主要內(nèi)容簡介
掃地機(jī)器人主要由移動機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 、感知系統(tǒng) 、吸塵系統(tǒng)、 控制系統(tǒng) 和遙控系統(tǒng)五部分組成，通過這五大系統(tǒng)，可以實現(xiàn)室內(nèi)的智能清掃工作的完成；但是在實際應(yīng)用過程中還存在吸力不足、容易破壞家具等問題，本次設(shè)計過程中選用成本相對較低的ATmega16單片機(jī)作為基礎(chǔ)，針對在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了方案研究和設(shè)計改進(jìn)；使得家庭型智能掃地機(jī)器人能在控制成本的情況下更多更好地服務(wù)，更多地節(jié)省了人力物力，為清潔工作做出更多的貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵字：智能掃地機(jī)器人；單片機(jī)；問題
目 錄
第一章 引言 1
第二章 智能掃地機(jī)器人發(fā)展概述 1
第一節(jié) 智能掃地機(jī)器人的產(chǎn)生 1
第二節(jié) 智能掃地機(jī)器人的發(fā)展 2
第三章 智能掃地機(jī)器人清潔過程中遇到的問題 2
第一節(jié) 清潔區(qū)域劃定不全 3
第二節(jié) 對家具等造成破壞 3
第三節(jié) 吸力不足 4
第四章 智能掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
第一節(jié) 智能掃地機(jī)器人設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié) 5
一、傳感器技術(shù) 5
二、室內(nèi)定位技術(shù) 5
三、路徑規(guī)劃技術(shù) 5
第一節(jié) 基于AT89C51單片機(jī)的智能掃地機(jī)器人設(shè)計 6
一、整體布局 6
二、移動機(jī)構(gòu) 7
三、感知機(jī)構(gòu) 7
四、控制系統(tǒng) 7
五、清掃和吸塵系統(tǒng) 7
六、外殼設(shè)計 8
七、硬件系統(tǒng) 8
第五章 結(jié)論 9
參考文獻(xiàn) 9
第一章 引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能方面的研究引起了人們大量的關(guān)注，與此同時智能機(jī)器人的研究也越來越受到人們的重視，其中智能掃地機(jī)器人正逐步進(jìn)入人們的日常生活。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國內(nèi)生活水平的提高及生活節(jié)奏的加快，原本只存在于歐美市場上的智能掃地機(jī)器人開始涌入國內(nèi)，并逐漸地被人們所接受；可以預(yù)見，智能掃地機(jī)器人將會像普通家電一樣成為每個家庭必備的幫手，產(chǎn)品也會向著更加智能化發(fā)展，甚至?xí)诓痪玫膶碇鸩降厝〈斯で鍧崱?
在智能掃地機(jī)器人步入各種應(yīng)用場所的同時，對其性價比，使用便捷性，可靠性等都提出了新的要求，因此設(shè)計一款符合理論又能迎合市場要求的智能掃地機(jī)器人具有重大的意義。所以本次畢業(yè)設(shè)計選取了智能掃地機(jī)器人作為設(shè)計內(nèi)容，同時與專業(yè)內(nèi)容相結(jié)合，選擇利用單片機(jī)設(shè)計一款能夠最大程度上解決現(xiàn)狀使用過程中遇到的問題的掃地機(jī)器人。
第二章 智能掃地機(jī)器人發(fā)展概述
第一節(jié) 智能掃地機(jī)器人的產(chǎn)生
