1613-小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 江培

1613-小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 江培,小型,清掃,打掃,機(jī)器人,控制,節(jié)制,部分,部份,設(shè)計(jì),江培 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 興 湘 學(xué) 院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng) 學(xué) 號(hào)： 2007964217 姓 名： 江 培 指導(dǎo)教師： 秦 衡 峰 完成日期： 2011 年 5 月 20日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書(shū)論文（設(shè)計(jì)）題目： 小型清掃機(jī)器人的控制部分設(shè)計(jì) 學(xué)號(hào)： 2007964217 姓名： 江 培 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 秦衡峰 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求1、檢索國(guó)內(nèi)外清掃機(jī)器人的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析國(guó)內(nèi)的情況； 2、分析清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題； 3、完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化設(shè)計(jì)； 4、完成單片機(jī)實(shí)現(xiàn)小車(chē)行走驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 5、完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)； 6、完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字?jǐn)?shù)不低于一萬(wàn)字，使用 A4編輯及 打印裝訂成冊(cè)； 8、技術(shù)圖紙：控制系統(tǒng)硬件電路原理圖 1 張、控制系統(tǒng)程序流程分圖 1 張 9、翻譯英語(yǔ)技術(shù)資料：翻譯課題相關(guān)英文資料。要求：3000 單詞，復(fù)印原稿與翻譯（打?。└逋瑑?cè)裝訂。 二、重點(diǎn)研究的問(wèn)題1、清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇設(shè)計(jì)； 2、清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)； 3、清掃機(jī)器人的單片機(jī)硬件控制系統(tǒng)中外圍硬件設(shè)備的選擇及設(shè)計(jì)。 三、進(jìn)度安排四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)[1] 李鴻主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M], 湖南：湖南大學(xué)出版社，2004 [2] 韓全立，王建明.單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M],北京：電子工業(yè)出版社，2004 [3] 周平，伍云輝.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M],四川：電子科技大學(xué)出版社，2004 [4] 胡偉，季曉衡. 單片機(jī) C 程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例[M],北京：人民郵電出版 社， 2004 [5] 湯　陽(yáng),戴光智,王銳鵬. 家用自主吸塵機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī) 測(cè)量與控制,2006,14 11 :1554 - 1556. [6] 趙龍慶，徐國(guó)棟.一種基與單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器[J]，西南林學(xué)院 學(xué)報(bào)，2005.6 序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間1 資料檢索、查詢(xún) 2011年 2月 20日-3 月 5日2 系統(tǒng)總體方案的構(gòu)思及設(shè)計(jì) 2011年 3月 6日-3 月 20日3 完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案選擇設(shè)計(jì) 2011年 3月 21日-4 月 10日4 完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 2011年 4月 11日-4 月 25日5 完成清掃機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì) 2011年 4月 26日-5 月 10日 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)和編輯 2011年 5月 11日-5 月 19日7 交畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和圖紙，準(zhǔn)備答辯 2011年 5月 20日-5 月 25日 潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) 2007964217 姓名 江 培 專(zhuān)業(yè) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無(wú)觀(guān)點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。綜合評(píng)價(jià)選題基本合理，符合專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到了訓(xùn)練的目的，選題難度適當(dāng)，與科研相結(jié)合，學(xué)生有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力，能較好的運(yùn)用知識(shí)，基本具備研究方案的設(shè)計(jì)能力和研究方法和手段的運(yùn)用，具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力。論文立論基本正確，結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)謹(jǐn)合理，程序運(yùn)行正確。文字比較通順，觀(guān)點(diǎn)有所提煉，綜合概括能力比較好。評(píng)閱人： 年 月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見(jiàn)學(xué)號(hào)： 2007964217 姓名： 江 培 專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)） 41 頁(yè) 圖 表 2 張論文（設(shè)計(jì)）題目： 小型清掃機(jī)器人的控制部分設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要： 本設(shè)計(jì)主要是根據(jù)小型清掃機(jī)器人的發(fā)展歷史以及現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。小型清掃機(jī)器人是將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有效的結(jié)合起來(lái)，能大大的降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)效率的新時(shí)代產(chǎn)物。其廣泛應(yīng)用于室內(nèi)清潔，有著廣闊的市場(chǎng)前景。本設(shè)計(jì)圍繞結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，傳感器件的選擇，芯片的選擇，路徑的規(guī)劃和算法以及程序的編寫(xiě)的方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。后兩者為本設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。本清掃機(jī)器人采用圓柱形結(jié)構(gòu)，兩后輪分別由步進(jìn)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。有較強(qiáng)的靈活性和準(zhǔn)確性。車(chē)前碰板的設(shè)計(jì)和沿X軸和 Y 軸遍歷方式是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處，有效的降低了生產(chǎn)成本。使其被更多層次的人群接受。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目為“小型清掃機(jī)器人控制部分設(shè)計(jì)” 。