第一章緒論1.120世紀60年代機器人在工業(yè)基礎(chǔ)不斷的發(fā)展下而誕生，隨著科技與社會的不斷發(fā)展及進步，機器人的功能不斷豐富。而服務(wù)型機器人也慢慢進入大眾的視野與生活中。21世紀，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)進程逐步加快，原存在于發(fā)達國家中的智能掃地機器人也漸漸出現(xiàn)在國人的生活工作中，并慢慢被人們所接受；掃地機器人作為服務(wù)機器人大家庭中的一員，在經(jīng)歷不斷地更新?lián)Q代后，可以想象必將成為每個家庭不可或缺的一份子，甚至在未來會取代人工清潔。我們國家研究此類的專家說，對于我們平時使用的吸塵器，在他使用過程中利用規(guī)劃的計算方法對他的清掃過程進行計算，可以讓他排除掉人的因素，從而可以自己操作的器件。他有檢測面前障礙的開關(guān)，檢測下一步環(huán)境的開關(guān)和攝像頭等器件，這些東西可以讓它定位自己當(dāng)時的狀態(tài)同時也能讓它對下一步的運動軌跡做出判斷。它可以利用專門的檢測裝置來判斷這地面的干凈狀況，同時根據(jù)之前的記錄判斷已經(jīng)被清掃過的地方。另外因為它用來充電的底座安裝了紅外線檢測裝置，當(dāng)電量較低時，它就開始利用紅外線裝置尋找可以充電的插座。在這一設(shè)備運行中由于地面不是固定的，因此需要在底部安裝防治跌到摔落的器件用來檢測地面的狀況，當(dāng)可以判斷出地面發(fā)生變化時，它可以暫停并且重新規(guī)劃線路。在用來掃地的機器人的持續(xù)發(fā)展中智能掃地機器人不斷發(fā)展的過程中，需要對它的是否可以隨處攜帶，價格的高低是否對得起它的功能，它使用過程中的安全性等有更高的要求，因此需要一種不改變其基本理論但是又更適應(yīng)于更多消費者的掃地機器人是我們現(xiàn)在應(yīng)該研究和設(shè)計的。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過幾十年計算機技術(shù)的狂飆發(fā)展，控制和感應(yīng)單位不斷更新?lián)Q代，機械裝置更加輕巧、簡單，搭配中央微處理器外加感應(yīng)器件的各種外部裝置越來越趨于智能化和人性化。作為行業(yè)前端的日韓、歐美家電企業(yè)都把研究、研發(fā)目標定于智能機器人這一新興領(lǐng)域，而智能掃地機器人，正是吸塵器與計算機技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。圖1-1三葉蟲掃地機器人2001年11月，瑞典家電巨頭萊克斯高調(diào)發(fā)布了其公司最新推出的智能吸塵器機器人，公司稱“它”為“三葉蟲”。這也是全球第一款量產(chǎn)的智能掃地機器人。它被萊克斯公司寄予厚望，正如它的名字，希望它能像三葉蟲一樣遍布世界并在每一塊家庭的地板上完成自己的使命。三葉蟲主體為塑料材質(zhì)，經(jīng)典的圓桶的形狀仍然被現(xiàn)在的新款機器人采用。它出色的避障能力得益于其使用的超聲掃描技術(shù)，所以夜晚的黑暗完全不會影響他的正常工作。在單片機的控制下機器底部的車輪能夠主動運動，同時采用滾掃與抽吸相結(jié)合的清潔方式也保證了其一定的清潔能力。由于智能化的編程，使其能在電量低時自動返回基地進行充電，并當(dāng)垃圾倉裝滿后，會智能發(fā)出提示。在智能掃地機器人這個行業(yè)的發(fā)展初期，阻礙其發(fā)展的主要原因有三，1.大眾對于這一新鮮事物不能接受，2.MCU行業(yè)落后發(fā)展，3.價格居高不下的硬件成本。但這一情況從2002年開始，已慢慢改善，美國Irobot和臺灣PROSCENIC都退出新款機器人。憑借其roomba780這一系列掃地機器人，榮獲紅點設(shè)計提名獎的美國機器人專家公司irobot，最大的技術(shù)支撐就是實現(xiàn)了隊機器人處理器的算法優(yōu)化，其核心就是提高清掃效率，有效的避免了重復(fù)清掃。圖1-2RULO掃地機器人臺灣知名品牌PROSCENIC推出的RULO掃地機器人，其三角形的外觀讓他具有很高的辨識度，同時松下認為三角形的外觀能夠更有效的提升對角落的清掃能力。RULO配備了更大的集灰盒，這表示擁有了更強的垃圾處理容量，即使客戶未在家中，也能通過“輔助遙控器”進行清掃任務(wù)的制定。同時也配備了更強的供電系統(tǒng)，這是它擁有更長的續(xù)航時間和更優(yōu)秀的電池壽命。另外，還有許多國外品牌諸如：德國KarcherRC4000、美國Neato、瑞典electrolux、LG、東芝等在對于掃地機器人的探索中，我們國家與其他的發(fā)達國家而言還比較遲，但是這些年來我們的研究技術(shù)有著很快的發(fā)展。