智能掃地機(jī)器人這個概念最先出自臺灣及美國市場，世界上第一臺掃地機(jī)是1996年由瑞典家電巨頭伊萊克斯制造，并在2001年實現(xiàn)量產(chǎn)，叫做“三葉蟲”的掃地機(jī)器人，如圖1所示。這一臺機(jī)器頗具現(xiàn)在智能掃地機(jī)的元素；伊萊克斯三葉蟲掃地機(jī)器人最大的亮點在于其使用的超聲波仿生技術(shù)可以使掃地機(jī)器人很好的規(guī)避障礙物，同時也可以在全黑的環(huán)境下進(jìn)行工作，完全不受光線的影響。外觀設(shè)計上，它的高度有13cm，可以鉆到桌子和床底下清理；在導(dǎo)航上，“三葉蟲”掃地機(jī)器人通過超聲波探測躲避障礙，同時幫助它構(gòu)建房間地圖；避障上，第一代“三葉蟲”掃地機(jī)器人不能很好規(guī)避，第二代加入了紅外傳感器，但是沒有下視探頭，所以只能在水平方向上規(guī)避，需要通過在有樓梯盡頭和房門出貼上磁條作為虛擬墻防止跌落；此外，“三葉蟲”掃地機(jī)器人每次充電后可以運(yùn)行60分鐘，分三個擋位運(yùn)作：正常、快速和點清理，吸塵器充滿垃圾時還會發(fā)出燈光警告。
圖1 世界上第一款智能掃地機(jī)器人—“三葉蟲”
第二節(jié) 智能掃地機(jī)器人的發(fā)展
2002年后，掃地機(jī)器人所使用的各類單片機(jī)性能逐步提升，成本也逐漸降低，同時儲存容量更大，可容納更多的程序算法。從2002開始，美國Irobot和臺灣Proscenic分別推出各自系列的掃地機(jī)器人。
美國機(jī)器人iRobot公司推出的是Roomba系列智能掃地機(jī)器人，其研發(fā)的Roomba780于2012獲得了“紅點設(shè)計榮譽(yù)提名獎”。與之前的掃地機(jī)器人相比，Roomba780掃地機(jī)器人最大的技術(shù)特征在于實現(xiàn)了掃地機(jī)器人的優(yōu)化算法，其核心是在達(dá)到全覆蓋清掃的同時，減少對同一區(qū)域的重復(fù)打掃。Proscenic以臺灣工研院為產(chǎn)品研發(fā)背景，專注于智能家居清潔的設(shè)計開發(fā)，其產(chǎn)品針對東方家庭設(shè)計，采用可升降V刷加真空吸入的清掃模式，升降V刷可以更好的貼合地面，針對靜電吸附在光滑地面的灰塵有更加明顯的處理效果。除了經(jīng)典王牌Pro-902備受歡迎外，Proscenic還先后推出了Pro-COCO，COCO SMART等眾多熱銷的智能掃地機(jī)器人，與走高端路線的iRobot和國產(chǎn)品牌科沃斯共同占領(lǐng)了80%左右的國內(nèi)掃地機(jī)市場份額。
2007年至今，逐步地有更多的公司進(jìn)入智能掃地機(jī)器人市場，其投入的大量資源及行業(yè)間激烈的技術(shù)競爭大力地推動了智能掃地機(jī)器人技術(shù)的革新與整個產(chǎn)業(yè)的升級，產(chǎn)品也被更多的普通消費(fèi)者所接受。
第三章 智能掃地機(jī)器人清潔過程中遇到的問題
智能家庭清掃機(jī)器人發(fā)展至今已經(jīng)基本普及，雖然智能掃地機(jī)器人體積小巧，清掃區(qū)域相對于其他吸塵機(jī)器來說更廣，減輕人類操作的負(fù)擔(dān)等等優(yōu)點，但仍有一定不足。以下為本次畢業(yè)設(shè)計調(diào)研過程中針對用戶體驗總結(jié)的智能家庭清掃機(jī)器人使用問題。
第一節(jié) 清潔區(qū)域劃定不全
現(xiàn)今的智能清掃機(jī)器人都有清潔區(qū)域劃定的功能，一般工作原理都是通過紅外線傳感技術(shù)( 該技術(shù)有一定缺點但成本控制較低) 得以實現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行清掃工作時，移動過程中會從特定的發(fā)散口發(fā)出紅外射線，當(dāng)射線碰觸到深色物體表面時會返回到機(jī)器人，這樣機(jī)器人內(nèi)部的控制記憶面板會產(chǎn)生此處記憶并自動轉(zhuǎn)彎，從而進(jìn)行其余區(qū)域的清掃。
這種清掃雖然有軌跡可循，然而由于家庭中家具顏色深淺度不同，靜物擺放多而雜亂，且大多數(shù)都為不規(guī)則形狀，使得射線無法百分百的進(jìn)行回射，從而機(jī)器人清掃區(qū)域雖廣，但劃定并不全面，有許多死角無法清潔到，而且同時別的地方又存在被多次清潔的情況出現(xiàn)，使得清掃成果并不均勻。
第二節(jié) 對家具等造成破壞