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，該同學(xué)勤奮刻苦、勇于鉆研，能夠積極根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)展工作。所設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)合理，算法和程序設(shè)計(jì)合理清晰，原理接線(xiàn)圖表達(dá)較為正確，各個(gè)零部件選擇恰當(dāng)。設(shè)計(jì)工作量飽滿(mǎn)，說(shuō)明書(shū)寫(xiě)作認(rèn)真，計(jì)算、校核正確，文獻(xiàn)翻譯較準(zhǔn)確。達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。指導(dǎo)教師： 年 月 日答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)江培同學(xué)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于生活實(shí)際，對(duì)清掃機(jī)器人 進(jìn)行了控制部分的設(shè)計(jì)。該同學(xué)的設(shè)計(jì)算法合理，圖形表達(dá)基本正確，型號(hào)選擇合理。設(shè)計(jì)工作量飽滿(mǎn)，說(shuō)明書(shū)、文獻(xiàn)翻譯書(shū)寫(xiě)認(rèn)真。答辯過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)和原理圖的陳述清楚，回答問(wèn)題正確。達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，成績(jī)?cè)u(píng)定為 。答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 答辯委員會(huì)意見(jiàn)答辯委員會(huì)主任： 年 月 日目錄摘要 ----------------------------------------------------------------------1ABSTRACT------------------------------------------------------------------2第一章 緒論 -------------------------------------------------------------------31.1 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況 -------------------------------------------------------31.2 研究的目的和意義 --------------------------------------------------------41.3 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn) --------------------------------------------------------41.4家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) ------------------------------------------------41.5 總結(jié)也展望 --------------------------------------------------------------5? 發(fā)展趨勢(shì) --------------------------------------------------------------5? 展望 ------------------------------------------------------------------51.6論文主要完成工作 --------------------------------------------------------6第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) -----------------------------------------------------------72.1整體結(jié)構(gòu)布局 ------------------------------------------------------------72.2驅(qū)動(dòng)部分 ----------------------------------------------------------------92.3吸塵部分 ---------------------------------------------------------------102.4電源部分 ---------------------------------------------------------------102.5路徑規(guī)劃算法 -----------------------------------------------------------112.6仿真結(jié)果 ---------------------------------------------------------------13第三章 硬件控制部分設(shè)計(jì) ------------------------------------------------------113.1 AT89系列單片機(jī)簡(jiǎn)介 ---------------------------------------------------143.2 外圍電路 ---------------------------------------------------------------15(1)電源 ------------------------------------------------------------------15(2)復(fù)位電路 --------------------------------------------------------------16(3)時(shí)鐘電路 --------------------------------------------------------------173.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ----------------------------------------------------------183.4 檢測(cè)電路 --------------------------------------------------------------20 3.5 光電編碼器 -------------------------------------------------------------23第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -----------------------------------------------------254.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) -------------------------------------------------------254.2 AT89C51定時(shí)器設(shè)置 -----------------------------------------------------271.計(jì)數(shù)寄存器 TH和 TL -----------------------------------------------------282.T/C控制寄存器 TCON-----------------------------------------------------283.T/C方式控制寄存器 TMOD-------------------------------------------------284.3 AT89C51中斷設(shè)置 ------------------------------------------------------29(1)中斷允許寄存器 --------------------------------------------------------29(2)中斷優(yōu)先級(jí)寄存器 IP ---------------------------------------------------304.4 正反轉(zhuǎn)控制字賦值及存儲(chǔ)位置 --------------------------------------------31第五章 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)偏差和直線(xiàn)前行偏差的脈沖數(shù)計(jì)算 ------------------------------33第六章 程序的編寫(xiě) -----------------------------------------------------------35參考文獻(xiàn): --------------------------------------------------------------------40致謝 -------------------------------------------------------------------------41 0小型清掃機(jī)器人的控制部分設(shè)計(jì)摘要清掃機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人的一種，世界各國(guó)尤其是西方發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于研究開(kāi)發(fā)和廣泛使用服務(wù)機(jī)器人。