基于SLH89F5162的智能清潔機(jī)器人

1、基于slh89f5162的智能清潔機(jī)器人 一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述 清潔是服務(wù)機(jī)器人的一種，所謂服務(wù)機(jī)器人是指自主或半自主的、從事非生產(chǎn)活動(dòng)、能完成有益于人類健康的服務(wù)工作的機(jī)器人。家庭清潔機(jī)器人集機(jī)械、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)器入技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體，能夠自動(dòng)舉行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的無數(shù)公共場(chǎng)合已經(jīng)開頭用法清潔機(jī)器人，隨著清潔機(jī)器人性價(jià)比的提高，清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭成為可能。家用吸塵器作為當(dāng)今家庭的主要的日常清潔工具，會(huì)與用戶形成常見的互動(dòng)關(guān)系，產(chǎn)品和消費(fèi)者產(chǎn)生一種挺直的接觸與交流。近些年，智能手機(jī)進(jìn)展快速并得到了廣泛的普及，成為許多人的生活與工作的必須品，假如能夠用手中的

2、智能手機(jī)就完成對(duì)吸塵器的的有效控制，將會(huì)為人類的清潔工作帶來極大的方便。智能手機(jī)與清潔機(jī)器人結(jié)合，兼具智能手機(jī)良好的操作體驗(yàn)和清潔機(jī)器人方便又高效的清潔作用。此次深聯(lián)華大賽提供的“三防”單片機(jī)給我們提供了一個(gè)很好的平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)我們的主意，融合智能手機(jī)以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一種成本低能夠充分滿足家庭需求且便利適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式使家庭生活電氣化、智能化使科技更好地為人類服務(wù)。二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理2.1、原理概述清潔機(jī)器人需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動(dòng)清潔地面。工作時(shí)，利用各種傳感器測(cè)得環(huán)境信息，并做出決策，實(shí)現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)定的任務(wù)。典

3、型的清潔機(jī)器人主要由以下幾個(gè)模塊組成：(1)信息采集模塊(2)決策模塊(3)運(yùn)動(dòng)控制模塊(4)清掃模塊這四個(gè)部分構(gòu)成了完整的清潔機(jī)器人系統(tǒng)，2-1所示。信息采集模塊返回當(dāng)前清潔機(jī)器人的位置信息，如是否遇到障礙物、是否碰到樓梯等，然后把這些信息送給決策模塊舉行決策，控制運(yùn)動(dòng)控制模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)讓清掃模塊舉行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。圖2-1清潔機(jī)器人系統(tǒng)典型組成暗示圖2.2、硬件設(shè)計(jì)原理2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人采納三輪機(jī)構(gòu)的車體，兩個(gè)動(dòng)力輪，一個(gè)萬向輪，具有運(yùn)動(dòng)靈便，控制容易的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人在地面上移

4、動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動(dòng)方式仿照人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對(duì)較高，但步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上比較復(fù)雜：履帶移動(dòng)方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不挺直與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)小，適于爬坡或者不平的地面;輪式移動(dòng)方式是最頻繁的一種地面行進(jìn)方式，其特點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制容易，但不能爬坡。本設(shè)計(jì)中清潔機(jī)器人只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采納輪式移動(dòng)方式。超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固牢靠。本設(shè)計(jì)中將超聲波模塊直插在固定的板上，進(jìn)

5、而固定在底盤上。機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，主要是對(duì)要前行的路探測(cè)是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。本系統(tǒng)選用雙軸hc02-48強(qiáng)磁電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無顫動(dòng)。扭力強(qiáng)勁130強(qiáng)磁直流減速電機(jī)，扭力為一般電機(jī)的2至5倍，3-9v，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力氣完善組合。清掃機(jī)器人的吸塵技術(shù)有兩類：真空吸塵器和藹流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機(jī)內(nèi)氣體排解，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。2.2.2硬件電路

6、設(shè)計(jì)按照清潔機(jī)器人功能要求，清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、模塊。本系統(tǒng)采納slh89f5162作為核心控制芯片。采納了多種防破解技術(shù)。slh89f5162單片機(jī)是一款功能比較強(qiáng)大的單片機(jī)，它擁有兩個(gè)全雙工串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)串行口相同：特別的是slh89f5162單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)自立波特率發(fā)生器，串口1可以用法定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，也可以用法自立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器;而串口2只能用法自立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。slh89f5162是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，命令代碼徹低兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12

7、倍。內(nèi)部集成3路，8路高速10位a/d轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。slh89f5162單片機(jī)為囫圇控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機(jī)各個(gè)i/o口的特性后。硬件系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5v電源;晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘;復(fù)位電路，按鍵后對(duì)系統(tǒng)舉行復(fù)位：藍(lán)牙模塊，接收手機(jī)發(fā)送的控制信號(hào);超聲波模塊，舉行實(shí)時(shí)測(cè)距以逃避障礙物;驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，因?yàn)榫д竦墓ぷ黝l率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾;若晶振工作不正常，則會(huì)導(dǎo)致囫圇單片機(jī)系統(tǒng)無法運(yùn)行。slh8