清掃機(jī)器人在進(jìn)行清掃工作時會對障礙物進(jìn)行規(guī)避，這種規(guī)避包括完全規(guī)避與緩沖碰撞規(guī)避。如果運(yùn)用超聲波仿生技術(shù)可以有效進(jìn)行完全規(guī)避，即機(jī)身完全不會碰觸障礙物表面，然而這種技術(shù)成本非常高，所以應(yīng)用的并不廣泛，大多數(shù)清掃機(jī)器人還是以紅外線傳感技術(shù)為主，這種情況下機(jī)器人在躲避障礙物時無法完全不碰觸表面，會在碰觸之前進(jìn)行緩沖，減小碰撞力度，盡量避免對障礙物表面的破壞。然而這種技術(shù)只限于實心且規(guī)則的障礙物，如大面積的柜門等，對于非實心物體，如圓柱體或不規(guī)則物體無法識別緩沖，故而會對物體表面（如柜角和桌腿的表層漆）有一定的破壞。
圖2 掃地機(jī)器人損壞家具實拍圖
第三節(jié) 吸力不足
掃地機(jī)器人吸力的大小與其的清掃能力有著直接的關(guān)系，換句話說吸力的大小決定了掃地機(jī)器能掃除哪些類型的垃圾，如果吸力不夠，大顆粒雜質(zhì)和細(xì)小綿塵就會被忽略，極大的影響清掃效果。智能家庭清掃機(jī)器人大多具有吸塵能力，對普通灰塵有一定清潔能力。然而由于這種機(jī)器人體積的限制，吸塵口徑過小，而且滾刷的毛也是呈螺旋狀，一些大顆粒物質(zhì)( 如沙、土、水果的籽等) 無法吸入，導(dǎo)致清潔不徹底，這也是這種智能清掃機(jī)器人清潔力度不夠的原因。如圖3所示，為試驗過程中部分較大顆粒的雜物無法被智能機(jī)器人清除。
圖3 試驗過程中較大/重顆粒雜物清除效果實拍圖
第四章 智能掃地機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
第一節(jié) 智能掃地機(jī)器人設(shè)計關(guān)鍵環(huán)節(jié)
掃地機(jī)器人完成清掃任務(wù)可以分成4個步驟,即定位、構(gòu)圖、規(guī)劃、清掃。機(jī)器人的定位、構(gòu)圖和路徑規(guī)劃等決定著機(jī)器人的清掃效率和清潔效果，這些直接影響用戶的使用體驗。
一、傳感器技術(shù)
掃地機(jī)器人的主要功能就是在無人干預(yù)下獨立完成清潔任務(wù)，在室內(nèi)環(huán)境下機(jī)器人需要避障、防跌落、檢測污染物，知道自己的位置和建立環(huán)境模型，甚至有的還需要檢測環(huán)境溫度和PM2.5的含量。那么防跌落傳感器、溫度傳感器、重量傳感器和自身定位傳感器等很多傳感器需要集成在機(jī)器人身上。目前，用的最多的傳感器是紅外傳感器和超聲波傳感器，紅外傳感器一般放在機(jī)器人前端發(fā)射紅外線遇到障礙物后反射，確定與障礙物的距離并繞開障礙物。紅外傳感器的優(yōu)點是方向性強(qiáng)、測量精度高，主要缺點是探測視角小，很難探測到前方狹小障礙物、透明物體或深色物體。超聲波傳感器相對于光學(xué)傳感器而言，具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能測實距、可沿聲波方向獲得三維信息的優(yōu)點。但是，方向性差、視域有限，并且有反射、噪音、交叉等問題。紅外傳感器和超聲傳感器單只能獲得目標(biāo)的距離信息，不能獲得目標(biāo)的邊界信息，在實際使用中，通常多個傳感器聯(lián)合使用。當(dāng)前傳感器向著多樣化、微型化發(fā)展，精確性也有很大提升，但有些傳感器價格較高，這是當(dāng)前沒有得到普及的主要原因。
二、室內(nèi)定位技術(shù)
隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，室內(nèi)的定位方式多種多樣。當(dāng)前市面上主流的定位系統(tǒng)有RPS激光定位系統(tǒng)、SLAM圖像位移定位系統(tǒng)。RPS是基于谷歌無人車的激光定位系統(tǒng)，通過位于機(jī)器人頂部的激光探頭每秒5次掃描周圍環(huán)境，能夠測量出機(jī)器人與周圍環(huán)境的距離，實時變化定位坐標(biāo)，但由于激光探頭一直在高速旋轉(zhuǎn)，所以壽命短、維修率高。VSLAM圖像位移定位系統(tǒng)是通過攝像頭實時拍攝周邊的環(huán)境提取特征點，通過位移的偏差變化定位坐標(biāo)。
