毕业设计 (论文)题 目 基于单片机的清扫机器人设计 学 院 机电工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 成 绩 2016年 06 月 10日摘 要智能家庭清扫机器人结合了传感器、移动机器人技术等多个领域的关键技术，实现室内环境（地面）的半自动或全自动清洁，替代了传统的人工清洁工作，具有十分广阔的市场前景。本文首先综述了家庭清扫机器人的国内外研究现状，在综合比较了国内外多种典型产品的基础上，提出适合中低端用户使用的家庭清扫机器人整体设计方案。 智能家庭清扫机器人系统由清扫机器人和充电站组成。清扫机器人是实现智能清扫的主体部分，本文介绍了清扫机器人的组成部分，并完成了其结构设计与硬件电路的实现。考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了Freescale公司的MC9S08GB60 单片机，所构成的单片机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细说明了红外传感器，尘仓检测，碰撞检测，里程计，贴边行走检测以及吸尘电机、 毛刷电机、主动轮驱动电机等控制原理。在软件设计方面，通过分析底层与路径规划算法的衔接，实现了机器人直行PID 校正算法、里程计返回值的坐标变换及计算等算法，为路径覆盖算法提供依据。并实现了红外、碰撞传感器检测等子程序。 最后，将机器人的全部功能整合进行联合调试。完成 PID 直线校正和里程计误差修正后，加入路径覆盖算法进行房间内的全区域覆盖和地图创建的调试。实验结果表明，该系统性能稳定、可靠，覆盖率高，可随时参与人为控制，安全性高，达到了智能家庭清扫机器人的设计要求。关键词：清扫机器人；智能控制；单片机系统；路径规划AbstractIntelligent domestic cleaning robot unifies many essential technologies such as sensor, mobile robot technology and etc. It has realized the semiautomatic or entire automatic cleaning for indoor environment (ground) and substituted the traditional manual cleaning. It has an expansive prospect on market. The paper first summarizes the domestic and foreign research on the intelligent domestic cleaning robot. Based on the comparison among many typical products, a whole design scheme of intelligent domestic cleaning robot adapt to be used by low-cost product user is brought forward. The robot system is composed of cleaning robot and the battery charging station. Cleaning robot is the main part to realize the intelligent cleaning. This article introduces the constituents of cleaning robot and has completed the hardware circuits and structure design. Considered the memory, the interface resources and the reliability performance and etc, the Freescale Corporations MCU MC9S08GB60 has been chosen as master controller, which makes the MCU application system have strong function, high ratio of performance to price, and totally satisfy the requirement of control function. Then the article specifies the control principle of the infrared sensor, the dust warehouse detection, the collision detection, the speedometer, the edge-walking detection as well as the vacuum motor, the brush motor, the driver motor and etc. Finally, the robot integrated with entire functions is debugged as a whole system. After the PID adjustment of robots straight walking and the speedomete error correction, the robot completes the tests of full path coverage and map generation added into path coverage algorithm in domestic environments. The results indicate that this system has stable, reliable performance, high percentage of coverage, capability of participating in manual control when its necessary, high security and has achieved the design requirement of the intelligent domestic cleaning robot.Key words: cleaning robot, intelligent control, MCU system, path planning目 录摘 要1Abstract2第 1 章 绪 论51.1 课题背景51.2 国内外研究现状综述51.2.1 国外研究现状51.2.2 国内研究现状101.2.3 清扫机器人存在的问题分析111.3 课题研究的目的与意义111.4 本章小结12第 2 章 清扫机器人的总体设计方案132.1 设计目标132.2 清扫机器人的组成部分132.3 清扫机器人的设计方案142.3.1 主控系统142.3.2 驱动电机部分152.3.3 传感器系统152.3.4 红外遥控部分162.3.5 电源部分172.3.6 充电站部分172.4 本章小结17第 3 章 清扫机器人的结构与硬件设计183.1 清扫机器人的总体设计183.2 清扫机器人的结构设计183.2.1 外形设计183.2.2 行走机构设计193.2.3 清扫机构设计193.2.4 吸尘机构设计213.2.5 尘仓机构设计213.3 主控系统223.4 执行电机控制253.4.1 轮子电机驱动原理253.4.2 吸尘与毛刷电机的驱动263.5 传感器部分273.5.1 测速装置模块273.5.2 碰撞检测273.5.3 尘仓红外发射和接收电路283.6 红外遥控模块293.7 电源模块303.8 充电站设计313.9 本章小结32第 4 章 清扫机器人的主体设计334.1 电机选择334.2 蜗轮蜗杆的选择344.3 清扫机构的电机的选择364.4 家庭清洁机器人电池的选用374.5 清扫机构中蜗杆上轴承的寿命的计算384.6 清扫机构中涡轮轴的校核39第 5 章 清扫机器人的软件设计415.1 软件结构框图415.2 PID 校正算法设计415.2.1 PID算法的设计思想425.2.2 电机速度控制方法435.3 坐标计算原理445.4 充电站导航对接程序455.5 主控程序的设计465.6 本章小结46第 6 章 总 结496.1 发展趋势496.1.1 高度智能化需求496.1.2 功能扩展496.1.3 低成本化496.2 发展49参考文献51致谢52第 1 章 绪 论1.1 课题背景近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。自动进行房间地面清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、电子技 术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20 世纪 80 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。1.2 国内外研究现状综述1.2.1 国外研究现状对于机器人大家可能不会太陌生，工业机器人在很多领域都得到了比较广泛的应用，但是对于家庭机器人我们所了解的却相当的少，而日本，欧美等国家的研究则比较领先，有的都已经投入市场，在实际中投入使用。RC3000是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器人，如图1-1所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其能够清洁床，沙发，茶几