1、CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY开 题 报 告设计题目： 基于单片机的扫地机器人设计 学生姓名： 王鼎暄 学院名称： 电气与信息工程学院 专业名称： 自动化 班级名称： 1142 学 号： 1104421232 指导教师： 杜波 教师职称: 副教授 学 历： 硕士研究生 2015 年 3 月 21 日开 题 报 告一、选题依据1.设计目的及意义自动扫地机，是一种智能扫地、吸尘工具，是一种配备了微电脑系统的电动保洁设备，它能能够按照人们的设置清洁房间的某一特定部分或全部。清洁机器人最早出现于美国，随后发展的欧美，风靡港澳台，90 年代中期进入大陆。国内自动扫地机
2、主要几种品牌：iRobot(美国)、凯驰(德国)、QQ(台湾)、三叶虫(瑞典)、保时洁 (国产)、美嘉乐 (国产)、微朗(国产) 等。 人类的一只脚已经迈入了机器人时代的大门，中国 10 年内机器人将融入市民日常生活，机器人将和汽车一样成为生活必需用具。这些机器人从用途上看，有用于教育类的机器人，有用于服务类的机器人，有用于制造类的机器人，等等。其中自动扫地机就属于服务类的机器人。机器人的发展就像上世纪 80 年代的个人电脑、上世纪 90 年代中期的手机一样，正处于产业真正起飞的前夕，巨大的市场前景已经展现。资料显示，2003 年至 2007 年间，全球机器人以每年40%左右的速度增长。据统计
3、，到 2009 年年底，全球投入使用的服务机器人已达到 450 万台。 自动扫地机优于普通吸尘器的地方主要体现在：省时、省力，整个清洁过程不需要人控制，减轻您操作负担；还比一般吸尘器的噪音小，清洁房间的过程免受噪音之苦；还可以净化空气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达 96，清扫效率接近 100；轻便小巧：轻松打扫普通吸尘器清理不到的死角。总之，自动扫地机，具有操作简单，使用方便、智能、安全、清洁效果显著的特点。 2.设计拟解决的工程实际问题本次设计的扫地机器人有如下技术指标：（1）能够实现灰尘识别；（2）实现多种清扫模式；（3）具有防跌落、防撞、自动返回充电等功能； （4）能够
4、进行电量低、尘盒满等信息提示；（5）实现无线遥控功能。开 题 报 告3.设计拟应用的现场资料综述在本设计中，扫地机的路径大体分为两类： 面覆盖的过程，机器人走直线，相当于一个”迂回推进”的过程；从当前点到目标点的寻径过程，从定位的准确性考虑，路径段也为直线。开始的时候机器人选择房间的一个角落（2 座墙壁的交接点，便于机器人定位）作为初始点，坐标为（0，0） ，即机器人上的 p 点坐标为（0，0） （本文中的坐标都是指 p 点坐标） ，沿一侧墙的方向建立 X 轴，第一次清扫沿 X 轴的方向，完成后，返回原点，沿 Y 轴方向进行第二次清扫。这样既保证了清洁质量，又在很大程度上避免了 1 次清扫所带
5、来的死角问题。而且由于 2 个方向的互补性，并不需要为了遍历的完整性而采用更为烦杂的路径，通过 2 次数据融合就可以得到较为精确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段，每个路径段的间隔为机器人清洁机构的清扫直径，碰到障碍物后，机器人的转向 90并且侧移 20cm，在转向 90，这个动作由控制系统做好保存，直接调用，记为 micro1。 （在前进过程中，发生碰撞时，机器人的转向所采取的方向，取值可以为”左”或者”右” ，由碰撞次数的奇偶性决定。开 题 报 告4.设计拟应用的文献综述根据设计内容，拟引用如下参考资料完成本次设计。智能家庭扫地机器人设计原理研究与分析对家庭型智能扫地机器人的工作原理
6、进行研究与分析,在实践中发现该机器人在工作过程中出现清扫区域划分不全、对不规则物体无法完全规避和大颗粒物质无法吸入扫除等问题,针对以上问题应用 AT89C51 单片机、新型软碰撞板和大口径吸尘口等设计来解决,经市场调研证明了这几种解决方法的可行性。智能扫地机器人技术的研究与实现该文自主研发了一套智能扫地机器人模型机，并研究了智能扫地机器人的定位导航技术，提出了一套基于传感器探测生成栅格地图的智能扫地机器人全覆盖路径规划算法。 经过研究现有智能扫地机器人的技术指标和功能特点，本文选择了航迹推测定位方法、栅格地图的地图建立方法和单元区域分割的路径规划方法。硬件上以 STM32F103Z 为微控制器
7、，处理传感器系统提供的各类环境信息，根据既定算法驱动机器人按照规定的路径移动。软件上以传感器、电机的底层驱动为基础，以运算和数据处理为核心，以全覆盖路径生成为应用，完成智能扫地机器人既定功能。 本文秉承易于操作、控制成本、提升效率三个出发点，着眼原理分析、硬件设计、软件设计三个角度，沿着理论可行、功能实现、算法优化的顺序，就智能扫地机器人相关的传感器技术、室内定位技术、路径规划算法逐一进行了展开、描述和讨论。家庭清扫机器人的电源自动对接系统 家庭清扫机器人的自动充电功能是家庭清扫机器人系统的一个重要方面。由于机器人清扫过程中的电量需求比较大,一次充电几乎不可能完成所有的清扫任务,因此,对于清扫
