機械電子學作業(yè)

類別標準分數(shù)實得分數(shù)平時成績作業(yè)成績總分100授課教師簽字專業(yè)：機械制造及其自動化課程名稱：機械電子學學號：姓名：完成時間：2015年1月23日清掃機器人的設計方案隨著社會的進步和發(fā)展，人們的物質和精神生活質量的提高，迫切需要從繁重的清潔夠工作解脫出來。由此誕生了一種家用服務型吸塵機器人,它將移動機器人技術和吸塵技術有機地融合起來，實現(xiàn)家庭、賓館、寫字樓等室內環(huán)境的半自動或全自動清潔。自主吸塵機器人作為智能移動機器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于20世紀80年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機和產(chǎn)品。吸塵機器人的發(fā)展，帶動了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展，也促進了移動機器人技術、圖像和語音識別、傳感器等相關技術的發(fā)展。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術方面講，智能化自主式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景[1]。本文選擇衛(wèi)博士TRV-11NB88掃地機器人，介紹清掃機器人的機械部分機構，主要對路徑規(guī)劃和自主充電對接進行具體分析。清掃機器人的關鍵技術清掃機器人系統(tǒng)通常由四個部分組成：移動機構、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動機構是吸塵機器人的主題，決定了吸塵器的運動空間，一般采用輪式機構。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測距儀、接觸和接近覺傳感器、紅外線傳感器和CCD攝像機等。隨著近年來計算機技術、人工智能技術、傳感技術以及移動機器人技術的迅猛發(fā)展，吸塵機器人控制系統(tǒng)研究和開發(fā)已具備了件事的基礎和良好的發(fā)展前景。吸塵機器人的控制與工作環(huán)境往拄是不確定的或多變的，因此必須兼顧安全可靠性、抗干擾性以及清潔度。用傳感器探測環(huán)境、分析信號，以及通過適當?shù)慕７椒▉砝斫猸h(huán)境，具有特別重要的意義，近年來對只能機器人的研究表明，對于工作在復雜非結構環(huán)境中的自主式移動機器人，要進一步提高其自動化程度，主要依賴模式識別及障礙物識別、實時數(shù)據(jù)傳輸及適當人工智能方法，還需要進一步開發(fā)全局模型，從而為機器人獲取全局信息。目前發(fā)展較快、對吸塵機器人發(fā)展影響較大的關鍵技術是：傳感技術，智能控制技術、路徑規(guī)劃技術、吸塵技術、電源技術等[2]。2.1定位技術定位是根據(jù)已知的環(huán)境地圖信息，結合機器人內部傳感器的返回信息，對機器人在任意時刻的位姿的估計。根據(jù)機器人定位所采用的傳感器的不同，可以將機器人定位技術分為絕對定位和相對定位[3][4]。相對定位主要有慣導法和測距法兩種。慣導法是利用陀螺儀及加速度計等傳感器，根據(jù)測量值的積分計算出位置的偏移量，而測距法是利用編碼器等傳感器，根據(jù)采樣時間內位移的增量推算出位置。絕對定位是指利用傳感器得到機器人的絕對位置信息，包括電子羅盤定位，GPS定位，路標導航定位，地圖模型匹配等[5]。不同的定位方法都有各自的優(yōu)點以及不足，在具體的定位過程中可以綜合不同的定位方法。2.1傳感技術為了讓清掃機器人正常工作，必須對機器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內部狀態(tài)進行監(jiān)控，還要感知機器人所出工作環(huán)境的靜態(tài)和動感信息，使得吸塵機器人相應的工作順序和操作內容能自然地適應工作環(huán)境的變化。