如果清掃機(jī)器人的性?xún)r(jià)比足夠高，那么清掃機(jī)器人的市場(chǎng)將會(huì)被看好。本文介紹了清潔機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，側(cè)重研究了清潔機(jī)器人的避障控制系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件，設(shè)計(jì)了機(jī)器人樣機(jī)。其主要工作內(nèi)容包括:小車(chē)機(jī)械本體設(shè)計(jì)、控制理論的介紹、AT89C51 單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路及檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和機(jī)器人避障性能測(cè)試試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主避碰的功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:清潔機(jī)器人;避障;AT89C51 單片機(jī)1Small cleaning robot control section designAbstractCleaning robot is one part of the serving robot..Serving robot is beingresearched and developed in the countries all over the world,and which is beingused widely in the west developed countries.If the rate of quality and price of thecleaning robot is highly enough ,the market of the cleaning robot would beprospered.The paper studies the applications and developments of cleaning robot athome and abroad, and researches the control system of the cleaning robot avoidinga obstacle mainly.The model is designed under the actual condition of the lab. The main work of the paper is as follows. The mechanical design of cleaning robot,thetheory of the control system, the design of control system of hardware circuit andsoftware based on AT89C51 SCM, the design of inspective circuit and theexperiment of performance of the cleaning robot avoiding a obstacle.The result of the experiment shows that the robot designed has the functionsof avoiding a obstacle, so it fills the demand of the task.Key works: cleaning robot; avoid a obstacle; AT89C51 SCM2第一章 緒論1.1 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究狀況在國(guó)內(nèi)的一些大學(xué)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對(duì)清掃機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究并取得了一些成果，對(duì)清掃機(jī)器人相關(guān)技術(shù)如機(jī)器感知、機(jī)器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機(jī)器人控制、電源與電源管理、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的研究則更多，這些都為清掃機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90年代開(kāi)始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。該機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：采用全方位移動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人可執(zhí)行對(duì)狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開(kāi)放式機(jī)器人鉸制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)硬件可擴(kuò)展，軟件可移植、可繼承，使機(jī)器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實(shí)時(shí)避障功能，能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運(yùn)動(dòng)兩種運(yùn)行方式；吸塵機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)吸塵腔路的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)于 1999年初在浙江大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。這種智能吸塵機(jī)器人工作時(shí)，首先進(jìn)行環(huán)境學(xué)習(xí)：利用超聲波傳感器測(cè)距，與墻保持一定距離行走，在清潔這些角落的同時(shí)獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時(shí)間；之后，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補(bǔ)充電力。吸塵機(jī)器人在 5.5×3.5m2的實(shí)際家庭環(huán)境中，工作10分鐘可以達(dá)到 90%以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗(yàn)還沒(méi)有進(jìn)行。目前，系統(tǒng)正在引入機(jī)器視覺(jué)和全局圖 1國(guó)內(nèi)公司生產(chǎn)的機(jī)器人 KV8Fig1-7 robots domestic production KV83定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。如圖 1所示。KV8 保潔機(jī)器人是今年在市場(chǎng)以低價(jià)位賣(mài)得比較火的一款產(chǎn)品，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)產(chǎn)品化清掃機(jī)器人。它廣泛用于家庭、辦公和娛樂(lè)場(chǎng)所，以及其它一些人員不便進(jìn)入的地方。KV8 能夠通過(guò)自身的碰撞傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)的清掃和碰撞處理，需要人工對(duì)其電池進(jìn)行充電，有三種工作模式可以選擇，在啟動(dòng)時(shí)伴有音樂(lè)聲。1.2 研究的目的和意義清掃機(jī)器人將移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地融合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動(dòng)或全自動(dòng)清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化清掃機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場(chǎng)前景角度講，清掃機(jī)器人將大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)效率，適用于家庭和公共場(chǎng)館的室內(nèi)清潔。因此，開(kāi)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(chǎng)前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，全區(qū)域覆蓋，能夠充分滿(mǎn)足家庭需求且方便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(lèi)服務(wù)。