8、机器人,如何能够有效寻找充电站并进行自动对接是衡量清扫机器人性能的一个重要指标。鉴于此,本文对家庭清扫机器人的自动充电问题进行了详细地研究。 本文首先介绍了国内外家庭清扫机器人的研究现状和自动充电技术的发展现状。 接着,介绍了在仿真环境中采取的基于栅格地图的环境建模方法,以及为了模拟实际的环境,采用颜色识别法来识别静态障碍物和地面。考虑到实际应用,在寻找充电站之前将原有的地图进行了坐标平移,以机器人需要充电的位置为原点来构建新的地图。并且有针对性地介绍了机器人和充电站所具有的一些功能,这些功能是仿真算法进行的前提条件。 机器人与充电站的对接分为近程对接与远程对接两个方面。在远程对接中,采用了基
9、于栅格地图的外螺旋搜索算法。由于在环境中可能存在障碍物,因此还介绍了寻找目标的过程中,机器人如何有效地静态障碍物的策略。接着讨论了机器人如何在多个房间内寻找充电站的过程。 机器人的近程对接分为目标跟踪阶段,目标对接阶段和断点恢复阶段三个阶段,这一部分的内容在第四章做了重点的介绍。 最后,开发了机器人自动充电系统的仿真平台,并利用该平台分别进行了在单个房间和多个房间中机器人寻找充电器的仿真实验,用来验证所提出的模型和算法的可行性和正确性。5.设计相关的国内外现状现在国内外市场扫地机器人推出速度如雨后春笋，国外品牌中，美国iRobot 和 Neato 扫地机器人比较热门，国内目前比较知名的有科沃斯
10、、地贝、福玛特等，其中作为进入扫地机市场的台湾 Proscenic，也是比较热门的一个品牌。现在有 5 款扫地机器人来到太平洋家电评测室，包括欧美 iRobot、国内科沃斯、台湾 Proscenic 以及国产智宝和 KV8。本文将从整体外观、特色功能、清扫能力等多角度进行对比评测，让五大机器决一高下，看谁的清扫能力更猛。研究现状：自动扫地机作为服务机器人领域中的一个新产品,尽管目前国内在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果, 但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高, 如路径规划就是其中的一个比较重要的技术。有的可在房间内随机移动，有的能在单个房间内较简单地以一定的路线移动(不能 100%走遍
11、)。事实上，虽然有一些公司推出了一些样品或产品，但却不能达到满意程度：清洁效果不佳，遍历时间长。 目前，在一些发达国家的办公室、工厂、车站、机场等场所已广泛使用到自动扫地机。随着科学技术的进步和社会的发展，人们希望更多地从繁琐的日常事务中解脱出来，这就使得自动扫地机进人家庭成为可能。如果自动扫地机性价比足够高，那么自动扫地机市场将会被看好。 二、设计方案及技术路线为实现以上指标，将扫地机器人设计为 5 部分组成：系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C52 控制，包括红外遥控接收模块，对输入输出器件的操作，对执行电机的控制，以及对传感器的响
12、应等。执行电机部分是吸尘机器人的主要构成部分，包括行走驱动子系统和吸尘子系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，底盘为三轮电动小车，前面两轮由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。吸尘系统用电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集中于吸风口处，由吸尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘存储箱中。在清扫吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在地面上的细小灰尘。轮子电机、吸尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机；传感器部分即检测子系统，主要为了保障机器人能够安全地工作；输入输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能；电源部分采用可充电的 5 伏锂电池。三、可能存在的问题智能家庭清扫
13、机器人发展至今已经基本普及，虽然智能扫地机器人体积小巧，清扫区域相对于其他吸尘机器来说更广，减轻人类操作的负担等等优点，但仍有一定不足。以下为本文对智能家庭清扫机器人分析研究后发现的问题。(1)清洁区域划定不全(2)对不规则和柱形物体有一定破坏(3)对大颗粒物质清洁力度不够四、设计成果五、进度计划六、参考资料1 李伯成.基于 MCS-51 单片机的嵌入式系统设计M.电子工业出版社.2 ThoamasL.Floyd. 数字电子技术（第九版） M.电子工业出版社.3 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现（第二版）M.清华大学出版社.4黄继昌.传感器工作原理及应用实例M.北京：人民邮电出版社，199
14、85罗庆生, 韩宝玲.一种基于超声波与红外线探测技术的测距定位系统J.计算机测量与控制,2005,(4):304-3066 赵海鸣,卜英勇,王纪婵,周知进.一种高精度超声波测距方法的研究J. 湖南科技大学学报( 自然科学版).2006(03)7 戴巍.现代汽车防撞系统J.汽车维修.2006(03)8 牛余朋,成曙 .基于单片机的超声波测距系统J.兵工自动化.2005(04)9 党宏社.智能车辆系统发展及其关键技术概述J.公路交通科技2002,(6):10Lilia.Ultrasonic system models and measuremenM.America:Iowa State University,2000;89.