二十年代初期，我們國家中某一大學(xué)的實驗室和一公司進行了合作，研究出了對生活環(huán)境內(nèi)進行清掃的機器人bl001，在它前面的左面和右面都安裝了紅外線的檢測裝置，這增加的裝置可以對墻壁進行探索，因此可以讓它順著房子的四維進行清掃，這樣可以對它工作的房屋有準確的信息，從而可以使每次工作時間一定。之后采用合適的方法對運動軌跡進行更有效率的規(guī)劃。當(dāng)工作結(jié)束后可以自己返回到充電口充電。從二十年代初期到現(xiàn)在，更多的公司開發(fā)出來了一個接一個的產(chǎn)品，功能也隨之越來越豐富。國內(nèi)生產(chǎn)的智能化的掃地機器人有科沃斯、益節(jié)等，它們有更多的功能，包括不是直接接觸的超聲波技術(shù)，不受線路控制的遙控等技術(shù)。國貨的掃地機器人如普桑尼克藍天s，科斯沃DT58G等比較受歡迎。小米公司生產(chǎn)的米家掃地機器人，具有地圖生成，路徑規(guī)劃，自動回充，斷點續(xù)傳等先進技術(shù)1.3論文研究的主要內(nèi)容由于現(xiàn)在生活水準的提高和越來越快的生活節(jié)奏，人們對掃地機器人的需要越來越高，但同時也暴露出許多問題和缺陷。在實際使用上，由于缺乏良好的路徑規(guī)劃方案，致使清掃效率底下，續(xù)航時間短等諸多問題。本文先對國內(nèi)和國外的智能掃地機器人的發(fā)展和研究狀況的基礎(chǔ)上，對它提出了新的設(shè)計方案。也提出了對運動軌跡進行更有效率的計算方法，探索并設(shè)計了一種花錢更少、更靠譜、使用更簡單、后續(xù)維修和保護更方便的智能掃地機器人。（1）對現(xiàn)在各種智能掃地機器人工作過程的考慮，并且結(jié)合實際使用過程中的問題分析它的優(yōu)點和缺點，發(fā)現(xiàn)沒有最合適的計算方法。因此這次設(shè)計以機器人工作的現(xiàn)實為基礎(chǔ)。同時，結(jié)合機器人的工作環(huán)境和特點，得到了一種有用的、穩(wěn)當(dāng)?shù)墓ぷ饔嬎惴椒ā＃?）對國內(nèi)外智能掃地機器人的結(jié)構(gòu)進行了研究。根據(jù)本文的目標要求，設(shè)計了一種基于stm32硬件的智能掃地機器人。對機器人的工作狀況和工作過程中遇到的情況進行綜合的檢測裝置。對機器人進行清潔的多驅(qū)動電路，并設(shè)計了可以給它提供主動充電的地點。（3）對超聲波、MPU-6050、光電編碼傳感器等進行了在軟件層面的再次設(shè)計，并檢測了計算工作軌跡的方法。第２章系統(tǒng)總體方案2.1路徑規(guī)劃的意義及效果的衡量標準通過對文獻的理解并結(jié)合實際情況的觀察，對于掃地效果的本文提出五個參數(shù)以供衡量。（1）電量損耗率電量損耗率指執(zhí)行完全部目標任務(wù)后機器人自身電量的損耗程度。因受掃地機器人體積、自身重量、承重能力、電池技術(shù)的制約，導(dǎo)致機器人執(zhí)行清掃任務(wù)時的電量消應(yīng)有所計劃，故在進行路徑規(guī)劃時也應(yīng)該考慮如何降低電量損耗。執(zhí)行完全部目標任務(wù)后機器人自身電量的損耗程度，（2）覆蓋率覆蓋率c是指機器人清掃的實際區(qū)域與目標完成區(qū)域之比，這個比值越高證明清掃的越全面。S用于目標完成區(qū)域的表示，用于清掃實際區(qū)域的表示（3）重復(fù)率根據(jù)既定算法執(zhí)行完成全部清掃任務(wù)后，重復(fù)執(zhí)行的區(qū)域面積與總區(qū)域之比，稱為重復(fù)率，其中用p表示重復(fù)率，用表示重復(fù)執(zhí)行的區(qū)域面積。（4）交叉率智能機器人工作的區(qū)域可以理解為一個二維平面，工作時所走過的可以類比為線段，當(dāng)線段的交叉點越多，證明智能機器人完成任務(wù)時重復(fù)經(jīng)過的次數(shù)越多，而交叉率即指交叉點的數(shù)量同執(zhí)行目標總區(qū)域之比。用m來表示交叉點的數(shù)量（5）工作的時間效率指機器人完成全部清掃任務(wù)所耗費的時間t，能夠體現(xiàn)出路徑規(guī)劃方案的規(guī)劃效果。為了高效的完成清掃任務(wù)，合理的路徑規(guī)劃是必不可少的，隨機清掃必然會導(dǎo)致重復(fù)清掃、清掃遺漏等諸多問題，這是我們身為設(shè)計者所不愿意看到的。根據(jù)實際情況可知，我們要設(shè)計的智能掃地機器人的工作區(qū)域是固定的，即任務(wù)區(qū)域的面積，形狀，這就為路徑規(guī)劃提供了優(yōu)良的前提條件。在這固定的區(qū)域中同樣存在著許多變量，如障礙物的分布，這是一個動態(tài)的、未知的、無法預(yù)測的變量，這也為路徑選擇提供了實際的意義。所以我選擇通過以上五個衡量標準來判定路徑規(guī)劃的效果。