一、項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景及概述

　　清潔機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，所謂服務(wù)機(jī)器人是指自主或半自主的、從事非生產(chǎn)活動(dòng)、能完成有益于人類(lèi)健康的服務(wù)工作的機(jī)器人。家庭清潔機(jī)器人集機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、控制、機(jī)器入技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體，能夠自動(dòng)進(jìn)行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家的很多公共場(chǎng)合已經(jīng)開(kāi)始使用清潔機(jī)器人，隨著清潔機(jī)器人性價(jià)比的提高，清潔機(jī)器人進(jìn)入家庭成為可能。

　　家用吸塵器作為當(dāng)今家庭的主要的日常清潔工具，會(huì)與用戶形成頻繁的互動(dòng)關(guān)系，產(chǎn)品和消費(fèi)者產(chǎn)生一種直接的接觸與溝通。近些年，智能手機(jī)發(fā)展迅速并得到了廣泛的普及，成為許多人的生活與工作的必需品，如果能夠用手中的智能手機(jī)就完成對(duì)吸塵器的的有效控制，將會(huì)為人類(lèi)的清潔工作帶來(lái)極大的便利。智能手機(jī)與清潔機(jī)器人結(jié)合，兼具智能手機(jī)良好的操作體驗(yàn)和清潔機(jī)器人便利又高效的清潔作用。

　　此次深聯(lián)華單片機(jī)大賽提供的“三防”單片機(jī)給我們提供了一個(gè)很好的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的想法，融合智能手機(jī)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)一種成本低能夠充分滿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)。

　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

　　2.1、原理概述

　　清潔機(jī)器人需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動(dòng)清潔地面。工作時(shí)，利用各種傳感器測(cè)得環(huán)境信息，并做出決策，實(shí)現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)定的任務(wù)。典型的清潔機(jī)器人主要由以下幾個(gè)模塊組成：

　?。?）信息采集模塊

　　（2）決策模塊

　　（3）運(yùn)動(dòng)控制模塊

　?。?）清掃模塊

　　這四個(gè)部分構(gòu)成了完整的清潔機(jī)器人系統(tǒng)，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當(dāng)前清潔機(jī)器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信息送給決策模塊進(jìn)行決策，控制運(yùn)動(dòng)控制模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)讓清掃模塊進(jìn)行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。

　　圖2-1清潔機(jī)器人系統(tǒng)典型組成示意圖

　　2.2、硬件設(shè)計(jì)原理

　　2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的清潔機(jī)器人采用三輪機(jī)構(gòu)的車(chē)體，兩個(gè)動(dòng)力輪，一個(gè)萬(wàn)向輪，具有運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

　　機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動(dòng)方式模仿人類(lèi)或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好，智能程度也相對(duì)較高，但步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上比較復(fù)雜：履帶移動(dòng)方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車(chē)輪不直接與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車(chē)輪式大，所以著地壓強(qiáng)小，適于爬坡或者不平的地面；輪式移動(dòng)方式是最常見(jiàn)的一種地面行進(jìn)方式，其特點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，但不能爬坡。本設(shè)計(jì)中清潔機(jī)器人只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。

　　超聲波傳感器需要安裝在底盤(pán)上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設(shè)計(jì)中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進(jìn)而固定在底盤(pán)上。機(jī)器人行進(jìn)時(shí)，主要是對(duì)要前行的路探測(cè)是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車(chē)身的最前端。

　　本系統(tǒng)選用雙軸HC02-48強(qiáng)磁電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)抖動(dòng)。扭力強(qiáng)勁130強(qiáng)磁直流減速電機(jī)，扭力為普通電機(jī)的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車(chē)最佳比速，速度與力量完美組合。

　　清掃機(jī)器人的吸塵技術(shù)有兩類(lèi)：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇在機(jī)體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流，將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機(jī)體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個(gè)全封閉系統(tǒng)，既無(wú)外部氣體吸入，也無(wú)機(jī)內(nèi)氣體排除，其原理是利用附壁效應(yīng)去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內(nèi)的渦流腔內(nèi)。

　　2.2.2硬件電路設(shè)計(jì)

　　根據(jù)清潔機(jī)器人功能要求，清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波模塊、藍(lán)牙模塊。

　　本系統(tǒng)采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術(shù)。SLH89F5162單片機(jī)是一款功能比較強(qiáng)大的單片機(jī)，它擁有兩個(gè)全雙工串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機(jī)串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，也可以使用獨(dú)立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器；而串口2只能使用獨(dú)立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。SLH89F5162是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。SLH89F5162單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機(jī)各個(gè)I/O口的特性后。

