捕獲與比較功能，可用于測量頻率、周期、計(jì)數(shù)、精準(zhǔn)定時(shí)、 產(chǎn) 生 PWM 方波的 16 位定時(shí)器（ Timer_A 和 Timer_B ） ；可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問 和多機(jī)通信等應(yīng)用的串行通訊接口（ USART0 、USART 1 ）以及硬件乘法器、LCD 液 晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC 、16 位 Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（ DMA ）和 基本定時(shí)器 （ Basic Timer ） 等外圍模塊。 其中， 10/12 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率高， 可達(dá) 200kbps ，能夠完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集任務(wù)；LCD 控制器能直接驅(qū)動(dòng)多達(dá) 160 段的 液晶；硬件 I2C 串行總線接口可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；為快速傳輸數(shù)據(jù)，而采用直接數(shù) 據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。另外，MSP430 單片機(jī)具有較多的 I/O 端口，最多可達(dá) 48 個(gè)， 其中 P0 、P1 、P2 端口能夠同時(shí)接收多個(gè)外部上升沿或下降沿的中斷輸入15。這些模 塊的結(jié)構(gòu)獨(dú)立而完整，在不同型號的 MSP430 系列單片機(jī)中，同一種模塊的使用方法和 寄存器都是相同的，降低了用戶學(xué)習(xí)和開發(fā) MSP430 單片機(jī)的難度。并且，這種可擴(kuò)展 的單片機(jī)使用戶能夠?yàn)椴煌脑O(shè)計(jì)要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x型。同時(shí)，用戶可以單獨(dú)激活需要 使用的模塊，關(guān)閉不用的模塊，以降低系統(tǒng)功耗。此外，MSP430 單片機(jī)的高集成度還 能造就物理尺寸較小的解決方案，進(jìn)而最大限度地降低總物料成本。 由于只讀存儲(chǔ)器目前主要為 FLASH 型，MSP430 單片機(jī)擁有十分方便的開發(fā)調(diào)試 環(huán)境。FLASH 型單片機(jī)有 JTAG 調(diào)試接口與可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，用戶可以先 下載程序到 FLASH 內(nèi)， 再通過軟件控制程序運(yùn)行， 通過 JTAG 接口讀取的片內(nèi)信息對 單片機(jī)內(nèi)部程序進(jìn)行調(diào)試。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需 要仿真器和編程器，十分方便靈活。 MSP430 單片機(jī)可在-40+ 85 攝氏度的環(huán)境溫度下運(yùn)行 ，所以以其為核心所設(shè)計(jì) 的產(chǎn)品可適用于工業(yè)環(huán)境下。 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 10 3.1.2 單片機(jī)選型單片機(jī)選型 本系統(tǒng)所選用的單片機(jī)需要為三個(gè)超聲波測距模塊發(fā)出控制信號的同時(shí)并接收他們 傳回的障礙物檢測信號；需要接收四個(gè)紅外線避障傳感器傳回的障礙物檢測信號；需要 接收兩路測速模塊傳回的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號；接收電子羅盤傳回的 TTL 電平的串口數(shù)據(jù)信 號；為控制電機(jī)輸出兩路 PWM 方波；系統(tǒng)還需要定時(shí)器完成為定時(shí)中斷程序定時(shí)、輸 出兩路 PWM 波、記錄高電平時(shí)間的功能。本系統(tǒng)需要一款 I/O 口比較多、功能比較強(qiáng) 大的單片機(jī)。所以，本系統(tǒng)選擇了功能比較齊全且管腳資源豐富的 MSP430F149 單片機(jī) 作為本系統(tǒng)的控制器。 3.1.3 單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)接口電路如圖 3.1 所示。