2.2路徑規(guī)劃技術(shù)根據(jù)任務(wù)可將機器人的路程計劃分為兩種：（1）任務(wù)點到任務(wù)點規(guī)劃；（2）全覆蓋規(guī)劃。而智能掃地機器人應(yīng)該選用后者，通過傳感器收集環(huán)境具體參數(shù)，在限定的空間范圍，盡可能低的重復(fù)率完成非障礙區(qū)的全覆蓋清掃。全覆蓋路徑規(guī)劃的應(yīng)用領(lǐng)域遠不止智能掃地機器人，在執(zhí)行水下任務(wù)的水下機器人（auv）、建立三維地形的空中機器人、草地除草、路邊鋪裝、軍事探雷等均得到應(yīng)用。2.2.1全覆蓋路徑規(guī)劃方法（1）隨機法隨機法是市面上目前低端掃地機器人采用的路徑規(guī)劃方法，具體為機器人依據(jù)設(shè)定的遍歷路線如三角形、五邊形、Z字等嘗試性的進行循環(huán)覆蓋，若遇到有預(yù)案障礙，便會跳轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)向函數(shù)進行避障。前文中的roomba便是采用這一路徑規(guī)劃方法。這一方法是以消耗時間來換取覆蓋效果的低成本方案，但其工作原理致使其擁有重復(fù)率高，面對復(fù)雜情況無法有效避障等缺陷。單元域分割法通過算法將工作區(qū)域分割為獨立且連續(xù)的單元域，掃地機器人以單元域為最小單位，依照優(yōu)先順序進行逐個單元域的清掃。單元域分割法的主體即為分割邏輯，在理論最優(yōu)的情況下是工作區(qū)域中的障礙物均分布在域的邊緣，便可進行連續(xù)的最優(yōu)覆蓋。可視圖法

首先將機器人、目標位置和障礙物都化為“點”這一最小單位，然后將各點在二維平面上相連，如果線段未有相交即可認為此時是可視的，最后在計算并找尋其中的最優(yōu)規(guī)劃。這一方法是建立在對環(huán)境要素的高度探測和大量的采集數(shù)據(jù)，在復(fù)雜條件下這便對機器人的處理能力，探測能力有很高的要求，致使難以達到預(yù)期效果。網(wǎng)格法將智能掃地機器人工作總區(qū)域分割為若干含有兩個值的單元網(wǎng)格，其中兩個值分別表示單元中包含障礙物的大小和有無，設(shè)計者依托這種原理使得環(huán)境地圖的收集建立更加簡易，并使系統(tǒng)計算量減小。但其中技術(shù)關(guān)鍵在于網(wǎng)格大小的劃分，網(wǎng)格大，無法詳盡描述環(huán)境信息，網(wǎng)格小，就需要強悍的硬件來解決信息存儲量變大和傳感器探測環(huán)境需求增加的問題。2.2.2全覆蓋方案選擇經(jīng)過智能掃地機器人這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展與研究，越來越多的路徑規(guī)劃方案出現(xiàn)，可供設(shè)計人員采用的方案也越來越多，但市面上的成品機器人更多的仍是采用多種方案融合的路徑規(guī)劃方法。因為這些路徑規(guī)劃方案在原理實施方面并不矛盾，可以合成為總體方案，互補長短，是最終的路徑規(guī)劃更加合理，更有效率。在經(jīng)過優(yōu)缺點與生產(chǎn)成本的互相對比后，本文中的路徑規(guī)劃選擇隨機法與單元域分割法相結(jié)合的設(shè)計方案，主要原因為：隨機法：（1）硬件計算量少，更易實現(xiàn)；（2）不會增加軟硬件系統(tǒng)方面的多余負擔(dān)；（3）在無法定位時，依靠系統(tǒng)算法仍可繼續(xù)規(guī)劃任務(wù)；（4）依托對智能掃地機器人的基礎(chǔ)移動邏輯最優(yōu)選擇，能達到更強的覆蓋適應(yīng)性。單元域分割法：（1）由其原理決定，對于任務(wù)空間中環(huán)境特征明顯的區(qū)域，具有很強的適應(yīng)性；（2）通過其分割原理，可減少信息量，便于單片機的處理，減少軟硬件方面的壓力；（3）在執(zhí)行單元中清掃任務(wù)時可以使用隨機法，在執(zhí)行夸單元任務(wù)時可以使用預(yù)定模型處理。2.3路徑規(guī)劃方案探討2.3.1環(huán)境地圖的初期建立環(huán)境地圖是路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)，只要掌握任務(wù)環(huán)境中的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)變化才能進行路徑規(guī)劃。只有在環(huán)境地圖不斷地建立與更新中，才能實現(xiàn)路徑規(guī)劃。本文討論以下三種建立方法：拓撲地圖這是一種把環(huán)境信息表示為點和線段的表示方法，最早由Brooks等人提出，具有緊湊簡介的優(yōu)點。用節(jié)點表示任務(wù)空間中關(guān)鍵點，如：充電樁、障礙、拐角、出發(fā)點等，再由線段連接。