　　硬件系統(tǒng)由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；復(fù)位電路，按鍵后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位：藍(lán)牙模塊，接收手機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)；超聲波模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距以躲避障礙物；驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。

　　時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾；若晶振工作不正常，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。SLH89F5162系列單片機(jī)的時(shí)鐘輸入接在其14（XTAL2）和15（XTAL1），通常是接一個(gè)12M的晶振體。晶振和單片機(jī)引腳之間的連線盡量要短，這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避免晶振的高頻信號(hào)過(guò)多的干擾周?chē)€路。晶振的下方和周?chē)M量不要走線，尤其是對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求高的器件的線路。

　　單片機(jī)需要在上電之后給其一個(gè)復(fù)位信號(hào)才能正常工作，在開(kāi)發(fā)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)也往往要對(duì)它進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，而且當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)供電電壓過(guò)低時(shí)，程序的運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)非正常的情況，要求在低壓時(shí)也必須對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。SLH89F5162單片機(jī)的RESET引腳為低有效，平時(shí)為上拉高電平，復(fù)位時(shí)，需要給其一定時(shí)間的低電平。

　　機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強(qiáng)健的電源供給作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中電源分為功率和信號(hào)兩部分輸出，即單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波傳感器接口、藍(lán)牙接口的電源由信號(hào)電源供應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微型吸塵器的電源由功率電源供應(yīng)。

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為清潔機(jī)器人的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車(chē)時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，該模塊必須能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會(huì)太大。本系統(tǒng)選用了驅(qū)動(dòng)芯片L298N。

　　L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

　　引腳J1可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。（如果無(wú)須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)。）實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)也很容易，輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。（如果信號(hào)端IN1接低電平， IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)）控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)），PWM信號(hào)端A控制M1調(diào)速，PWM信號(hào)端B控制M2調(diào)速?？蓞⒖急?-2：

　　表2-2驅(qū)動(dòng)模塊控制表

　　清潔機(jī)器人必須知道自身位置，在特定位置或區(qū)域進(jìn)行特定的動(dòng)作，完成對(duì)房間的吸塵任務(wù)。它需要通過(guò)傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)，并將障礙物信息傳送給MCU，進(jìn)行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測(cè)是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對(duì)周?chē)粗h(huán)境進(jìn)行探測(cè)。整個(gè)傳感器陣列就像是清潔機(jī)器人的“眼睛”，收集周?chē)粗h(huán)境的某些信息。清潔機(jī)器人中的傳感器數(shù)量比較多，相關(guān)的有用于環(huán)境感知的傳感器、自身定位傳感器，種類(lèi)繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個(gè)重要問(wèn)題。

　　方案l：避障用激光傳感器，激光傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的新型傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，具有能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度快、精度高、量程大、抗光、電干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是激光傳感器價(jià)格昂貴，外接電路設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，不適合小車(chē)的需要，因此放棄該方案。

　　方案2：避障用超聲波傳感器，超聲波傳感器是一種利用超聲波的特性研究的測(cè)量傳感器。它主要由壓電晶片組成，用來(lái)發(fā)射和接收超聲波。超聲波在空氣里傳播時(shí)，會(huì)因不同介質(zhì)的聲阻抗不同而產(chǎn)生反射，因此測(cè)量發(fā)射接收信號(hào)間的時(shí)間差，可以得到障礙物的距離，該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器，傳送給控制芯片LPC2132，LPC2132發(fā)出控制信號(hào)改變小車(chē)的轉(zhuǎn)向，作出對(duì)障礙物的正確判斷。超聲波傳感器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏，可測(cè)距離遠(yuǎn)，收到外界的干擾小，缺點(diǎn)是超聲波在小空間不同方向里會(huì)進(jìn)行多次反射，當(dāng)和障礙物形成一定角度時(shí)，會(huì)發(fā)生鏡面反射，產(chǎn)生幻影，從而動(dòng)作混亂。

　　方案3：避障用紅外光電開(kāi)關(guān)。紅外發(fā)射器發(fā)出紅外線，遇到障礙物后，光線反射回來(lái)，接受的光感三極管導(dǎo)通，單片機(jī)接受到相應(yīng)的電平信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，信號(hào)之間抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是距離要求近，容易受自然光的影響。經(jīng)過(guò)傳感器性價(jià)比和課題實(shí)際要求的綜合分析，超聲避障實(shí)現(xiàn)方便，技術(shù)成熟，是移動(dòng)機(jī)器人常用的避障方法，因此我們選擇超聲波傳感器作為機(jī)器人的眼睛［5］。