通常采用的傳感器分為內部傳感器和外部傳感器。其中內部傳感器有：編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅盤等。其中編碼器用于確定當前機器人的位置，線加速度計獲取線加速度信息，進而得到線加速度和位置信息；陀螺儀測量移動機器人的角度、角速度、角加速度以得到機器人的姿態(tài)角、運動方向和轉動時運動方向的改變等絕對航向信息。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸很接近傳感器。視覺傳感器采用CCD攝像機進行機器人的視覺導航與定位、目標識別和地圖構造等；超聲波傳感器測量機器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構造等。紅外線傳感器大多采用紅外接近開關來探測機器人工作環(huán)境中的障礙物以及避免碰撞。接觸和接近覺傳感器多用于避碰規(guī)劃。2.2路徑規(guī)劃技術吸塵機器人的路徑規(guī)劃就是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋。機器人路徑規(guī)劃研究始于20世紀70年代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內容按機器人工作環(huán)境不同分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和給于傳感器的路徑規(guī)劃。對運動規(guī)劃問題，目前有具體的解析算法。但由于解析算法牽涉到復雜的橢圓積分問題，實現(xiàn)起來依然具有相當?shù)碾y度。根據(jù)機器人對環(huán)境信息知道的程度不同，可分為為兩種類型：環(huán)境信息完全知道的全局路徑規(guī)劃和環(huán)境信息完全未知或部分未知，通過傳感器在線地對機器人的工作環(huán)境進行探測，以獲取障礙物的位置、形狀和尺寸等信息的局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃包括環(huán)境建模和路徑搜索策略兩個子問題。其中環(huán)境建模的主要方法有：可視圖法（V‐Graph）、自由空間法(FreespaccApproach)和柵格法(Grids)等。2.3吸塵技術真空吸塵器是由高速旋轉的風扇在機體自形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機體內的濾塵袋內。吸塵系統(tǒng)包括濾塵器、集塵袋、排氣管以及其他一些附件。其吸塵能力取決于風機的轉速大小。最近，澳大利亞Jetfan公司又開發(fā)出采用新原理的氣流濾塵器。這個吸塵器是一個封閉系統(tǒng)既無外部氣體吸入，也無機內氣體排除，所以就無需濾塵器、集塵袋、排氣管等附件。其原理是利用附壁效應去形成利亞渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內的渦流腔內，在英國Dyson公司最近推出的DC06型智能吸塵器就采用的了這種技術。2.4電源技術移動電源在吸塵機器人中的地位十分重要，可以說是它的生命源。移動電源需要同時滿足吸塵機器人的多種能源需要，如為移動機構提供動力，為控制電路提供穩(wěn)定的電壓和為吸塵操作模塊提供能源等。在這一領域，一般采用化學電池作為移動電源。理想的電源應該能夠在放電過程中保持恒定的電壓，內阻小以便快速放電，可充電以及成本低等，但實際上沒有一種電池可同時具備上述優(yōu)點，這就要求設計人員選擇一種合適的電池，盡可能增加吸塵機器人的不間斷工作時間。3.總體方案設計3.1設計目標本課題介紹了家用清掃機器人的總體設計方案，具有自主清掃、自動返回充電功能，自動路徑規(guī)劃壁障功能，定時預約功能。要求運行機構形式為輪式，轉彎半徑為0mm，高度不超過100mm，高度不超過400mm，一次充電連續(xù)工作時為0.5小時，營示方式為LED閃光。