三、路徑規(guī)劃技術(shù)
清潔機(jī)器人的路徑規(guī)劃是根據(jù)感知到的環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，從起始點到目標(biāo)點規(guī)劃一條與環(huán)境障礙無碰撞的路徑，并實現(xiàn)對工作區(qū)域的最大覆蓋率和最小重復(fù)僅在無環(huán)境建模的情況下，常采用隨機(jī)的方法進(jìn)行規(guī)劃，即將機(jī)器人放到清潔的環(huán)境下，隨機(jī)的方向前進(jìn)直到遇到障礙物后轉(zhuǎn)一定的角度繼續(xù)向前，通過大量隨機(jī)往復(fù)式清潔來提高機(jī)器人的覆蓋率，采用這種方式的成本不高，但是效率低。第二種情況是，以環(huán)境地圖為基礎(chǔ)，采用“S”形的方式往復(fù)清掃，一般第一次清掃的覆蓋面積達(dá)到90%以上。采用這種方式覆蓋面積大，清潔效率高，但一般用在有環(huán)境建模的掃地機(jī)器人上。
第一節(jié) 基于AT89C51單片機(jī)的智能掃地機(jī)器人設(shè)計
受專業(yè)知識水平、設(shè)備和資金等的限制，本次設(shè)計過程中在平衡各方面條件和最終設(shè)計效果之后，選擇使用ATmega16 單片機(jī)完成掃地機(jī)器人的設(shè)計；單片機(jī)控制電路和引腳如圖4所示。
圖4 單片機(jī)控制電路和引腳示意圖
一、整體布局
機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由感知機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)、吸塵機(jī)構(gòu)以及車體組成，機(jī)器人的前輪采用差動式驅(qū)動，后輪采用隨動輪?；跈C(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性，機(jī)器人使用圓形狀結(jié)構(gòu)，圓形狀結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢就是控制起來簡單，運(yùn)動起來不易和障礙物發(fā)生碰撞。車體前端兩側(cè)采用兩個光電傳感器，這樣就有四種組合方式，也就是有四種狀態(tài)，這樣就可以識別一切障礙物，不會有盲點。
二、移動機(jī)構(gòu)
移動系統(tǒng)是由兩個伺服電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動組成，兩個伺服電機(jī)分別帶動兩個后輪，而后輪則采用隨動輪，這樣就帶動吸塵系統(tǒng)前行。后輪采用隨動輪，而不是雙輪，這樣做可以很好的加強(qiáng)了小車轉(zhuǎn)彎的靈活性。通過改變控制系統(tǒng)輸出的pwm占空比，可對兩個伺服電機(jī)實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。對兩個伺服電機(jī)輸出相同頻率不同占空比，電機(jī)的轉(zhuǎn)速則不同，通過這樣差速方式，實現(xiàn)吸塵器的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)彎，右轉(zhuǎn)彎等功能。這樣便可是使掃地機(jī)器人隨意轉(zhuǎn)彎.同時轉(zhuǎn)彎的速度可以通過單片機(jī)的程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。
三、感知機(jī)構(gòu)
感知機(jī)構(gòu)由分布在機(jī)器人兩側(cè)的光電傳感器組成。其采用光電元件作為檢測元件，一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成，光電傳感器對機(jī)器人的位置進(jìn)行探測，判斷左右轉(zhuǎn)彎是否可行。光電開關(guān)輸出與障礙物位置間的關(guān)系如下：
左光電開關(guān)：0；右光電開關(guān)：0；障礙物位置：正前。