　　本系統(tǒng)中采用了US-100 超聲波測(cè)距模塊，可實(shí)現(xiàn) 2cm~4.5m 的非接觸測(cè)距功能，擁有 2.4~5.5V 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于 2mA，自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有 GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門(mén)狗，工作穩(wěn)定可靠。

　　遙控可以使機(jī)器人的操作更加方便，本系統(tǒng)中要通過(guò)智能手機(jī)遙控機(jī)器人，而智能手機(jī)的信號(hào)正是通過(guò)藍(lán)牙發(fā)出，因此只需在機(jī)器人上安裝藍(lán)牙模塊。由于機(jī)器人只接受數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，所以只需藍(lán)牙的從機(jī)模塊即可。

　　本系統(tǒng)中采用了型號(hào)為HC-06的藍(lán)牙模塊，其中編號(hào)06就表示其為從機(jī)模塊，在藍(lán)牙模塊的命名規(guī)則中偶數(shù)命名的型號(hào)出廠時(shí)就確定了從機(jī)，并無(wú)法更改。用戶不可以自己切換主機(jī)或者從機(jī)，用戶可以空過(guò)AT指令集對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置，AT 指令集較少，包括修改藍(lán)牙名（限于從機(jī)），修改密碼，修改波特率，詢問(wèn)版本號(hào)等幾個(gè)基本功能。

　　2.3、軟件設(shè)計(jì)原理

　　本章主要進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成了底層軟件的編寫(xiě)；同時(shí)，研究了清潔機(jī)器人路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了三種清掃模式的選擇；進(jìn)一步，研究了智能手機(jī)遙控在清潔機(jī)器人中的應(yīng)用。

　　清潔機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清潔任務(wù)時(shí)，需要完成如下幾個(gè)任務(wù)：（1）接收手機(jī)發(fā)出的控制命令；（2）手機(jī)控制行走；（3）自動(dòng)避障；（4）控制驅(qū)動(dòng)輪行走；（5）自動(dòng)清潔區(qū)域。其中接收手機(jī)發(fā)出的控制命令，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，需要中斷程序處理，其他傳感器信息采用查詢方式進(jìn)行處理。

　　本系統(tǒng)將軟件分成以下幾個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)：手機(jī)遙控模塊，用戶可以通過(guò)手機(jī)遙控的方式使機(jī)器人進(jìn)行清掃，方便使用，采用中斷服務(wù)子程序進(jìn)行處理；自動(dòng)避障模塊，機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中能自動(dòng)避障，同時(shí)完場(chǎng)清掃任務(wù)：自動(dòng)區(qū)域清掃模塊，機(jī)器人可以完成對(duì)某一區(qū)域的自動(dòng)清掃；電機(jī)控制模塊，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走；這些模塊各自封裝好，將封裝好函數(shù)接口留給主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

　　程序初始化模塊主要包括：初始化串口、初始化定時(shí)器、開(kāi)串口中斷、開(kāi)定時(shí)器中斷、配置獨(dú)立波特率發(fā)生器等。工作過(guò)程可以分成兩個(gè)主要部分：檢測(cè)控制命令和實(shí)現(xiàn)清掃。

　　對(duì)于檢測(cè)控制命令，要求單片機(jī)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)手機(jī)發(fā)出的命令，由于是通過(guò)藍(lán)牙通訊，則需響應(yīng)藍(lán)牙通過(guò)串口接收到的數(shù)據(jù)，只需打開(kāi)串口中斷即可。

　　對(duì)于實(shí)現(xiàn)清掃，首先要選擇清潔模式，再根據(jù)不同的清潔的模式，對(duì)電機(jī)及超聲波模塊經(jīng)行相應(yīng)的控制。

　　三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖

　　3.1、硬件設(shè)計(jì)框圖

　　圖3-1硬件設(shè)計(jì)框圖

　　3.2、軟件設(shè)計(jì)框圖

　　圖3-2主程序流程圖

　　圖3-3藍(lán)牙模塊流程圖

　　圖3-4模式選擇流程圖

　　四、測(cè)試結(jié)果

　　實(shí)物測(cè)試結(jié)果均完成各項(xiàng)功能，在視頻中已經(jīng)展示，在此不再贅述。

　　鏈接： http://pan.baidu.com/s/1bnkWCUz

　　密碼： e3i3

??????? 五、附件

??????? 附一：硬件電路圖

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