基于SLH89F5162的智能清潔機器人 - 機器人關(guān)鍵技術(shù)及前沿應(yīng)用設(shè)計集錦

　　一、項目設(shè)計背景及概述

　　清潔機器人是服務(wù)機器人的一種，所謂服務(wù)機器人是指自主 或半自主的、從事非生產(chǎn)活動、能完成有益于人類健康的服務(wù)工作的機器人。家庭清潔機器人集機械、電子、傳感器、計算機、控制、機器入技術(shù)、人工智能等諸多 學(xué)科為一體，能夠自動進行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達國家的很多公共場合已經(jīng)開始使用清潔機器人，隨著清潔機器人性價比的提高，清潔機器人進入家 庭成為可能。

　　二、項目設(shè)計原理

　　2.1、原理概述

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

　　（1）信息采集模塊

　?。?）決策模塊

　　（3）運動控制模塊

　?。?）清掃模塊

　 　這四個部分構(gòu)成了完整的清潔機器人系統(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 息送給決策模塊進行決策，控制運動控制模塊，使機器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機器人運動的同時讓清掃模塊進行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。

　　圖2-1清潔機器人系統(tǒng)典型組成示意圖

　　2.2、硬件設(shè)計原理

　　機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　機器人本體的良好設(shè)計是實現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。本文設(shè)計的清潔機器人采用三輪機構(gòu)的車體，兩個動力輪，一個萬向輪，具有運動靈活，控制簡單的優(yōu)點。

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

　　超聲波傳感器需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設(shè)計中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進而固定在底盤上。機器人行進時，主要是對要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車身的最前端。

　　本系統(tǒng)選用雙軸HC02-48強磁電機，電機運行穩(wěn)定，無抖動。扭力強勁130強磁直流減速電機，扭力為普通電機的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車最佳比速，速度與力量完美組合。

　 　清掃機器人的吸塵技術(shù)有兩類：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)扇在機體內(nèi)形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機 體內(nèi)的濾塵袋內(nèi)。氣流濾塵器是一個全封閉系統(tǒng)，既無外部氣體吸入，也無機內(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)。

　　硬件電路設(shè)計

　　根據(jù)清潔機器人功能要求，清潔機器人硬件系統(tǒng)包括單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、超聲波模塊、藍牙模塊。

　 　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單片機是一款功能比較強大的單片機，它擁有兩個全雙工串 行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機內(nèi)部有一個獨立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時器1作 為波特率發(fā)生器，也可以使用獨立波特率發(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 /超強抗干擾的新一代8051單片機，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，針對電機控 制，強干擾場合。SLH89F5162單片機為整個控制系統(tǒng)核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機各個I/O口的特性后。

　　硬件系統(tǒng)由以下幾個模塊構(gòu)成：電源部分，負責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時鐘；復(fù)位電路，按鍵后對系統(tǒng)進行復(fù)位：藍牙模塊，接收手機發(fā)送的控制信號；超聲波模塊，進行實時測距以躲避障礙物；驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)機器人的行走。

　　軟件設(shè)計原理

　　本章主要進行了系統(tǒng)軟件設(shè)計，完成了底層軟件的編寫；同時，研究了清潔機器人路徑規(guī)劃算法，實現(xiàn)了三種清掃模式的選擇；進一步，研究了智能手機遙控在清潔機器人中的應(yīng)用。

　 　清潔機器人在實現(xiàn)自動清潔任務(wù)時，需要完成如下幾個任務(wù)：（1）接收手機發(fā)出的控制命令；（2）手機控制行走；（3）自動避障；（4）控制驅(qū)動輪行走； （5）自動清潔區(qū)域。其中接收手機發(fā)出的控制命令，對實時性要求比較高，需要中斷程序處理，其他傳感器信息采用查詢方式進行處理。

　　本系 統(tǒng)將軟件分成以下幾個模塊進行實現(xiàn)：手機遙控模塊，用戶可以通過手機遙控的方式使機器人進行清掃，方便使用，采用中斷服務(wù)子程序進行處理；自動避障模塊， 機器人在運行過程中能自動避障，同時完場清掃任務(wù)：自動區(qū)域清掃模塊，機器人可以完成對某一區(qū)域的自動清掃；電機控制模塊，對電機進行控制實現(xiàn)機器人的行 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、初始化定時器、開串口中斷、開定時器中斷、配置獨立波特率發(fā)生器等。工作過程可以分成兩個主要部分：檢測控制命令和實現(xiàn)清掃。

　　對于檢測控制命令，要求單片機能夠?qū)崟r響應(yīng)手機發(fā)出的命令，由于是通過藍牙通訊，則需響應(yīng)藍牙通過串口接收到的數(shù)據(jù)，只需打開串口中斷即可。

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

　　三、項目設(shè)計框圖

　　硬件設(shè)計框圖

　　圖3-1硬件設(shè)計框圖

　　軟件設(shè)計框圖

　　圖3-2主程序流程圖

　　圖3-3藍牙模塊流程圖

　　圖3-4模式選擇流程圖

??????? 硬件電路圖

　　文章詳情：基于SLH89F5162的智能清潔機器人