3.2機械機構設計3.2.1機械本體設計家用清掃機器人，包括控制器、傳感器、電機與動力傳動機構、電源、吸塵器、電源開關等，在清掃機的頂部設有超聲波距離傳感器；清掃機底部前方邊沿安裝有接近開關，接近開關與超聲波距離傳感器一起，構成清掃機測距系統(tǒng)；清掃機裝有直流電機；在清掃機的底部安裝有吸塵器機構。本文所研究的家用清掃機器人的總體布局方案如圖所示，后兩輪為驅動輪，前輪為轉向輪。考慮到機器人實際應用的實用性，本驅動系統(tǒng)設計成一個獨立的可方便替換的模塊，當機器人驅動系統(tǒng)發(fā)生故障時，只需簡單步驟就可以對驅動部分進行替換。同時為了機器人能夠靈活的運動，從動輪選用萬向輪。如圖3.1所示。圖3.1清掃機器人的三維立體圖電機通過電機支架固定在底板上，主動輪與電機通過聯(lián)軸器連接。風機布置在底板的上方，風機與集塵盒之間放置過濾網(wǎng)，將垃圾留在集塵盒內部，吸嘴與集塵盒之間通過轉接頭相連，通過吸嘴、集塵盒、風機構成清掃機器人的內部腔道。3.2.2清掃模塊設計清掃模塊是清掃機器人的最終執(zhí)行機構，對清掃機器人清掃效果有很重要的影響。根據(jù)清掃方式的不同，清掃機器人的清掃方式可以分為有吸掃式和純掃式兩種。吸掃式是依靠清掃機器人內部的風機高速旋轉，使機器人內部的氣體被排出，吸口處的空氣補充進來，機器人內部形成瞬時真空，在此作用下將吸嘴處的垃圾吸入集塵盒中。清掃機器人清掃能力取決于吸嘴處風速的大小，相關資料表明，吸口處的風速在40~60m/s之間，清掃的效果好。垃圾從吸嘴處吸入機器人內部，經(jīng)過一段管道進入機器人的集塵盒中，垃圾被過濾網(wǎng)阻止在集塵盒中，空氣通過風機排出。吸掃式清掃方式也存在一定的局限性，吸嘴中的垃圾在高速運動下，容易與吸嘴的四壁以及垃圾相互之間發(fā)生碰撞，損失動能，使得收集垃圾的能力下降。因此吸掃式清掃方式適用于垃圾量較少的環(huán)境，例如家庭，展覽館等室內環(huán)境[6]。從以上的分析可以看出，本文應采用吸掃式清掃方式。在吸塵口的兩側加兩個邊刷，用一個電機通過兩對錐齒輪來控制，主要的作用是通過旋轉的邊刷將機器人兩側的灰塵雜物掃到吸塵口的前方，這樣在室內的角落，以及機器人吸嘴無法到達的地方，可以用邊刷來協(xié)助完成清掃工作，采用這種清掃方式能夠使清掃機器人的清掃效果獲得很大的提升。3.2.3傳感器布置清掃機器人進行清掃工作必須能夠感知環(huán)境的信息，因此在底板上布置3個超聲波傳感器和5個紅外光電傳感器進行障礙物的檢測，兩個編碼器分別檢測兩個電機的移動距離和一個電子羅盤來測量機器人的角度信息[7]。傳感器的具體分布情況如圖3.2所示。圖3.2清掃機器人傳感器布置3.2.4吸塵機構旨在強大的吸力、將灰塵吸入灰塵儲存箱中。3.2.5擦地機構在清掃、吸塵之后，利用安裝在殼體下面的清潔布擦出殘留在地面上的細小灰塵，保證清潔工作的質量。3.2.6機構三維模型根據(jù)以上分析，利用Pro/E建立三維模型包括底板、移動機構和清掃機構，如圖3.3所示。電機通過電機支架固定在底板上，主動輪與電機通過聯(lián)軸器連接。圖3.3清掃機器人三維模型風機布置在底板的上方，風機與集塵盒之間放置過濾網(wǎng)，將垃圾留在集塵盒內部，吸嘴與集塵盒之間通過轉接頭相連，通過吸嘴、集塵盒、風機構成清掃機器人的內部腔道。3.3硬件電路設計根據(jù)清掃機器人的全覆蓋路徑規(guī)劃要求，硬件電路框圖如圖3.4所示。其中超聲波傳感器、紅外光電傳感器、電子羅盤以及編碼器為信號輸入部分，為清掃機器人提供環(huán)境信息，同時系統(tǒng)根據(jù)路徑規(guī)劃算法控制電機，顯示模塊LCD1602。圖3.4清掃機器人硬件結構框圖3.3.1主控芯件控制系統(tǒng)的主控芯片采用ATmega128，是ATMEL公司生產(chǎn)的一款8位單片機，該單片機控制可靠，內部資源豐富，具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，4K字節(jié)的內部SRAM，并且擁有4個定時器/計數(shù)器，8個外部中斷能夠滿足控制要求，通過ISP實現(xiàn)程序的寫入[8]。