1.3 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)? 由前面的設(shè)計(jì)家庭清潔機(jī)器人的工作內(nèi)容和要求，在寬 400高 100的體積下如何設(shè)計(jì)和布置好清掃機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，吸塵機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)存垃圾機(jī)構(gòu)。? 遍歷方式的選擇，以及如何用軟件控制實(shí)現(xiàn)其避障功能1.4家庭清掃機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)家庭清潔機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)吸塵機(jī)器人系統(tǒng)通常由四個(gè)部分組成:移動(dòng)機(jī)構(gòu)、4感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和吸塵系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是吸塵機(jī)器人的主體,決定了吸塵器的運(yùn)動(dòng)空間,一般采用輪式機(jī)構(gòu)。感知系統(tǒng)一般采用超聲波測(cè)距儀、接觸和接近傳感器、紅外線(xiàn)傳感器等。隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展,清掃機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)已具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。清掃機(jī)器人的控制與工作環(huán)境往往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(cè)環(huán)境、分析信號(hào),以及通過(guò)適當(dāng)?shù)慕７椒▉?lái)理解環(huán)境,具有特別重要的意義。目前發(fā)展較快、對(duì)清掃機(jī)器人發(fā)展影響較大的關(guān)鍵技術(shù)是:傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)、吸塵技術(shù)、電源技術(shù)等。傳感技術(shù)為了讓吸塵機(jī)器人正常工作,必須對(duì)機(jī)器人位置、姿態(tài)、速度和系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,還要感知機(jī)器人所處工作環(huán)境的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息,使得吸塵機(jī)器人相應(yīng)的工作順序和操作內(nèi)容能自然地適應(yīng)工作環(huán)境的變化。1.5 總結(jié)也展望? 發(fā)展趨勢(shì)雖然清掃機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)步,進(jìn)入了實(shí)用階段,但是自主能力、工作效率方面還不理想,需要在技術(shù)上解決傳感器技術(shù)、定位和環(huán)境建模技術(shù).在此基礎(chǔ)上,自主吸塵機(jī)器人可以向著高度智能化、多功能集成、低成本的方向發(fā)展。? 展望盡管目前價(jià)廉物美的吸塵器給人們的清潔工作帶來(lái)了一定的便利,但過(guò)大的噪音依然讓大多數(shù)使用者望而卻步。清掃機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個(gè)新產(chǎn)品,將使人們能在無(wú)人看守情況下輕松地完成室內(nèi)環(huán)境的吸塵等清潔工作。因此,只要生產(chǎn)成本兼顧到日用電器批量大、價(jià)格低的特點(diǎn), 清掃機(jī)器人將具有誘人的市場(chǎng)前景,有關(guān)資料也預(yù)測(cè)清掃機(jī)器人是未來(lái)幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人。特別是日用清潔電器不論是在市場(chǎng)上或者是在產(chǎn)品的創(chuàng)新上,絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的,未來(lái)仍有相當(dāng)大的成長(zhǎng)空間。盡管目前國(guó)內(nèi)外在清掃機(jī)器人研究開(kāi)發(fā)方面已取得一定的成果,但成本過(guò)高和許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚急待解決或提高,主要有以下幾個(gè)方面: 5(1)目前,價(jià)格過(guò)高是嚴(yán)重影響清掃機(jī)器人打入家電市場(chǎng)的主要因素,因此為了大幅度降低其成本,我們必須開(kāi)發(fā)專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字處理芯片以及微型傳感器。其次,應(yīng)該看到藍(lán)牙技術(shù)在家電行業(yè)的應(yīng)用前景,通過(guò)采用藍(lán)牙技術(shù)將過(guò)高的數(shù)字處理器成本轉(zhuǎn)移到用戶(hù)的個(gè)人電腦上,則有望在短期內(nèi)將清掃機(jī)器人的成本控制在千元左右。(2)未來(lái)的清掃機(jī)器人將向智能化和自主式發(fā)展,因此我們必須結(jié)合現(xiàn)有的基于自適應(yīng)控制、模糊邏輯、遺傳算法等的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù),研究開(kāi)發(fā)出對(duì)環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性、對(duì)環(huán)境障礙物具有安全可靠的防碰撞功能的智能運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制器,使吸塵機(jī)器人完成與人工操作質(zhì)量相同甚至更好的吸塵工作。(3)為了有效地提高清潔的質(zhì)量,還需要對(duì)現(xiàn)有的吸塵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)環(huán)境的臟潔程度,采用模糊邏輯等技術(shù)設(shè)計(jì)合理的吸塵時(shí)間以及相協(xié)調(diào)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度,確保滿(mǎn)意的吸塵效果。(4)電源技術(shù)是吸塵機(jī)器人的核心之一,除了有效地提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和吸塵速度以延長(zhǎng)電池的實(shí)際吸塵時(shí)間外,還尚需優(yōu)化自動(dòng)充電方案,保證機(jī)器人能及時(shí)進(jìn)行充電,自動(dòng)完成對(duì)指定環(huán)境的吸塵任務(wù)。隨著吸塵機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)和性能價(jià)格比的不斷提高或改進(jìn),相信根據(jù)現(xiàn)有的軟硬件條件,未來(lái)幾年內(nèi)就會(huì)推出價(jià)格適中的全自動(dòng)吸塵機(jī)器人產(chǎn)品,進(jìn)而使吸塵機(jī)器人能像普通家電產(chǎn)品一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù),為這一高新技術(shù)產(chǎn)品帶來(lái)可觀(guān)的市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益。1.6論文主要完成工作課題主要完成的工作包括清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇，傳感器的選擇，控制算法的研究，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程及試驗(yàn)。1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇2.避障系統(tǒng)控制方案包括機(jī)器人障礙檢測(cè)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的確定和控制算法的選擇3.控制系統(tǒng)硬件部分包括 AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和傳感器檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)4.控制系統(tǒng)軟件部分6包括 AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)第二章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1整體結(jié)構(gòu)布局整個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)由車(chē)體,吸塵裝置,傳感部分,控制部分組成。