左光電開關(guān)：0；右光電開關(guān)：1；障礙物位置：左前。
左光電開關(guān)：1；右光電開關(guān)：0；障礙物位置：右前。
左光電開關(guān)：1；右光電開關(guān)：1；障礙物位置：未碰撞。
四、控制系統(tǒng)
綜合本次設(shè)計的目標(biāo)和具有的外部條件，本次選擇使用ATmega16單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，AVR單片機(jī)功能強(qiáng)大，能夠使得I/O口資源靈活，是一種處理能力極強(qiáng)的微控制器，同時提供許多控制系統(tǒng)的選擇方案。
五、清掃和吸塵系統(tǒng)
吸塵系統(tǒng)采用小型吸塵器，主要由吸道，吸嘴，氣泵和吸室組成。
吸塵原理：吸塵器的電機(jī)葉扇在電動機(jī)驅(qū)動下將電機(jī)中的空氣排出，這樣電機(jī)內(nèi)部和外界就形成了一個氣壓差，于是外界的氣體就會源源不斷進(jìn)入電機(jī)中。這樣的話，塵埃等垃圾就會被吸入吸室內(nèi)，吸室中有一個過濾器，將垃圾等留在吸室中，空氣則排出吸室。
家庭智能掃地機(jī)器人機(jī)身小，大多數(shù)機(jī)器人吸塵口徑小，齒輪密度大，導(dǎo)致無法清潔大顆粒物質(zhì)。家庭擺設(shè)的花草等大多需要土壤支持，有小孩的家庭更是無法保證沒有大顆粒物質(zhì)掉落，如水果的籽和果皮等，這時就需要手動清掃或使用手動吸塵器進(jìn)行清潔，費(fèi)時又費(fèi)力。給智能掃地機(jī)器人底部配置一個大口徑的吸塵口及齒輪便可解決此類問題。這種口徑占地面積大，所以需配備一個短細(xì)疏通管直接接入存塵盒，使得大顆?；覊m不通過螺旋軟刷，直接進(jìn)入存塵盒，之后只需進(jìn)行正常的清洗維護(hù)機(jī)器人工作即可。
六、外殼設(shè)計
針對家庭掃地智能機(jī)器人對物體表面造成破壞的問題，提出一定的解決方法。
大多數(shù)機(jī)器人已經(jīng)安裝半包式軟膠外體來減緩撞擊造成的破損，然而這種方法由于紅外遙控射線對顏色的要求嚴(yán)格，使得未軟包部分常常碰撞到物體表面，久而久之會對物體表面造成損壞，這也是很多家庭放棄選擇智能掃地機(jī)器人的原因。這種情況下如果選擇超聲波仿生技術(shù)，造價會過于昂貴，建議使用一種新型的軟性防撞板，這種材料經(jīng)常運(yùn)用于建筑材料中，本身具有可塑形性及軟碰撞性。軟性防撞板輕薄且成本較低，可以對機(jī)器人進(jìn)行全包設(shè)計，并且可以在機(jī)器人底部紅外遙感處流出空隙，不會妨礙射線的返回，故而可以有效地防止空心及不規(guī)則物體表面破損。
七、硬件系統(tǒng)
硬件電路圖主要有五部分，分別為 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、電源及穩(wěn)壓部分、感知結(jié)構(gòu)部分、遙控模塊和繼電器控制電路。完整的電路圖如圖5所示。
圖5 掃地機(jī)器人控制電路
第五章 結(jié)論
目前智能掃地機(jī)器人已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是還有很大的改進(jìn)之處，比如傳感器還有很大的進(jìn)步空間，傳感器是非常重要的一部分，只有更復(fù)雜，更精良的傳感器才能滿足人們各種復(fù)雜的需求，我們才能做出更高級的機(jī)器人。其實還可以使用更高級的技術(shù)，但是考慮到成本，我們不得不放棄選用。本次設(shè)計過程中，選用成本相對較低的ATmega16單片機(jī)作為基礎(chǔ)，針對在實踐中發(fā)現(xiàn)清掃區(qū)域劃分不全、對不規(guī)則物體表面進(jìn)行一定程度破壞和對大顆粒物質(zhì)清潔力不夠等問題進(jìn)行了方案研究和設(shè)計改進(jìn)，使得家庭型智能掃地機(jī)器人能在控制成本的情況下更多更好地服務(wù)，更多地節(jié)省了人力物力，為清潔工作做出更多的貢獻(xiàn)。
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