3.3.2電機驅動模塊設計主控芯片可以產(chǎn)生一定頻率和占空比的PWM信號，控制電機的轉速。由于單片機的驅動能力有限，不能夠直接驅動電機，因此必須選用合適的電機驅動芯片來實現(xiàn)驅動電機。表3.1L293D引腳的邏輯關系表本文選用L293D作為電機的驅動芯片，芯片內部集成了兩個雙極型H橋電路，可以控制兩個電機，驅動電流為1A。H橋電路的輸入可以控制電機的轉向，使能信號可以控制電機的轉速，以其中的一個H橋為例，如表3.1所示，IN1、IN2控制電機的轉向，IN1為高電平IN2為低電平時電機正轉，同時使能信號EN1控制電機的轉速。PWM信號接入EN1，當PWM信號為高電平時，即EN1為高電平，這時電機可以正常轉動，當PWM信號為低電平時，即EN1為低電平，電機停止轉動，這樣通過改變EN1的高低就可以實現(xiàn)脈寬調制，當IN1，IN2電平高低相同時，電機急停[9]。電機驅動的硬件原理圖如圖3.5所示。圖3.5電機驅動原理圖4.清掃路徑規(guī)劃4.1路徑規(guī)劃概述清掃機器人的路徑規(guī)劃是根據(jù)機器人所感知到的工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，在起始點和目標點規(guī)劃出一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并且實現(xiàn)所需清掃區(qū)域的合理完全路徑覆蓋，同時實現(xiàn)封閉區(qū)域內機器人行走路徑對工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復率。機器人路徑規(guī)劃研究開始于20世紀70年代，目前對這一問題研究仍舊十分活躍。其主要研究內容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)已知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可以分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃[10]。4.1.1路徑規(guī)劃定義所謂路徑規(guī)劃就是指智能自主移動機器人能夠按照存儲在其內部的地圖信息，或根據(jù)外部環(huán)境所提供的一些引導，規(guī)劃出一條路徑，并能夠沿著該路徑在沒有人工干預的情況下，移動到預定目標，同時完成預定的任務。執(zhí)行這個過程的算法就是路徑規(guī)劃算法[11]。4.1.2路徑規(guī)劃意義路徑規(guī)劃反映了移動機器人的運動可能性，效率和能量消耗情況。從移動機器人運動可能性來講，路徑規(guī)劃體現(xiàn)在機器人能否沿規(guī)劃好的從某個起點到某個目標點的路徑運動，并且避開障礙物。從移動機器人運動的效率來講，路徑規(guī)劃體現(xiàn)在機器人能否在最短的時間內走完。從移動機器人的能量消耗來講，路徑規(guī)劃體現(xiàn)在機器人如何運動才能使消耗的總能量最小[12]。4.2全區(qū)域覆蓋的避障系統(tǒng)4.2.1避障系統(tǒng)概述避障系統(tǒng)是移動機器人探測障礙、處理障礙信息及避障方式的一個綜合系統(tǒng)，它的好壞直接影響到清潔機器人工作的效果。避障也是清潔機器人智能化的體現(xiàn)。傳統(tǒng)的清潔機器人避障是在發(fā)現(xiàn)障礙后，就立即調用避障執(zhí)行程序，躲避障礙。對于清潔機器人來講，避障系統(tǒng)必須盡可能的使機器人行走的路徑覆蓋更多的區(qū)域，即提高覆蓋率，所以就必須使得移動機器人充分的接近障礙，同時又要盡量避免碰上。使清潔機器人對障礙的處理不是遠遠地躲避，而應該盡可能地靠近障礙，以便實現(xiàn)最大程度的全區(qū)域覆蓋這一目標。