傳感部分包括車(chē)身兩側(cè)的光電傳感器和前面的碰板和光電開(kāi)關(guān)組成的接觸式傳感器。機(jī)器人前輪為隨動(dòng)輪,后輪采用差動(dòng)式驅(qū)動(dòng),光電編碼器裝在前隨動(dòng)輪上,與隨動(dòng)輪同軸。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí),碰板帶動(dòng)光開(kāi)關(guān)移動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)變化。光電傳感器對(duì)車(chē)體側(cè)面進(jìn)行探測(cè)，判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2所示：碰板光電傳感器檢測(cè)懸空的光電傳感器隨動(dòng)輪兩獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪吸塵入口兩反向旋轉(zhuǎn)的邊刷圖2 清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖考慮到機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性,本清掃機(jī)器人采用圓形車(chē)體,圓形車(chē)體的最大優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)靈活,控制簡(jiǎn)單,不會(huì)發(fā)生卡死的現(xiàn)象。7車(chē)體前端是一個(gè)碰板系統(tǒng)由一套機(jī)械裝置和光電開(kāi)關(guān)組成,用于檢測(cè)運(yùn)動(dòng)前方的障礙物。左右二個(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),每個(gè)輪子都有電機(jī)、光電傳感器,各自是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),只接受控制系統(tǒng)的控制信號(hào)和反饋給控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息。中間鏤空的部分是清掃系統(tǒng),包括二個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一個(gè)清掃裝置和一個(gè)吸塵裝置。車(chē)體左右二側(cè)裝有二個(gè)光電傳感器,用于對(duì)小車(chē)轉(zhuǎn)彎可行性判斷。前輪的支撐部分是一個(gè)垂直方向可滑動(dòng)桿,中間有彈簧做緩沖(運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也有減震的作用)。本機(jī)器人沒(méi)有采用陣列式碰撞傳感器。而是獨(dú)立設(shè)計(jì)了一塊碰板和光電開(kāi)關(guān)組成,它可以檢測(cè)到車(chē)體前方的一切障礙物,不存在任何盲點(diǎn)?；⌒蔚呐霭逋ㄟ^(guò)2個(gè)連桿和車(chē)體鉸接在一起,連桿和碰板連接的部分可以沿碰板外徑方向滑動(dòng),而和車(chē)體連接的部分可以旋轉(zhuǎn),碰板二端和光電開(kāi)關(guān)相連,當(dāng)碰撞引發(fā)碰板移動(dòng)后,通過(guò)光電開(kāi)關(guān)的變化把信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。碰板可以把障礙物的位置分為3類(lèi):正前方,前方,右前方。通過(guò)2個(gè)光電開(kāi)關(guān)的組合狀態(tài)給出,如果2個(gè)光電開(kāi)關(guān)的初始狀態(tài)是0。如表1所示。表1 碰撞檢測(cè)對(duì)照表左光電開(kāi)關(guān) 0 0 1 1右光電開(kāi)關(guān) 0 1 0 1障礙物位置 未碰撞 右前 左前 正前整個(gè)清掃系統(tǒng)通過(guò)后方的圓孔和車(chē)體相鉸接,可以作很小幅度的擺動(dòng),這樣的設(shè)計(jì)將使機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)性有很大提高,整個(gè)清掃系統(tǒng)又可以分為清掃部分和吸塵部分,每部分各有1個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力,清掃部分在前端,由電機(jī)帶動(dòng)2個(gè)旋轉(zhuǎn)方向不同的滾刷轉(zhuǎn)動(dòng),從而把紙片等大塊垃圾清掃進(jìn)后面的灰塵箱。后面的吸塵系統(tǒng)類(lèi)似一個(gè)吸塵器,橡膠制成的吸塵端口與地面相接。這樣雙選擇性的清掃比一般地單一清掃方式效果要好的多。82.2驅(qū)動(dòng)部分驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪，后輪， 從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu), 而采用了應(yīng)用非常廣泛的平面軸承, 這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)度, 又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性?如圖49圖4 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率, 可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施相同或不同脈沖信號(hào)時(shí), 通過(guò)差速方式, 可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下, 以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎, 甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí), 實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑? 即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過(guò)改變單片機(jī)的程序來(lái)調(diào)節(jié)。根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和其它結(jié)構(gòu)要求，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用北京四通集團(tuán)公司的57BYG250E-SAFRML-0152型兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其參數(shù)如表2.2所示;10表2.2 57BYG250E-SAFRML-0152步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 2.3吸塵部分吸塵部分是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵，吸室，吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過(guò)程中，通過(guò)底盤(pán)上開(kāi)的吸嘴將掃過(guò)的地面上的灰塵吸入吸室。 2.4電源部分由于智能吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般脫線(xiàn)方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池，這樣不但可實(shí)現(xiàn)無(wú)人控制，而且工作時(shí)比較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。2.5路徑規(guī)劃算法在本算法中,機(jī)器人的路徑大體分為兩類(lèi): ①面覆蓋的過(guò)程,機(jī)器人走直線(xiàn),相當(dāng)于一個(gè)”迂回推進(jìn)”的過(guò)程; ②從當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的尋徑過(guò)程,從定位的準(zhǔn)確性考慮,路徑段也為直線(xiàn)。開(kāi)始的時(shí)候機(jī)器人選擇房間的一個(gè)角落( 2座墻壁的交接點(diǎn),便于機(jī)器人定位)作為初始點(diǎn),坐標(biāo)為(0, 0) ,即機(jī)器人上的 p點(diǎn)坐標(biāo)為(0, 0) (本文中的坐標(biāo)都是指 p點(diǎn)坐標(biāo)) ,沿一側(cè)墻的方向建立 X軸 ,第一次清掃沿 X 軸相數(shù) 2步距角（°） 0.9/1.8靜態(tài)相電流（A） 1.5相電阻（ ）?1.0相電感（Mh） 5.3保持轉(zhuǎn)矩（Nm） 1.5定位轉(zhuǎn)矩（Nm） 0.06空載啟動(dòng)頻率（半步方式） （KHz） 3重量（Kg） 1.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（gc㎡） 33011的方向 ,完成后 ,返回原點(diǎn) ,沿 Y軸方向進(jìn)行第二次清掃。這樣既保證了清潔質(zhì)量,又在很大程度上避免了1次清掃所帶來(lái)的死角問(wèn)題。