其地圖復(fù)雜程度取決于環(huán)境中具體的關(guān)鍵點數(shù)量和線段連接關(guān)系。以此原理建立的環(huán)境地圖，忽視了關(guān)鍵點的形狀和大小，對定位信息表示模糊。對于特征模糊的關(guān)鍵點不能很好地執(zhí)行任務(wù)，在全覆蓋路徑規(guī)劃中具有很強的局限性，僅適用于點對點的任務(wù)。特征地圖特征地圖又叫幾何特征地圖，通過傳感器來探測環(huán)境信息的幾何特征包括點、線。平面，如轉(zhuǎn)交、邊緣等。將幾何特征整合編碼后用于建立特征地圖。為了建立有效詳盡的地圖，就需要配備精度更高的傳感器，為了后期處理效率，我們一般選擇具有預(yù)處理功能的傳感器模塊。特征法與網(wǎng)格法相比較，具有預(yù)估位置簡單，邏輯執(zhí)行緊湊，識別目標輕松的特點。但由于當(dāng)環(huán)境復(fù)雜，幾何特征過多時，對傳感器和處理能力的要求很高，所以更適合應(yīng)用于高結(jié)構(gòu)化的環(huán)境。網(wǎng)格地圖這是一種數(shù)字化的創(chuàng)建方法，它將具體環(huán)境信息網(wǎng)格化，切割成一個個網(wǎng)格單元，每個單元都包含了位置信息和障礙物情況的基礎(chǔ)信息。雖然被行業(yè)廣泛應(yīng)用，但其局限主要體現(xiàn)在網(wǎng)格尺寸的規(guī)劃。尺寸越小，越能精確的表示真實情況，但同時會造成信息量增加，處理難度更大，硬件要求更高。尺寸越大，雖然會使信息量減小但其對障礙區(qū)域的判斷能力也會隨之減小，更易造成信息的漏除。因此網(wǎng)格單位的大小，要根據(jù)實際的環(huán)境信息選擇。本文經(jīng)過對比，環(huán)境地圖的建立將采取網(wǎng)格法。主要有以下原因：在后期設(shè)備調(diào)試修改中網(wǎng)格單元更便于操作；存儲信息全面，擁有足夠多的地圖信息供規(guī)劃時調(diào)用；基于數(shù)字化的優(yōu)勢，更利于與計算機層面相結(jié)合。2.3.2路徑規(guī)劃與環(huán)境地圖的中期建立針對常規(guī)隨機法重復(fù)率高，完成全覆蓋時效性低，電量消耗巨大的缺點，本文對常規(guī)隨機法進行了一些改變，將采取內(nèi)螺旋式隨機法完成清掃任務(wù)。aHaH圖2-1內(nèi)螺旋隨機法示意圖經(jīng)過第一次最外圈的清掃，可知房間內(nèi)的L、H值，設(shè)機器清掃寬度為a，即用L和H與a的比值可以表達出需要清掃的次數(shù)，余數(shù)代表仍有未清掃區(qū)域。則可描述為：設(shè)α，β|α，β為已執(zhí)行清掃任務(wù)的次數(shù)}，g（α，β）為判斷是否完成清掃任務(wù)。g（α，β）=0說明已完成全部清掃，g（α，β）=1則說明未完成清掃任務(wù)。在利用隨機法達到路徑全覆蓋的前提下，為了建立詳細的環(huán)境地圖，提高清掃時效性，本文將繼續(xù)采用網(wǎng)格法進行清掃的路徑優(yōu)化。<1?因網(wǎng)格法需要含有位置信息和障礙物情況兩種信息，故對其進行設(shè)定（1）位置信息的設(shè)定：圖2-2分割示意圖首先將執(zhí)行區(qū)域按照由外到內(nèi)，分割為一個個閉合圈型，每個圈型分為四個網(wǎng)格單元，將最外圈記為，并由外到內(nèi)用依次i+1記錄，每圈內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)單元，按順時針記為。單元網(wǎng)格的位置可表示為。障礙物信息的設(shè)定首先由機器人對網(wǎng)格中是否有障礙物進行判斷，并將網(wǎng)格分類到無障網(wǎng)格和避障網(wǎng)格中，以便針對不同情況執(zhí)行相應(yīng)的高效清掃。當(dāng)判定為無障網(wǎng)格時，將會執(zhí)行預(yù)設(shè)的無障清掃預(yù)案，將適當(dāng)降低網(wǎng)格環(huán)境探測強度，在保證清掃質(zhì)量的前提下提高機器人的行進速率以達到提高時效性的目的。然后由機器進行網(wǎng)格的信息編碼，無障網(wǎng)格編碼為00，避障網(wǎng)格編碼為10。10101010101000000010101010101010100000001010002.3.3環(huán)境地圖的逐步完善因隨著智能掃地機器人不斷完成重復(fù)的清掃任務(wù)，故其建立的環(huán)境也會隨著動態(tài)的變化不斷完善，所以本文再次引入兩個數(shù)值來判定。網(wǎng)格密度網(wǎng)格密度為避障網(wǎng)格數(shù)量與網(wǎng)格全部數(shù)量的比值，隨著執(zhí)行任務(wù)的次數(shù)增加，這一數(shù)值會逐步趨于穩(wěn)定，最終可表示這一任務(wù)區(qū)域內(nèi)障礙物密度的平均值。