4.2.2避障與路徑規(guī)劃的關系避障系統(tǒng)與路徑規(guī)劃是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體。路徑規(guī)劃所涉及的是清掃機器人整體行走路徑的優(yōu)劣程度問題，避障系統(tǒng)則是幫助清潔機器人在沿規(guī)劃好的路徑行走時探測各種未知障礙物的情況，對障礙物進行處理、識別障礙類型，從而使清潔機器人及時調整路徑，采取路徑規(guī)劃中相應的避障策略進行避障行走。可見避障系統(tǒng)直接影響到清潔機器人路徑規(guī)劃的優(yōu)劣，是清掃機器人順利完成全區(qū)域覆蓋路徑規(guī)劃的保障。4.2.3障礙物的碰撞探測障礙探測是指依靠各種傳感器組成的傳感器陣列對外界環(huán)境進行探測。傳感器陣列是清掃機器人的一個重要組成部分。在清掃機器人系統(tǒng)中，清潔機器人需要實時地收集環(huán)境信息，來建立環(huán)境模型地圖，完成路徑規(guī)劃，實現(xiàn)避障等任務[10]。這些任務都要依靠能實時感知環(huán)境信息的傳感器陣列來完成。傳感器陣列就像是清潔機器人的“眼睛”，收集周圍環(huán)境的某些信息。這些信息是避障、路徑規(guī)劃的依據(jù)，是清掃機器人的行動指南。在實際中，因各種因素的影響，清掃機器人難免會有撞上障礙物的可能。為了處理這種情況，我們利用光電開關傳感器來感應車體受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使清潔機器人做出相應的決策。在清潔機器人的前端設計了約180°的碰撞板，在碰撞板左右兩側各裝有一個光電開關。光電開關由一對紅外發(fā)射對管組成，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線通過清潔機器人機身特制的小孔被光敏二極管接受，當機身碰撞板受到碰撞時，碰撞板就會擋住機身特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統(tǒng)傳達信息[11]。光電開關工作原理如下圖4.1所示。此結構可避免測量盲區(qū)帶來的誤差。清潔機器人在任何方向上的碰撞，都會引起左右光電開關的響應，從而根據(jù)碰11撞的方向做出相應的反應[13]。圖4.1光電開關工作原理圖4.2.4防止跌落為了防止清掃機器人遇到臺階時跌落，在掃地機器人背面安裝3個防跌落傳感器。防跌落傳感器安裝位置如圖4.2所示。防跌落傳感器利用超聲波進行測距。當掃地機器人行進至臺階邊緣時，防跌落傳感器利用超聲波測得掃地機器人與地面之間的距離超過限定值，向控制器發(fā)送信號，控制器控制掃地機器人進行轉向，改變掃地機器人行進方向，從而實現(xiàn)防止跌落的目的。圖4.2防跌落傳感器分布自動規(guī)劃路徑清潔機器人全區(qū)域植蓋路徑規(guī)劃是實現(xiàn)機器人智能的一個關鍵部分,路徑規(guī)劃是自主式移動機器人的一項重要研究內容。一般的路徑規(guī)劃是指在有障礙的前提下,按照一定的標準規(guī)劃出一條從起始狀態(tài)到目標狀態(tài)的無碰路徑,即“點對點”的路徑規(guī)劃。而我們所做的工作則是全區(qū)域極蓋的路徑規(guī)劃。從某一方面來講,這可以看成是前者的組合,但并不是簡單的疊加,而要復雜多。掃地機器人路徑自動規(guī)劃有兩種方法：隨機式全區(qū)域覆蓋和規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋。隨機式全區(qū)域覆蓋方法控制簡單，不需要很多的硬件，軟件編程也簡單，易于實現(xiàn)。但其缺點是移動機器人運行軌跡重復性較大，且運行軌跡不能較快地、充分地覆蓋整個區(qū)域，這種路徑規(guī)劃只考慮完成任務，沒有考慮到時間消耗和能量消耗情況，因此選擇規(guī)劃式全區(qū)域覆蓋法[14][15]。