畢業(yè)設(shè)計 (論文)題 目 基于單片機(jī)的清掃機(jī)器人設(shè)計 學(xué) 院 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 成 績 2016年 06 月 10日摘 要智能家庭清掃機(jī)器人結(jié)合了傳感器、移動機(jī)器人技術(shù)等多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代了傳統(tǒng)的人工清潔工作，具有十分廣闊的市場前景本文首先綜述了家庭清掃機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比較了國內(nèi)外多種典型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出適合中低端用戶使用的家庭清掃機(jī)器人整體設(shè)計方案 智能家庭清掃機(jī)器人系統(tǒng)由清掃機(jī)器人和充電站組成清掃機(jī)器人是實現(xiàn)智能清掃的主體部分，本文介紹了清掃機(jī)器人的組成部分，并完成了其結(jié)構(gòu)設(shè)計與硬件電路的實現(xiàn)考慮到存儲、接口資源及可靠性能等，主控器選擇了Freescale公司的MC9S08GB60 單片機(jī)，所構(gòu)成的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)功能強(qiáng)、性價比高，完全滿足控制功能的要求。

然后，詳細(xì)說明了紅外傳感器，塵倉檢測，碰撞檢測，里程計，貼邊行走檢測以及吸塵電機(jī)、 毛刷電機(jī)、主動輪驅(qū)動電機(jī)等控制原理在軟件設(shè)計方面，通過分析底層與路徑規(guī)劃算法的銜接，實現(xiàn)了機(jī)器人直行PID 校正算法、里程計返回值的坐標(biāo)變換及計算等算法，為路徑覆蓋算法提供依據(jù)并實現(xiàn)了紅外、碰撞傳感器檢測等子程序 最后，將機(jī)器人的全部功能整合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試完成 PID 直線校正和里程計誤差修正后，加入路徑覆蓋算法進(jìn)行房間內(nèi)的全區(qū)域覆蓋和地圖創(chuàng)建的調(diào)試實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，覆蓋率高，可隨時參與人為控制，安全性高，達(dá)到了智能家庭清掃機(jī)器人的設(shè)計要求關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人；智能控制；單片機(jī)系統(tǒng)；路徑規(guī)劃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 Corporation's 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 robot’s 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 it’s 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 錄摘 要 1Abstract 2第 1 章 緒 論 51.1 課題背景 51.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 51.2.1 國外研究現(xiàn)狀 51.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 101.2.3 清掃機(jī)器人存在的問題分析 111.3 課題研究的目的與意義 111.4 本章小結(jié) 12第 2 章 清掃機(jī)器人的總體設(shè)計方案 132.1 設(shè)計目標(biāo) 132.2 清掃機(jī)器人的組成部分 132.3 清掃機(jī)器人的設(shè)計方案 142.3.1 主控系統(tǒng) 142.3.2 驅(qū)動電機(jī)部分 152.3.3 傳感器系統(tǒng) 152.3.4 紅外遙控部分 162.3.5 電源部分 172.3.6 充電站部分 172.4 本章小結(jié) 17第 3 章 清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計 183.1 清掃機(jī)器人的總體設(shè)計 183.2 清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 183.2.1 外形設(shè)計 183.2.2 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計 193.2.3 清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計 193.2.4 吸塵機(jī)構(gòu)設(shè)計 213.2.5 塵倉機(jī)構(gòu)設(shè)計 213.3 主控系統(tǒng) 223.4 執(zhí)行電機(jī)控制 253.4.1 輪子電機(jī)驅(qū)動原理 253.4.2 吸塵與毛刷電機(jī)的驅(qū)動 263.5 傳感器部分 273.5.1 測速裝置模塊 273.5.2 碰撞檢測 273.5.3 塵倉紅外發(fā)射和接收電路 283.6 紅外遙控模塊 293.7 電源模塊 303.8 充電站設(shè)計 313.9 本章小結(jié) 32第 4 章 清掃機(jī)器人的主體設(shè)計 334.1 電機(jī)選擇 334.2 蝸輪蝸桿的選擇 344.3 清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)的選擇 364.4 家庭清潔機(jī)器人電池的選用 374.5 清掃機(jī)構(gòu)中蝸桿上軸承的壽命的計算 384.6 清掃機(jī)構(gòu)中渦輪軸的校核 39第 5 章 清掃機(jī)器人的軟件設(shè)計 415.1 軟件結(jié)構(gòu)框圖 415.2 PID 校正算法設(shè)計 415.2.1 PID算法的設(shè)計思想 425.2.2 電機(jī)速度控制方法 435.3 坐標(biāo)計算原理 445.4 充電站導(dǎo)航對接程序 455.5 主控程序的設(shè)計 465.6 本章小結(jié) 46第 6 章 總 結(jié) 496.1 發(fā)展趨勢 496.1.1 高度智能化需求 496.1.2 功能擴(kuò)展 496.1.3 低成本化 496.2 發(fā)展 49參考文獻(xiàn) 51致謝 52第 1 章 緒 論1.1 課題背景近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)與人工智能科學(xué)的飛速發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點。

其中，服務(wù)機(jī)器人開辟了機(jī)器人應(yīng)用的新領(lǐng)域服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有三大原因：一是勞動力成本的上升；二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清潔、家務(wù)、照顧病人等；三是人口的老齡和社會福利制度的完善也為某些服務(wù)機(jī)器人提供了廣泛的市場應(yīng)用前景服務(wù)機(jī)器人區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的一個主要特征就是服務(wù)機(jī)器人是一種適用于具體的方式、環(huán)境及任務(wù)過程的機(jī)器人系統(tǒng)，其活動空間大，具有在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動性，因此服務(wù)機(jī)器人大多數(shù)是移動機(jī)器人自動進(jìn)行房間地面清潔的自主吸塵式家庭服務(wù)機(jī)器人，集機(jī)械學(xué)、電子技 術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體自主吸塵機(jī)器人作為智能移動機(jī)器人實用化發(fā)展的先行者，其研究始于 20 世紀(jì) 80 年代，到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了一些概念樣機(jī)和產(chǎn)品吸塵機(jī)器人的發(fā)展，帶動了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動機(jī)器人技術(shù)、圖像和語音識別、傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.2.1 國外研究現(xiàn)狀對于機(jī)器人大家可能不會太陌生，工業(yè)機(jī)器人在很多領(lǐng)域都得到了比較廣泛的應(yīng)用，但是對于家庭機(jī)器人我們所了解的卻相當(dāng)?shù)纳?，而日本，歐美等國家的研究則比較領(lǐng)先，有的都已經(jīng)投入市場，在實際中投入使用。

RC3000是世界上第一臺能夠自行完成所有家庭地面清潔工作的清潔機(jī)器人，如圖1-1所示，它有光電傳感器和芯片控制，當(dāng)遇到障礙時，會隨機(jī)改變一個角度，然后繼續(xù)直走，直到遇到新的障礙物內(nèi)置了四種清潔程序，保證在遇到不同污漬的地面時，可以調(diào)整其清潔程序；通過傳感器對于地板污漬的判斷，選擇合適的應(yīng)用程序內(nèi)置光敏傳感器，確保在遇到樓梯與臺階時，能夠自動避讓，不會掉落扁平的設(shè)計使其能夠清潔床，沙發(fā)，茶幾。