而且由于2個(gè)方向的互補(bǔ)性,并不需要為了遍歷的完整性而采用更為煩雜的算法,通過(guò)2次數(shù)據(jù)融合就可以得到較為精確的環(huán)境信息機(jī)器人的路徑為迂回前進(jìn)的路徑段,每個(gè)路徑段的間隔為機(jī)器人清潔機(jī)構(gòu)的清掃直徑,碰到障礙物后,機(jī)器人的轉(zhuǎn)向90°并且側(cè)移20cm ,在轉(zhuǎn)向90°，這個(gè)動(dòng)作由控制系統(tǒng)做好保存,直接調(diào)用,記為micro1 。(在前進(jìn)過(guò)程中,發(fā)生碰撞時(shí),機(jī)器人的轉(zhuǎn)向所采取的方向,取值可以為”左”或者”右”,由碰撞次數(shù)的奇偶性決定。沿X 軸方向的遍歷圖 沿X軸方向的仿真圖沿Y軸方向的遍歷圖 沿Y軸方向的仿真圖12前可行的方法就是—通過(guò)建立被控制對(duì)象的模糊模型來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊控制器。所謂建立被控制對(duì)象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式來(lái)描述被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。一條“如果—那么”表達(dá)式就是一條控制規(guī)則，因此被控制對(duì)象的模型是由多條控制規(guī)則組成的，這樣通過(guò)該模型就可以從輸入推理得出輸出。具體到本課題，模糊規(guī)則設(shè)定如下:規(guī)則1:如果機(jī)器人前方為階梯（沿X軸方向遍歷），那么它應(yīng)該左轉(zhuǎn)一前行一再左轉(zhuǎn)；(把此類(lèi)型障礙物當(dāng)作墻來(lái)處理)規(guī)則2:如果機(jī)器人前方有障礙物（沿X軸方向遍歷），同時(shí)左側(cè)也有障礙物，那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為左轉(zhuǎn)為不可行）規(guī)則3:如果機(jī)器人懸空，那么它應(yīng)該執(zhí)行電源關(guān)操作規(guī)則4:如果機(jī)器人前方為階梯（沿Y軸方向遍歷），那么它應(yīng)該從右轉(zhuǎn)一前行一再右轉(zhuǎn)；(把此類(lèi)型障礙物當(dāng)作墻來(lái)處理) 規(guī)則5:如果機(jī)器人前方有障礙物（沿Y軸方向遍歷），同時(shí)右側(cè)也有障礙物，那么它應(yīng)該原地轉(zhuǎn)彎180度；（記為右轉(zhuǎn)為不可行）規(guī)則6:如果機(jī)器人右前方?jīng)]有障礙物，那么它應(yīng)該直線(xiàn)前行；規(guī)則7:如果機(jī)器人沿X軸方向遍歷完成，那么執(zhí)行沿Y軸方向的遍歷；（完成與否的判定根據(jù)是否有連續(xù)兩次轉(zhuǎn)彎不可行）規(guī)則8:如果機(jī)器人完成了沿X軸和Y軸方向的遍歷，那么小車(chē)執(zhí)行回充電插座充電；2.6仿真結(jié)果由于只是表達(dá)路徑規(guī)劃的算法,為了描述清晰及簡(jiǎn)便,采用矩形環(huán)境邊緣,障礙物也選用邊緣規(guī)則的矩形,U 型等,而實(shí)際上由于采用碰撞作為邊緣觸發(fā)條件。根據(jù)清掃機(jī)器人沿 X,Y軸方向的仿真圖我們可以較為準(zhǔn)確的得到房間整個(gè)環(huán)境內(nèi)容。13第三章 硬件控制部分設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人車(chē)體下部需安裝吸塵或清掃等輔助機(jī)構(gòu)，故控制系統(tǒng)安裝在小車(chē)底板的上面?？刂葡到y(tǒng)硬件主要包括 AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)及其外圍電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和傳感器檢測(cè)電路。3.1 AT89系列單片機(jī)簡(jiǎn)介機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用的是 AT89C51單片機(jī)。AT89 系列單片機(jī)是ATMEL公司的系列產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)如下:.與 MCS-51'”產(chǎn)品兼容.1000次重復(fù)編程/擦寫(xiě).具有 2. 7V低電壓型號(hào)表 3. 1 AT89系列單片機(jī)的性能參數(shù)功能參數(shù) AT89C51 AT89C52 89C1051 89C2051閃速式存儲(chǔ)器（字節(jié)） 4K 8K 1K 2K內(nèi)存（字節(jié)） 128 256 64 128工作頻率（MHz） 24 24 24 24輸入/輸出線(xiàn) 32 32 15 1516位定時(shí)器/數(shù)器 2 3 1 2中斷源 5 8 3 5串行口 1 1 0 1143.2 外圍電路(1)電源AT89C51單片機(jī)正常工作時(shí)，其 40腳(Vcc)接+SV 電源，20 腳(VSS 接地。本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓集成電路芯片 7805將蓄電池提供的++12V 直流電壓變換成+5V直流電壓。電路原理圖如圖 5所示。D1IN34XD22200uFR151KC10.1uFC20.33uF+12VINGNDOUT78L12VV12J9CON212J8CON2+5V78L0515圖 5 電源電路(2)復(fù)位電路通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱(chēng)為復(fù)位。為使單片機(jī)正常工作，必須保證良好的復(fù)位。復(fù)位可分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位是指單片機(jī)在接通電源時(shí)對(duì)單片機(jī)復(fù)位，外部復(fù)位可由外部脈沖復(fù)位或由手動(dòng)復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。復(fù)位電路如圖 6所示。上電瞬間由于電容 C7兩端電壓不能突變，所以電容正極電壓為低，經(jīng)過(guò) 74LS14反相施密特觸發(fā)器反相后，單片機(jī) RESET腳保持高電平。隨著電容正極電壓的逐漸上升，RESET腳的電壓逐漸下降。只要合理選擇 Rg, C7的值使 RESET腳上高電平的保持時(shí)間超過(guò)兩個(gè)機(jī)器周期，就可以使單片機(jī)可靠復(fù)位，電容 C5, C6起濾波作用，防止干擾竄入復(fù)位端產(chǎn)生誤動(dòng)作。R?RES2C522uFC610pFC710uFS1SW-P B12U11A74LS14VCC圖 6 復(fù)位電路16(3)時(shí)鐘電路單片機(jī)的定時(shí)控制功能是用片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來(lái)完成的，片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式:內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本課題采用內(nèi)部時(shí)鐘方式(如圖 7所示)，片內(nèi)高增益反相放大器通過(guò) XTAL1和 XTAL2外接作為反饋元件的晶體(呈感性)與電容組成的并聯(lián)諧振電路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。AT89C51 工作的時(shí)鐘圖頻率為 0-24MHz。本課題選擇 12MHz的石英晶振與 30pF的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，按不同工藝制造的單片機(jī)芯片有不同的接法， 如表 3. 2所示。 X 11 2 .00 0 M H ZC 33 0 p FC 43 0 p F圖 7 時(shí)鐘電路表 3. 2單片機(jī)外部時(shí)鐘接法表接法 芯片類(lèi)型XTAL1 XTAL2HMOS型 接地 接片外振蕩脈沖入端CHMOS型 接片外振蕩脈沖入端 懸空173.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)原理步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線(xiàn)位移的控制電動(dòng)機(jī)。說(shuō)通俗點(diǎn)，就是給一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或者前進(jìn)一步，因此，步進(jìn)電機(jī)也稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移或線(xiàn)位移量與電脈沖個(gè)數(shù)成正比，它的轉(zhuǎn)速或線(xiàn)速度與電脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力范圍內(nèi)這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。通過(guò)改變脈沖頻率的高低可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，并能進(jìn)行快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。