8、9f5162系列單片機(jī)的時(shí)鐘輸入接在其14(xtal2)和15(xtal1)，通常是接一個(gè)12m的晶振體。晶振和單片機(jī)引腳之間的連線盡量要短，這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避開晶振的高頻信號(hào)過多的干擾周圍線路。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求高的器件的線路。單片機(jī)需要在上電之后給其一個(gè)復(fù)位信號(hào)才干正常工作，在開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)也往往要對(duì)它舉行手動(dòng)復(fù)位，而且當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)供電電壓過低時(shí)，程序的運(yùn)行會(huì)浮現(xiàn)非正常的狀況，要求在低壓時(shí)也必需對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)舉行復(fù)位。slh89f5162單片機(jī)的reset引腳為低有效，平常為上拉高電平，復(fù)位時(shí)，需要給其一定時(shí)光的低電平。機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作

9、必需有矯健的電源供應(yīng)作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)光穩(wěn)定的工作，因此是囫圇系統(tǒng)牢靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中電源分為功率和信號(hào)兩部分輸出，即單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波傳感器接口、藍(lán)牙接口的電源由信號(hào)電源供給;電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微型吸塵器的電源由功率電源供給。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為清潔機(jī)器人的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)，該模塊必需能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會(huì)太大。本系統(tǒng)選用了驅(qū)動(dòng)芯片l298n.l298n是st公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采納15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46v;輸出電流大，眨眼峰值電流可達(dá)3a，持續(xù)工作電流

10、為2a;額定功率25w.內(nèi)含兩個(gè)h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、線圈等感性負(fù)載;采納標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律電平信號(hào)控制;具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的狀況下允許或禁止器件工作有一個(gè)規(guī)律電源輸入端，使內(nèi)部規(guī)律電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測(cè)，將變幻量反饋給控制電路。用法l298n芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。引腳j1可用于輸入pwm脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)舉行調(diào)速控制。(假如無須調(diào)速可將兩引腳接5v，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)。)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)也很簡(jiǎn)單，輸入信號(hào)端in1接高電平輸入端in2接低電平，電機(jī)m1正轉(zhuǎn)。(假如信號(hào)端in1

11、接低電平，in2接高電平，電機(jī)m1反轉(zhuǎn))控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端in3接高電平，輸入端in4接低電平，電機(jī)m2正轉(zhuǎn)。(反之則反轉(zhuǎn))，pwm信號(hào)端a控制m1調(diào)速，pwm信號(hào)端b控制m2調(diào)速?？蓞⒖急?-2：表2-2驅(qū)動(dòng)模塊控制表清潔機(jī)器人必需知道自身位置，在特定位置或區(qū)域舉行特定的動(dòng)作，完成對(duì)房間的吸塵任務(wù)。它需要通過傳感器舉行障礙檢測(cè)，并將障礙物信息傳送給，舉行決策，終于完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測(cè)是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對(duì)周圍未知環(huán)境舉行探測(cè)。囫圇傳感器陣列就像是清潔機(jī)器人的“眼睛”，收集周圍未知環(huán)境的某些信息。清潔機(jī)器人中的傳感器數(shù)量比較多，相關(guān)的實(shí)用于環(huán)境感知的傳感器

12、、自身定位傳感器，種類繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個(gè)重要問題。計(jì)劃l：避障用激光傳感器，激光傳感器是一種利用激光技術(shù)舉行測(cè)量的新型傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，具有能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度快、精度高、量程大、抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是激光傳感器價(jià)格昂貴，外接電路設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，不適合小車的需要，因此放棄該計(jì)劃。計(jì)劃2：避障用超聲波傳感器，超聲波傳感器是一種利用超聲波的特性討論的測(cè)量傳感器。它主要由壓電晶片組成，用來放射和接收超聲波。超聲波在空氣里傳揚(yáng)時(shí)，會(huì)因不同介質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此測(cè)量放射接收信號(hào)間的時(shí)光差，可以得到障礙物的距離，該信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算，傳送

13、給控制芯片lpc2132，lpc2132發(fā)出控制信號(hào)轉(zhuǎn)變小車的轉(zhuǎn)向，作出對(duì)障礙物的正確推斷。超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度敏捷，可測(cè)距離遠(yuǎn)，收到外界的干擾小，缺點(diǎn)是超聲波在小空間不同方向里會(huì)舉行多次反射，當(dāng)和障礙物形成一定角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影，從而動(dòng)作混亂。計(jì)劃3：避障用光電開關(guān)。紅外放射器發(fā)出紅外線，碰到障礙物后，光芒反射回歸，接受的光感導(dǎo)通，單片機(jī)接受到相應(yīng)的電平信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)近距離的障礙物反應(yīng)速度敏捷，信號(hào)之間抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是距離要求近，簡(jiǎn)單受自然光的影響。經(jīng)過傳感器性價(jià)比和課題實(shí)際要求的綜合分析，超聲避障實(shí)現(xiàn)便利，技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人常用的避障辦法，因此我們挑選超聲波傳感器作為機(jī)器人的眼睛5。本系統(tǒng)中采納了us-100超聲波測(cè)距模塊，可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測(cè)距功能，擁有2.45.5v的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2ma，自帶對(duì)測(cè)距結(jié)果舉行校正，同時(shí)具有g(shù)pio，串口等多種通信方式，內(nèi)帶，工作穩(wěn)定牢靠。遙控可以使機(jī)器人的操作越發(fā)便利，本系統(tǒng)中要通過智能手機(jī)遙控機(jī)器人，而智能手機(jī)的信號(hào)正是通過藍(lán)牙發(fā)