第n次的網(wǎng)格密度可表示為：（2-5）當(dāng)任務(wù)數(shù)量不斷增加，其平均值為：（2-6）網(wǎng)格占比n當(dāng)機器人判定網(wǎng)格為避障網(wǎng)格時，因需考慮障礙物面積，來選擇合適的避障方案，所以引入網(wǎng)格占比n。網(wǎng)格占比是表示障礙物面積與所在網(wǎng)格面積的比值。當(dāng)n>25％時，表示障礙面積過大或同時占有多個網(wǎng)格，即對當(dāng)前網(wǎng)格編碼10進行加1操作，使其編碼變?yōu)?1。當(dāng)n≤25％時，表示障礙物面積很小，可以前期進行快速行進清掃，當(dāng)檢測到不合適物體時再進行躲避。2.4避障方案2.4.1避障原理避障能力的強弱也是衡量機器人性能的關(guān)鍵，在實際任務(wù)中，對于障礙物類型的的判斷，避障方法的選擇也是應(yīng)當(dāng)著重研究的。首先在傳感器眼中障礙物與與墻壁的感知數(shù)據(jù)并無大差別，但在實際避障過程中方案的選擇缺天差地別，所以我們下面進行判定障礙物是否為墻壁的研究。通過內(nèi)螺旋隨機法的原理可知，若任務(wù)邊長為L或H，我們可知第n次需行走長度M為，通過光電編碼器可測得機器人已行走，通過傳感器可測得距障礙物距離，當(dāng)<時，表示機器人遇到障礙物而非墻壁，當(dāng)即執(zhí)行避障方案，當(dāng)=時，表示機器人遇到墻壁，當(dāng)即執(zhí)行內(nèi)螺旋隨機法任務(wù)覆蓋進行轉(zhuǎn)彎操作。因考慮不同障礙物的各異，設(shè)計出匹配所有障礙物的算法將是一個巨大的工程，因此本文將障礙物統(tǒng)一為矩形以達到便于討論的目的。這時便可通過機身上的傳感器確定繞障位置。通過傳感器可測得機器人與障礙物之間的距離。設(shè)機器人的距障規(guī)避值為，則繞障判定值為，當(dāng)為1時進行繞障處理，為0時保持速度不變，不然則進行減速處理。在解決何時進行繞障任務(wù)后，就需要解決如何讓機器人回到計劃位置。我們根據(jù)幾何原理，通過傳感器獲得的數(shù)據(jù)，將、記為兩邊動力輪行駛距離，則可知轉(zhuǎn)彎角度。設(shè)為兩輪距離。2.4.2可能造成鎖死狀態(tài)的解決AAB圖2-4異常狀態(tài)示意圖當(dāng)機器人遭遇上圖A情況時，機身前部的超聲波傳感器探測結(jié)果無異常，可機身邊緣已經(jīng)解除障礙物，這時超聲波傳感器應(yīng)與分布在機身兩側(cè)的接觸傳感器共同進行判斷，優(yōu)先接收接觸傳感器信號。當(dāng)機器人遭遇上圖B情況時，進入半封閉區(qū)域的機器人必然會造成無限轉(zhuǎn)彎的循環(huán)狀態(tài)，此時就需要結(jié)合機身前側(cè)和左右兩側(cè)傳感器的信號共同判斷，當(dāng)皆檢測到距離較近的信號時，執(zhí)行倒退程序，直到有一側(cè)失去近距離信號時結(jié)束倒退程序。2.5硬件體系智能掃地機器人在本文中的硬件設(shè)計主要分為以下系統(tǒng)圖2-5智能掃地機器人硬件平臺動力及供電系統(tǒng)：本文選用了一塊12V的鋰電池作為電力供應(yīng)主體，但根據(jù)各IC的供電標準，可知我們共需要5V、3.3V、1.8V這三種工作電壓，所以本文將鋰電池輸出的12v經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸出5V、3.3V、1.8V。動力機械結(jié)構(gòu)主要包括：機體、電機、車輪、傳動結(jié)構(gòu)等。動力驅(qū)動系統(tǒng)主要包括：電機驅(qū)動電路、穩(wěn)壓電路。主體結(jié)構(gòu)采用具有轉(zhuǎn)向靈活、控制簡單的三輪設(shè)計，前方兩輪作為動力及轉(zhuǎn)向輪拖動后方萬向輪進行移動。由L298N作為電機驅(qū)動核心，獨立控制兩個動力及轉(zhuǎn)向輪，通過兩輪速度差進行轉(zhuǎn)向。同時通過電機上的光電編碼器，可測算出兩輪的移動距離。（1）控制系統(tǒng)：主控芯片選用STM32F103Z，它是以Cortex-M3為內(nèi)核的32位處理器芯片，它具有價格低、性能強、功耗低的特點，并集成了芯片集成\t"/item/STM32F103/_blank"定時器，\t"/item/STM32F103/_blank"CAN，\t"/item/STM32F103/_blank"ADC，\t"/item/STM32F103/_blank"SPI，\t"/item/STM32F103/_blank"I2C，USB，\t"/item/STM32F103/_blank"UART，等多種功能。