它能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專(zhuān)用設(shè)備—步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，典型的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖８示：圖８進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變頻信號(hào)源是一個(gè)脈沖頻率從幾赫到幾十千赫連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。脈沖分配器根據(jù)指令把脈沖按一定的邏輯關(guān)系加到各相繞組的功率放大器上，使步進(jìn)電機(jī)按一定方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)控制和定位。脈沖分配器輸出的功率極小，只有幾毫安電流，必須通過(guò)功率放大器進(jìn)行放大，才能給相繞組提供足夠的電流。相電流一般需要幾安培甚至十幾安培電流。步進(jìn)電機(jī)有幾相，就需要幾組功率放大器?，F(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常將變頻號(hào)信號(hào)源、脈沖分配器和功率放大器集成在一起，使用起來(lái)十分方便。本課題的步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用的是北京四通電機(jī)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 SH-20402A兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器.其中。其主要特點(diǎn)如下:(1) lOV-40V直流供電(2) H橋雙極恒相流驅(qū)動(dòng)18(3)最大 2A的八種輸出電流可選(4)最大 64細(xì)分的八種運(yùn)行模式可選(5)輸入信號(hào)光電隔離(6)可適應(yīng)共陽(yáng)、共陰、單/雙脈沖多種模式(7)脫機(jī)((FREE)保持功能(8)半密閉式機(jī)殼可適應(yīng)更嚴(yán)苛環(huán)境(9)提供節(jié)能的自動(dòng)半電流鎖定功能S H-20402A兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器性能指標(biāo)如表 3.3所示:表 3.3 電氣性能(環(huán)境溫度 Tj=25℃時(shí))SH-20402A兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)與 TTL電平兼容，驅(qū)動(dòng)器的接線(xiàn)端子采用可拔插端子，可以先將其拔下，接好線(xiàn)后再插上。其輸入信號(hào)如下:(1)公共端驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)采用共陽(yáng)極接線(xiàn)方式，應(yīng)將輸入信號(hào)的電源正極連接到該端子上，將輸入信號(hào)連接到對(duì)應(yīng)的信號(hào)端子上，此時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部光耦導(dǎo)通，控制信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)其中。當(dāng)用戶(hù)系統(tǒng)的信號(hào)無(wú)法提供共陽(yáng)極接線(xiàn)方式時(shí)，需要另作接口電路與之匹配。(2)脈沖信號(hào)輸入該脈沖信號(hào)下降沿被驅(qū)動(dòng)器解釋為一個(gè)有效脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步，脈沖低電平的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于 10 μｓ．(3)方向信號(hào)輸入該端信號(hào)的高電平和低電平控制電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向。該端懸空被等效認(rèn)為輸入高電平?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)，應(yīng)確保方向信號(hào)至少 5 us建立，可避免驅(qū)動(dòng)器對(duì)脈沖的錯(cuò)誤相應(yīng)。(4)脫機(jī)信號(hào)輸入該端接受控制機(jī)輸出的高/低電平信號(hào)，低電平時(shí)電機(jī)相電供電電源 10VDC-40VDC,容量 30VA輸出電流 峰值最大 2A/相（電流可由面板點(diǎn)位器調(diào)節(jié)）驅(qū)動(dòng)方式 恒相流 PWM控制勵(lì)磁方式 最大六十四細(xì)分的八種運(yùn)行模式（也可定制十細(xì)分）絕緣電阻 在常壓下大于 100M?絕緣強(qiáng)度 在常溫常壓下 0.5KV，1 分鐘19流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)(脫機(jī)狀態(tài))。高電平或懸空時(shí)，轉(zhuǎn)子處于鎖定狀態(tài)。本課題中左右驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器脈沖信號(hào)輸入分別由 AT89C51的 P1_ 0位和 P1_ 2位提供，方向信號(hào)由 AT89C51的 P1_ 1位和 Pl_ 3位提供。3.4 檢測(cè)電路機(jī)器人自主運(yùn)行時(shí)，獲得外部環(huán)境信息是至關(guān)重要的，而獲得外部環(huán)境信息唯一的途徑就是依靠傳感器。同人一樣，如果不了解周?chē)h(huán)境的情況，機(jī)器人就不能靈活的適應(yīng)環(huán)境，所以精確、靈敏的傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是非常必要的。本課題采用的障礙檢測(cè)傳感器選用的是飛凌傳感器有限公司的 E30-DSSONA直接反射型光電開(kāi)關(guān)，它采用光電開(kāi)關(guān)集成電路、傳感器與放大器合成一體，具有體積小、性能可靠，安裝使用方便等特點(diǎn)。其工作原理為:當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將足夠量的發(fā)光器所發(fā)射的光線(xiàn)直接反射回受光器，光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。所以該傳感器能以非接觸方式檢測(cè)出前方一定范圍內(nèi)的物體，并轉(zhuǎn)換成高電平信號(hào)輸出。其主要技術(shù)參數(shù)如表 3.４示:表 3.4E30-DSSONA光電開(kāi)關(guān)主要技術(shù)參數(shù)電源電壓 DC10~0DC檢測(cè)方法 直接反射、漫反射、擴(kuò)散反射檢測(cè)距離 10-50cm檢測(cè)溫度 -10攝氏度~+55 攝氏度消耗電流 40mA以下檢測(cè)物體 透明、步透明體響應(yīng)時(shí)間 2.5ms以下動(dòng)作方式 亮通、暗通環(huán)境亮度 白熾燈 3000LX以下。太陽(yáng)燈 1000LX以下控制輸出 輸出電流 200mA以下其接線(xiàn)原理圖如圖９所示：20圖９E30-DS50NA 接線(xiàn)原理圖 三根外引線(xiàn)接法如下:棕色線(xiàn)接電源正極(十)，藍(lán)色線(xiàn)接電源負(fù)極(一)，黑色線(xiàn)接負(fù)載(繼電器等)。傳感器背面的紅色發(fā)光二極管用來(lái)指示開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，平時(shí)熄滅，有反射物時(shí)發(fā)光;靈敏度調(diào)節(jié)孔，用來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)反射監(jiān)測(cè)距離，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)反射監(jiān)測(cè)距離增大，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)反射監(jiān)測(cè)距離減小。本課題中將棕色線(xiàn)和藍(lán)色線(xiàn)分別接在直流蓄電池提供的 12V電源的正負(fù)極，由于檢測(cè)障礙時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作將黑色線(xiàn)和棕色線(xiàn)通過(guò)負(fù)載構(gòu)成回路，只需將此開(kāi)關(guān)信號(hào)提供給單片機(jī)即可。由于該光電開(kāi)關(guān)采用 12V電源供電，所以需經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)變?yōu)?TTL電平才將信號(hào)送給單片機(jī)。