此設計中選擇往返式路徑規(guī)劃方法。往返式路徑規(guī)劃清掃路徑的規(guī)則為當掃地機器人置于室內時，可通過超聲波測距傳感器的信息來判斷它放置于墻邊還是房屋中間。在房屋中間，則先設為它沿某一方向運動到靠近墻邊的某一點。機器人就可從墻邊的某一點開始，按順時針方向繞墻運動一周，先對室內墻邊地面進行一次預清掃。掃地機器人在繞完一圈后再向左或向右行走到墻壁的最左端或者最右端，以此來作為它清擋路徑的起始點，也即絕對坐標的原點。先假設室內只有一個孤立的障礙物，以房屋左下角O點為起始點。開始清掃時，從O點勢始沿Y軸正方向清掃，遇到墻壁時向右原地旋轉90度，向X軸正方向移動一個車身后再向右旋轉90度，沿Y軸負方向清掃，以此往復運動。當遇到障礙物時，則按下面的方法進行規(guī)劃和避障：當清潔機器人運動到障礙物的最左邊點時，根據(jù)步進電機的脈沖數(shù)和驅動輪光柵的脈沖數(shù)計算出最左邊點的坐標。然后根據(jù)超聲波測距傳感器收到的信息沿著障礙物邊緣行進相當于X軸方向一個車身的距離，再原地旋轉到Y軸負方向，沿Y軸負方向繼續(xù)清掃這樣一直往返清掃，當掃地機器人在沿障礙物邊緣清掃時超聲波傳感器突然收不到信號即到達了障礙物的最右端點，掃地機器人將原地一直向左旋轉直到超聲波傳感器再次收到信號為止，然后沿障礙物的上邊沿行進到障礙物的最左端點，再沿Y軸方向進行往返清掃，行進路徑和障礙物下邊沿的行進路徑類似。這樣就可以在清掃過程中自動避開障礙物[16][17]。清掃路徑自動規(guī)劃示意圖如圖4.2所示。圖4.2清掃路徑自動規(guī)劃示意圖自主充電對接系統(tǒng)設計5.1自主對接充電目的自主對接充電的目的是使家庭清潔機器人在電源不足的時候能夠自主切換到充電模式，即暫停清掃工作自主尋找充電站，并在電池端點對接充電站插座后自動充電。當電源達到額定電壓之后機器人能夠重新回到原來位置繼續(xù)原來的清掃任務。在一般情況下機器人可充電電池攜帶的電量無法一次完成較大房間的清掃，因此自主對接充電功能對家庭清潔機器人來說是實現(xiàn)清潔機器人自動完成清掃工作的不可缺少的主要功能[18]。5.2對接充電系統(tǒng)的設計自動充電是用對接充電來實現(xiàn)的，對接充電過程主要用了紅外信號。在清潔機器人的左側和后面都裝有紅外接受傳感器，發(fā)射傳感器則安裝在充電座上。對接充電對清潔機器人是十分重要的，因為機器人自帶的充電電池電量有限，不一定能保證完成清掃工作。當內部電源檢測到電壓低于一定值時，清潔機器人將沿墻壁尋找充電座。一般清潔機器人按右手法則尋找充電座，所以在清潔機器人貼墻的一側和后部各裝有一個紅外接收傳感器，當側面的一側在貼邊過程中收到紅外信號時，清潔機器人順時針旋轉90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時檢測充電座充電電壓即可確定是否已對接上[19]。自動充電示意圖如圖5.1所示。圖5.1自動充電示意圖5.3供電電源的設計充電站和其它家電一樣通過220V交流電來工作的，而系統(tǒng)中元器件是工作在直流電壓下的，這就需要能提供系統(tǒng)工作所需參數(shù)的直流電源。電池所需充電電壓要求大于18.5V，且要求是使用恒流源來實現(xiàn)充電的，電壓則是可以在一定范圍內波動的。這就可以省略一般儀器中使用的穩(wěn)壓電源，從而簡化了電源的設計。這里設計了供電范圍在19V～22V之間的充電電源，采用比率10:1的電源變壓器，使用KBL406（4A的橋式整流電路）來構成整流電路，3300μF的電容構成濾波電路。輸出通過限流電阻接到充電控制器的VDC端。在這個電源的基礎上再輸出供給單片機系統(tǒng)的＋5V電源，一般只需利用器件的非線性就可以實現(xiàn)了，但是這樣的電路的驅動電流比較小。圖5.2充電電源電路圖充電站中具有5個紅外發(fā)射管，對電源的驅動能力有一定的要求，為了得到大電流的＋5V電源，這里選用7805來實現(xiàn)（輸出電流為1A），同時加上紅色的LED作為充電站工作提示燈。