（2）傳感器系統(tǒng)：超聲波傳感器選型為HC-SR04，紅外線傳感器選型為TCRT5000，三軸陀螺儀選用以MPU6050為核心的傳感器電路，其他還包括接觸式傳感器。2.6軟件體系智能掃地機器人在本文中的硬件設(shè)計主要分為以下系統(tǒng)：數(shù)據(jù)驅(qū)動采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動采集系統(tǒng)算法執(zhí)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)圖2-6軟件體系數(shù)據(jù)驅(qū)動采集系統(tǒng)作用為驅(qū)動傳感器工作和采集傳感器數(shù)據(jù)，主要由底層驅(qū)動組成，其具體工作為檢測障礙物及自身運動情況，控制PWM信號、定時器、使能信號等數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)主要工作為通過傳感器的信號進行單位網(wǎng)格的類型判斷并進行編碼，對每次執(zhí)行任務(wù)后的單位網(wǎng)格信息進行更新。算法執(zhí)行系統(tǒng)主要利用對采集、處理后的信息進行對動力裝置，清掃裝置的控制，其中包含地圖建立，路徑規(guī)劃。2.7本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。首先提出提出電量損耗率、覆蓋率、重復(fù)率、交叉率、時間效率五個參數(shù)以供衡量掃地效果，然后通過對已知路徑規(guī)劃方法的分析與對比，總結(jié)出本文選用的內(nèi)螺旋隨機法與網(wǎng)格法相結(jié)合，并對障礙物信息的編號、環(huán)境地圖的建立做了一定介紹。對系統(tǒng)的硬件平臺進行了初步設(shè)定，并對軟件系統(tǒng)的設(shè)計流程進行了初步規(guī)劃。第三章系統(tǒng)硬件組成3.1主控模塊系統(tǒng)圖3-1硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)本系統(tǒng)硬件電路主要由主控制核心模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行系統(tǒng)模塊三大模塊構(gòu)成。使用紅外線傳感器、接觸傳感器、超聲波傳感器進行障礙物檢測，使用MPU-6050進行自身旋轉(zhuǎn)角度測量，通過車輪上的光電編碼器對車輪的速度和距離進行測量。由電機驅(qū)動系統(tǒng)、穩(wěn)壓電路構(gòu)成執(zhí)行系統(tǒng)模塊。STM32F103ZRT6作為控制芯片主要執(zhí)行電機控制、傳感器控制和采集。3.1.1控制核心智能掃地機器人的主要控制系統(tǒng)采用STM32F103芯片，并和其他外圍電路共同構(gòu)成主控系統(tǒng)模塊。圖3-2STM32F103ZLQFP144的原理圖封裝STM32F103系列微處理器是第一個以ARMv7-M體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的標準32位RISC

（精簡指令集）處理器，它在編碼中有很高的工作效率，在8位和16位系統(tǒng)的存儲空間上將ARM的性能發(fā)揮的最強。作為嵌入式ARM處理器，它對MCU的實現(xiàn)的貢獻了更劃算的平臺、對引腳數(shù)目的減少、更低的消耗，同時提供了很高的計算能力和優(yōu)秀的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。片上的多種資源讓STM32F103系列微處理器在電機驅(qū)動、控制的即時性、設(shè)備的便攜、PC游戲外設(shè)和空調(diào)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著不可估量的潛力REF_Ref5429\r\h錯誤!未找到引用源。。本文采用STM32F103ZET6作為MCU，它的主要功能有：通過wifi模塊與上位機通訊，讀取傳感器的數(shù)據(jù)并根據(jù)獲得的環(huán)境信息進行計算，最后通過pwm波對電機進行控制驅(qū)動。它主要包括：512K字節(jié)的Flash存儲器、64K字節(jié)SRAM，112個I/O端口、八個定時器，其中基本定時器、通用定時器、高級定時器的數(shù)量分別為2、4、2，五個串口、1個DAC（12位）、3個ADC（12位）、12通道的2個DMA、3個SPI、2個IIC、1個USB、1個SDIO、1個CAN。圖3-3主控模塊電路原理圖3.1.2程序下載模塊本系統(tǒng)選擇使用usb轉(zhuǎn)串口模式進行程序下載，僅使用一根USB線，即可通過計算機新興程序下載。