電平轉(zhuǎn)換是光電藕合器 OPPOISO1完成的(如圖 11，圖中的接線(xiàn)端子 1～3 接光電開(kāi)關(guān)的藍(lán)色線(xiàn)、黑色線(xiàn)和棕色線(xiàn))，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)到障礙，則 TLP521前向通路導(dǎo)通，后向通路中的光敏晶體管隨即導(dǎo)通，輸出由高電平(十 5V )拉低至低電平(接地 )。把 5組光電開(kāi)關(guān)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后的輸出輸入給三輸入與門(mén) 74LS11,74LS11的輸出端接到 AT89C51的外部中斷請(qǐng)求。將這三路光電開(kāi)關(guān)并排安裝在小車(chē)前方，一旦任何一路開(kāi)關(guān)檢測(cè)到障礙，都會(huì)觸發(fā) AT89C51的外部中斷，小車(chē)立刻停車(chē)，根據(jù)前方及兩側(cè)的傳感器判斷障礙物的大小和位置。調(diào)用相應(yīng)的子程序。21U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?U3OPTOISO1R6620123J3CON3R51K+5V?1 2 1312U8A74LS11圖１０檢測(cè)傳感器電平轉(zhuǎn)換原理圖223.5 光電編碼器本課題中要求機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遍歷無(wú)障礙的區(qū)域，這就要求機(jī)器人在繞開(kāi)障礙物以后要回到原來(lái)的行進(jìn)路線(xiàn)上去。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要記錄下機(jī)器人在繞障過(guò)程中偏離原來(lái)路線(xiàn)的路程。因?yàn)閷?shí)際工作對(duì)路程的記錄精度要求不是很高，而且機(jī)器人只有一前進(jìn)和轉(zhuǎn)向兩種運(yùn)動(dòng)方式，故采用自制的光電編碼器可以滿(mǎn)足課題要求。經(jīng)比較，光電元件選用 FS-359E型光電對(duì)管，因?yàn)樗w積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜。其原理如圖 11.當(dāng)發(fā)光二極管不發(fā)光時(shí)，光晶體管基極開(kāi)路，基極發(fā)射極處反偏狀態(tài)，集電極與發(fā)射極之間沒(méi)有電流流過(guò)，相當(dāng)于開(kāi)路狀態(tài);當(dāng)發(fā)光二極管兩端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光線(xiàn)經(jīng)物體表面反射到光敏晶體管的 PN結(jié)處，由于光生福特效應(yīng)，晶體管的基極電流，基極與發(fā)射極正向偏置，產(chǎn)生光電流。該電流相當(dāng)于普通集電極與發(fā)射極之間導(dǎo)通。U 3O P TO I S O 1圖 11 光電對(duì)管原理圖23R161KR171K12U12A74LS14U12OP TOISO1+ 5V+ 12V圖 12 光電編碼原理圖24第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人的單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件作用主要是:當(dāng)避障傳感器檢測(cè)到的信號(hào)后，根據(jù)傳感器的檢測(cè)信號(hào)來(lái)判斷障礙的位置情況，通過(guò)改變電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，使左右驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)產(chǎn)生差速，從而達(dá)到等轉(zhuǎn)彎、避障的目的。其主程序流程圖如圖 13所示. 圖 13 主程序流程圖主程序的任務(wù)是完成系統(tǒng)的初始化。當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)前方檢測(cè)到障礙時(shí)，觸發(fā)外部中斷 INT1，進(jìn)入避障中斷服務(wù)子程序。外部中斷INT1的中斷服務(wù)子程序如圖 14.避障中斷服務(wù)子程序主要完成的任務(wù)是:當(dāng)機(jī)器人前方檢測(cè)到障礙時(shí)，機(jī)器人先停止，然后根據(jù)碰板上的光電開(kāi)關(guān)，以及車(chē)體左右兩側(cè)的光電傳感器和底部的光電傳感器的檢測(cè)信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)子程序。小車(chē)先沿 X軸方向迂回前進(jìn)，將碰撞次數(shù)(即外部中斷次數(shù))存儲(chǔ)在 R1，為奇數(shù)采取左轉(zhuǎn)向原則；為偶數(shù)采取右轉(zhuǎn)向原則。當(dāng)連續(xù)兩次需要原地轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，R1 數(shù)值加 1；當(dāng)這種情況第二次發(fā)25生時(shí)，表示清掃機(jī)器人人沿 X或 Y方向的遍歷完成，初掃模式完成；當(dāng)?shù)谒拇伟l(fā)生這種情況時(shí)，表示清掃機(jī)器人沿 X，沿 Y方向的清掃都已經(jīng)完成，精掃模式完成。如果選擇精掃模式，則在第二次的時(shí)候?qū)⒃匦D(zhuǎn) 180度改為原地旋轉(zhuǎn) 90度。將小車(chē)需要連續(xù)的選擇兩次原地轉(zhuǎn)彎的次數(shù)紀(jì)錄在 R2.通過(guò) R2數(shù)值的設(shè)定選擇清掃模式。? P2.3：懸空判斷? P2.2: 碰撞判斷? P2.1：左障礙判斷? P2.0：右障礙判斷1. 當(dāng)輸入信號(hào)為 1XXX時(shí):表示小車(chē)懸空，調(diào)用中斷程序 1，小車(chē)執(zhí)行總開(kāi)關(guān)“關(guān)”操作;2. 當(dāng)輸入信號(hào)為 010X，R1 為奇數(shù)時(shí)：表示小車(chē)左轉(zhuǎn)彎可行。調(diào)用中斷程序2，小車(chē)執(zhí)行左轉(zhuǎn) 90度，前行 20cm，在左轉(zhuǎn) 90度操作；3. 當(dāng)輸入信號(hào)為 011X，R1 為奇數(shù)時(shí)：表示小車(chē)小車(chē)左轉(zhuǎn)彎不可行,調(diào)用中斷程序 3.小車(chē)執(zhí)行原地左轉(zhuǎn)彎 180度操作；4. 當(dāng)輸入信號(hào)為 01X0，R1 為偶數(shù)時(shí)：表示小車(chē)右轉(zhuǎn)彎可行。調(diào)用中斷程序4，小車(chē)執(zhí)行右轉(zhuǎn) 90度，前行 20cm，在右轉(zhuǎn) 90度操作；5. 當(dāng)輸入信號(hào)為 01X1，R1 為偶數(shù)時(shí)：表示小車(chē)小車(chē)右轉(zhuǎn)彎不可行,調(diào)用中斷程序 5.小車(chē)執(zhí)行原地右轉(zhuǎn)彎 180度操作；外部中斷 INTO服務(wù)子程序的任務(wù)是給光電編碼器計(jì)數(shù)。定時(shí)器 0和定時(shí)器 1溢出中斷服務(wù)子程序的任務(wù)是為左右輪的步進(jìn)電機(jī)提供所需頻率的脈沖。26INT1 入 中斷程序口判斷 P2 口低四位和 R2 的奇偶性關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn) 場(chǎng)調(diào)用子程序1調(diào)用子程序3調(diào)用子程序5開(kāi)中斷恢復(fù)現(xiàn) 場(chǎng)中 斷 返 回調(diào)用子程序2調(diào)用子程序44.2 AT89C51定時(shí)器設(shè)置驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖由 AT89C51的定時(shí)器中斷方式產(chǎn)生。A 丁 89C51有兩個(gè) 16位內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，它們既可以編程為定時(shí)器使用，也可以編程計(jì)數(shù)器使用。若是計(jì)數(shù)內(nèi)部晶振驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，則為定時(shí)器;若是計(jì)數(shù)輸入管腳的脈沖信號(hào)，則為計(jì)數(shù)器。當(dāng) T/C工作在定時(shí)器方式時(shí)，對(duì)振蕩源 12分頻的脈沖計(jì)數(shù)，即每個(gè)機(jī)器27周期計(jì)數(shù)值加 1，計(jì)數(shù)率=1/12fosc。本課題選擇的晶振為 12MHz，計(jì)數(shù)率=1000kHz，即每 1μs計(jì)數(shù)值加 1.當(dāng) T/C工作在計(jì)數(shù)器方式時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖來(lái)自外部脈沖輸入管腳 TO (P3_ 4)或 T 1(P3_5)，當(dāng) TO或 T1腳上負(fù)跳變時(shí)計(jì)數(shù)值加 1。識(shí)別管腳上的負(fù)跳變需兩個(gè)機(jī)器周期，即 24個(gè)振蕩周期。所以 TO或 Tl腳輸入的可計(jì)數(shù)外部脈沖的最高頻率為 1/24fosc。當(dāng)晶振為 12MH