5.4充電座的設計為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，選BQ2002F來構成對負電壓增長率和最長充電時間同時檢測的控制器。BQ2002F快速充電集成電路是一種廉價的CMOS鎳氫/鎳鎘充電控制器，電池充足電后，能夠可靠地終止充電。采用可控的限流或恒流源，BQ2002F不僅可以制作質優(yōu)價廉的獨立充電器，也能夠制作機內充電器。該芯片可實現(xiàn)單只或多只鎳氫/鎳鎘電池快速充電。為了保證充足電，快速充電結束后，還可增加補足充電過程。充足電后，為了補充因電池自放電而損失的電量，充電器將自動轉入涓流充電過程。涓流充電速率可根據(jù)電池自放電的程度來選擇。接入充電電源或者更換電池后，快速充電過程開始。為了保證安全充電，當電池的電壓和充電時間到達一定的極限值，快速充電過程即結束?？焖俪潆娊Y束后，自動轉入可選擇的補足充電和涓流充電，涓流充電的速率可以預先設定，利用INH腳可以封鎖快速充電。為了減小功耗，充電器在備用工作狀態(tài)下，BQ2002F工作于低功耗狀態(tài)。5.5紅外線接收器如前所述，在機器人上裝備四個紅外接收器，每個可以接收到90度范圍內的紅外信號，則機器人可以接收周圍360度范圍的紅外信號，其平面布局如圖5.3所示。圖5.3紅外線接收器平面布局圖5.5.1紅外發(fā)射電路紅外發(fā)射電路主要由紅外發(fā)光二極管、調制電路和驅動電路組成，其功能是將存儲在單片機中的對應充電電源位置的指令碼通過發(fā)射電路傳送給接收電路。具體如圖5.4所示。圖5.4紅外發(fā)射電路5.5.2紅外接收電路紅外接收電路的作用就是將紅外通訊信號接收過來，通過放大、限幅和濾波，解調為原始信號后再發(fā)送給單片機進行處理。以往的接收電路都是由紅外接收二極管與放大電路組成，而放大電路通常又是由一個叫CX20106A或者KA2184集成塊及若干電阻電容等組件組成。這樣的接收電路聯(lián)機焊接點較多，使用不夠方便。機器人采用了一種用于紅外遙控接收的小型一體化接收頭PIC1018SCL，它將紅外接收管與放大電路集成為一體，這樣做的優(yōu)點是它體積小(大小與一只中功率三極管相當)，密封性好，靈敏度高，抗干擾性好并且價格低廉，可以說是接收紅外信號的一種理想裝置。PICIO18SCL僅有三個管腳，分別是電源正極、電源負極以及信號輸出端，其工作電壓在2.4～6.5v之間，只要給它接上電源即是一個完整的紅外接收放大器，使用十分方便。它的主要功能包括放大、選頻解調幾個部分，紅外接收頭的輸出有反向作用，即發(fā)射代碼和接收代碼是反向的，輸出電平則兼容TTL，CMOS。PIC1018SCL的輸出信號接到單片機I/0腳上，以完成對紅外編碼信號的譯碼工作，要特別注意的是它的輸出是反向的。總結隨著清掃機器人相關技術的發(fā)展，其應用也將越來越廣泛，如何開發(fā)一款低成本、高智能化的清掃機器人成為一個重要的研究課題。本文對清掃機器人機械機構設計進行了研究，并設計出與之相適應的路徑規(guī)劃和自主充電系統(tǒng)設計。為了完成清潔機器人的路徑規(guī)劃和自充電系統(tǒng)，本文從總體設計到具體部分的分析進行了研究。在總體設計上，本文對家庭清掃機器人的硬件總體結構進行了概要性的描述。清掃機器人的一個重要功能就是實現(xiàn)自主對充電。本文對提出的自主對接充電算法進行了詳盡的討論，并且結合實際對自主充電的各個環(huán)節(jié)進行討論分析同時解決了問題。使得家庭清掃機器人真正的在實際中能夠自主的尋找充電站并進行充電，充電完畢之后能夠繼續(xù)清掃等先前運動模式。作為產(chǎn)品機器人，對于性能的追求和性價比的提高是一個永恒的主題。本文所做的工作還僅僅是首先通過算法構思，其次提出算法理論同時結合大量的國內外文獻的查閱，然后通過算法仿真試驗不斷的測試和修正。因此作為項目本研究的后續(xù)工作還是大有文章可做的。針對開發(fā)中的實際情況，本項目在今后成為主題工作方面可以分為兩個部分：提高簡單機器人的定位的精確