電路原理圖如圖3-4所示，通過CH340G轉(zhuǎn)接芯片實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。其中TXD和RXD為CH340G轉(zhuǎn)接芯片的數(shù)據(jù)口，并且PA9（TXD）和PA10(RXD)為主控芯片的兩個數(shù)據(jù)口。圖3-4CH340G模塊電路原理圖3.2數(shù)據(jù)采集3.2.1環(huán)境狀態(tài)采集機器人的環(huán)境信息采集主要利用：超聲波、紅外線和接觸的檢測裝置。利用超聲波檢測裝置收集環(huán)境網(wǎng)格中的不必要物體的信息。但是超聲波存在探測不到的地方，因此還裝有了接觸和紅外檢測裝置。超聲波傳感器圖3-5HC-SR04實物圖選用HC-SR04為本設(shè)計的超聲波傳感器，它具有高達3nm的測量精度，范圍為2cm-4.0m，可滿足機器人的測距要求。圖3-6HC-SR04引腳圖VCCGND是電源，TRIG是控制端（輸入），ECHO是返回端（輸出），大致過程是TRIG給個高電平脈沖，SR40開始發(fā)送超聲波，當(dāng)收到反射波的時候，ECHO輸出有效信號。測量從TRIG觸發(fā)開始到接收到ECHO的時間差，即可換算出距離。測距公式為：D為障礙物距離，T為從TRIG觸發(fā)開始到接收到ECHO的時間差，（空氣中光的傳播速度）圖3-7超聲波模塊原理圖紅外傳感器圖3-8TCRT5000實物圖TCRT5000反射式紅外傳感器采用發(fā)射功率高的紅外光電二極管和靈敏度好的光電晶體管組成。信號經(jīng)施密特電路處理，經(jīng)過處理的信號具有波形好、驅(qū)動能力強等特點。檢測裝置的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線沒有被反射回來或被反射回來強度不夠大時，此時不使用光敏三極管，此時輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)檢測的范圍內(nèi)出現(xiàn)了不必要的物體時，所有情況與之相反。基本參數(shù)：外形尺寸：長32mm~37mm;寬7.5mm；厚2mm工作電壓:DC3V~5.5V，一般為5V檢測距離：1mm~8mm，焦點距離為2.5mm圖3-9TCRT5000電路原理圖接觸傳感器接觸傳感器用作補充探測，當(dāng)機身與障礙物發(fā)生接觸時，由接觸傳感器發(fā)送碰撞信號給MCU。圖3-10接觸傳感器電路原理圖3.2.2自身狀態(tài)采集因為掃地機器人執(zhí)行清掃任務(wù)過程是一個運動過程，故需要對機體自身的狀態(tài)進行檢測。故此本系統(tǒng)采用了MPU-6050傳感器進行自身狀態(tài)的檢測。圖3-11MPU-6050電路實物圖MPU‐6050是第一個整合性9軸運動處理組件。它的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec(dps)，可準確追蹤動作的快和慢，并且用戶可程式控制的加速器全格感測范圍為±2g、±4g±8g與±16g。產(chǎn)品傳輸可透過最高至400kHz的或最高達20MHz的SPI。MPU‐6050可在不同電壓下工作，VDD供電電壓介為2.5V±5V、3.0V±5V或3.3V±5V，邏輯接口VVDIO供電為1.8V±5V。包裝尺寸為4x4x0.9mm。圖3-12MPU-6050電路原理圖VDD供電電壓為2.5V±5V、3.0V±5V、3.3V±5V，VDDIO為1.8V±5V。陀螺儀需要5mA來運行，它的待命電流為5μA；加速器的工作電流為350μA，它在省電模式下電流為20μA～10Hz。3.2.3運動信息采集由于需要在機器人工作過程中測量機器人的移動距離及速度，所以在電機轉(zhuǎn)軸上配置了增量式光電編碼器。圖3-13光電編碼器碼盤示意圖光電編碼器主要由光網(wǎng)盤和光電探測裝置組成。在系統(tǒng)中，由于光電碼盤與電動機同軸，當(dāng)電動機旋轉(zhuǎn)時，光網(wǎng)盤與電動機保持相同的速度進行旋轉(zhuǎn)。經(jīng)\t"/item/%E6%89%8B%E8%BD%AE/_blank"發(fā)光二極管等檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號。通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能得到當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90°的兩個通道的光碼輸出，通過雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機的轉(zhuǎn)向。