MSP430 供電電壓為 3.3V，低頻晶振為 32768HZ， 高頻晶振為 8M，復(fù)位電路圍繞 IMP809 芯片搭建。在本設(shè)計(jì)中，由于外圍電路較多，一 共用到了 20 個(gè) I/O 口。 在本系統(tǒng)中，MSP430F149 單片機(jī)的 P2.0、P2.1 和 P2.2 為三個(gè)超聲波測距模塊發(fā)出 控制信號，同時(shí) P4.1、P4.2 和 P4.3 接收他們傳回的障礙物檢測信號；P1.0、P1.1、P1.2、 P1.3、P1.4、P1.5 接收紅外線避障傳感器傳回的障礙物檢測信號；P2.5 接收防跌落傳感 器傳回的信號；P2.3 和 P2.4 接收兩路測速模塊傳回的電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)信號；串行通訊接口 P3.5 接收電子羅盤傳回的 TTL 電平的串口數(shù)據(jù)信號；P1.6 和 P1.7 輸出兩路 PWM 方波。 3.2 電源管理電源管理 對于任何系統(tǒng)而言，電源在提供足夠的電壓同時(shí)，必須安全性高、穩(wěn)定性好、散熱 快、帶負(fù)載能力達(dá)到系統(tǒng)需求。 在本系統(tǒng)中， MSP430 單片機(jī)的供電電壓為 3.3V， L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的邏輯部分、 超聲波測距模塊、霍爾傳感器測速模塊、電子羅盤以及紅外線避障模塊的供電電壓均為 5V，同時(shí)兩個(gè)直流減速電機(jī)需要 6V 驅(qū)動(dòng)電壓。另外，電源模塊還需要為系統(tǒng)提供復(fù)位 信號。 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) P1.5/TA0 17 P1.6/TA1 18 P1.7/TA2 19 P2.0/ACLK 20 P2.1/TAINCLK 21 P2.2/CAOUT/TA0 22 P2.3/CA0/TA1 23 P2.4/CA1/TA2 24 P2.5/Rosc 25 P2.6/ADC12CLK 26 P2.7/TA0 27 P3.0/STE0 28 P3.1/SIMO0 29 P3.2/SOMI0 30 P3.3/UCLK0 31 P3.4/UTXD0 32 P3.5/URXD0 33 P3.6/UTXD1 34 P3.7/URXD1 35 P4.0/TB0 36 P4.1/TB1 37 P4.2/TB2 38 P4.3/TB3 39 P4.4/TB4 40 P4.5/TB5 41 P4.6/TB6 42 P4.7/TBCLK 43 P5.0/STE1 44 P5.1/SIMO1 45 P5.2/SOMI1 46 P5.3/UCLK1 47 P5.4/MCLK 48 DVcc 1 P6.3/A3 2 P6.4/A4 3 P6.5/A5 4 P6.6/A6 5 P6.7/A7 6 VREF+ 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 VeREF+ 10 VREF-/VeREF- 11 P1.0/TACLK 12 P1.1/TA0 13 P1.2/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SMCLK 16 P5.5/SMCLK 49 P5.6/ACLK 50 P5.7/TBoutH 51 XT2OUT 52 XT2IN 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0/A0 59 P6.1/A1 60 P6.2/A2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 MSP430F149IPM Y1 32768HZ +3.3 C8 22PFY2 8M C7 22PF Infrared_ray_0 Infrared_ray_1 Infrared_ray_2 Infrared_ray_3 Infrared_ray_5 PWM_Left PWM_Right Sound_1_T Speed_right Sound_2_T Sound_3_T Speed_left Sound_3_R Sound_2_R Sound_1_R CompassInfrared_ray_4 Direct_right Direct_left Fall RST U4 圖 3.1 單片機(jī)接口電路原理圖 Fig3.1 The schematic diagram of SCM interface circuit 3.2.1 電池電池 11 系統(tǒng)的能量完全由一塊可充電鋰電池提供， 該電池容量為 900mAh； 標(biāo)稱電壓為 7.4V， 其開路電壓最高可達(dá) 8.4V；工作輸出電流極高，瞬間放電可達(dá) 18A，持續(xù)放電達(dá) 13.5A； 重量較輕，僅有 44 克，能量體積比高。但是，該電池并未加裝保護(hù)板，須提防過放電， 工作電壓不可低于 6.4 伏，這個(gè)電壓不是電池開路電壓而是工作電壓，因?yàn)樗须姵囟?有內(nèi)阻，放電時(shí)的電壓會(huì)低于電池不工作時(shí)開路的電壓。實(shí)驗(yàn)中，電池電量下降到開路 電壓為 7.0 伏時(shí)就應(yīng)該及時(shí)充電。本文中會(huì)用 VCC 來表示該電源輸出的電壓。 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 3.2.2 6V 電源電路電源電路 6V 電源部分通過 L7806 芯片來實(shí)現(xiàn)。TO-220 封裝形式的 L7806 芯片為傳統(tǒng)的線性 穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的 6V 輸出電壓，同時(shí)輸出電流可達(dá)到 1.5A，但要求輸入電壓比輸 出電壓高 2V 至 3V，本系統(tǒng)的電池開路電壓最高為 8.4V，滿足 L7806 的輸入要求。本系 統(tǒng)中使用的電機(jī)的額定電壓為 6V，該電源電路單獨(dú)為兩個(gè)電機(jī)供電。該電機(jī)在 6V 額定 電壓下運(yùn)行時(shí)電流為 150mA， 但是電機(jī)在阻力過大時(shí)電流將達(dá)到 300mA， 兩個(gè)電機(jī)需要 的帶負(fù)載能力可達(dá) 600mA。L7806 芯片基本可以滿足設(shè)計(jì)要求，但須加裝散熱片。另外， 為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置 0.1uF 濾波電容；為減小輸入端受 到的干擾，輸入管腳放置 0.33uF 的濾波電容16。在穩(wěn)壓芯片輸入端串接一個(gè)二極管，防 止電池正負(fù)極接反。6V 穩(wěn)壓電路如圖 3.2 所示。 Vin 1 GND 2 Vout 3 L7806 C3 0.33uf C4 0.1uf +6VCC D2 IN4007 圖 3.2 6V 穩(wěn)壓電路原理圖 Fig3.2 The schematic diagram of 6V voltage-stabilizing circuit 3.2.3 5V 電源電路電源電路 12 5V 電源部分通過 L7805 芯片來實(shí)現(xiàn)。TO-220 封裝形式的 L7805 芯片為傳統(tǒng)的線性 穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的 5V 輸出電壓，同時(shí)輸出電流也可達(dá)到 1.5A，但要求輸入電壓比 輸出電壓高 2V 至 3V，本系統(tǒng)的電池開路電壓最高為 8.4V，滿足 L7805 的輸入要求。本 系統(tǒng)中不僅 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的邏輯部分、超聲波測距模塊、霍爾傳感器測速模塊、 電子羅盤和紅外線測距模塊需要該電路供電， MSP430 單片機(jī)需要的3.3V 電壓也需要 5V 電源電路輸出后降壓提供。L7805 芯片基本可以滿足設(shè)計(jì)要求，但同樣須加裝散熱片。 另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置 0.1uF 濾波電容；為減小輸 入端受到的干擾， 輸入管腳放置 0.33uF 的濾波電容。 在穩(wěn)壓芯片輸入端串接一個(gè)二極管， 山東科技大學(xué)工程碩士論文 硬件設(shè)計(jì) 防止電池正負(fù)極接反。5V 穩(wěn)壓電路如圖 3.3 所示。 13 Vin 1 GND 2 Vout 3 L7805 C1 0.33uf C2 0.1uf +5VCC D1 IN4007 圖 3.3 5V 穩(wěn)壓電路原理圖 Fig3.3 The schematic diagram of 5V voltage-stabilizing circuit 3.2.4 3.3V 電源電路電源電路 3.3V 電源部分通過 LM-1117-3.3 芯片來實(shí)現(xiàn)。 SOT-23 封裝形式的 LM-1117-3.3 芯片 為低壓差線性穩(wěn)壓器，可將輸入最低 4.5V 的電壓穩(wěn)壓到穩(wěn)定的 3.3 伏輸出電壓，只要求 輸入電壓比輸出電壓高 1.3V 至 1.5V，這樣該電路的輸入接+5V 即可，可減小穩(wěn)壓器功 耗，提高能源利用效率。同時(shí)輸出電流也可達(dá)到 800mA。本系統(tǒng)中 MSP430 單片機(jī)需要 的 3.3V 電壓需要該電源電路