3.3執(zhí)行系統(tǒng)3.3.1電機驅(qū)動電路由于STM32單片機所提供的電流無法直接驅(qū)動直流電動機，所以需要外加放大電路來進行功率放大。為了適應(yīng)任務(wù)環(huán)境復(fù)雜的機體運動，機器人本身需要不斷進行換向和調(diào)速，所以本系統(tǒng)以L298N作為主芯片用來電路的驅(qū)動。L298N是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，瞬間峰值可達3A，供電電壓范圍是2.5～48v，邏輯部分5v供電，接受5vTTL的電平。功率部分的電壓應(yīng)大于6V，否則芯片不能正常工作，額定功率最大為25W。圖3-14雙極性全橋驅(qū)動如圖3-13所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。當(dāng)VF1管和VF4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)VF1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)VF4回到電源負極,該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管VF2和VF3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動。ENA/ENB為使能端，通過輸入PWM信號，實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速的功能。IN1-IN4為邏輯輸入端，通過改變高電平的占空比來控制左右輪的轉(zhuǎn)向。為了防止轉(zhuǎn)換狀態(tài)時產(chǎn)生的反相電流，所以接入二極管，為了防止急停、制動時的電流反竄接入光耦隔離模塊。圖3-15電機驅(qū)動電路3.3.2穩(wěn)壓電路本文選用了一塊12V的鋰電池作為電力供應(yīng)主體，但根據(jù)各IC的供電標準，可知我們共需要5V、3.3V、1.8V這三種工作電壓，所以本文將鋰電池輸出的12v經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸出5V、3.3V、1.8V。LM2576集成電路可直接將12v直流電壓穩(wěn)定到5V直流。其輸出誤差可在給定輸入與輸出負載時，控制在的范圍內(nèi)，并具有優(yōu)秀的負載能力可驅(qū)動3A的負載。LM2576中集成了頻率固定器和補償器，使外圍電路更加簡化。圖3-1612V-5V電路圖

通過AMS11173.3和ASM11171.8將5V直流電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V直流電壓。其自帶過熱保護，具有良好的穩(wěn)壓精度（％）。圖3-1712V-3.3V和12V-1.8V電路圖3.4電機底盤使用兩個驅(qū)動輪與一個隨動輪的設(shè)計，通過兩個驅(qū)動輪的速度差進行轉(zhuǎn)向動作，當(dāng)兩輪速度相同，方向相反時進行原地掉頭動作。這種結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)簡單，動作靈活的特點。本系統(tǒng)選用直流減速電機，因其具有價格低廉、精度高、易于控制、電力驅(qū)動容易的特點。在電力驅(qū)動方面，可通過電池直接進行供電。因直流電機具有高轉(zhuǎn)速但扭矩小的特點，所以本系統(tǒng)選擇了配備減速器的直流減速電機，使其滿足大扭矩、低轉(zhuǎn)速的設(shè)計要求。本系統(tǒng)設(shè)計的掃地機器人設(shè)計重量為1.5KG，設(shè)計車輪直徑為42.6mm，設(shè)計最高速度為0.16m/s。則電機扭矩T，功率P為：根據(jù)數(shù)據(jù)經(jīng)驗，在實際傳動中會存在功率損失，其傳動效率應(yīng)在0.7左右，所以本次設(shè)計選用的電機應(yīng)滿足實際工作功率大于理論功率180％以上，故本次選用XD-42GA775型直流加速電機。圖3-18XD-42GA775直流減速電機實物圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹了掃地機器人的硬件設(shè)計。STM32F103ZET6作為主控模塊，使用CH340G進行程序下載，使用超聲波、紅外線和接觸檢測裝置作為對工作環(huán)境進行收集的主要器件，使用MPU-6050、光電編碼器作為檢測自身狀態(tài)的主要傳感器，同時介紹了電機的驅(qū)動電路和穩(wěn)壓電路。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1信息采集程序設(shè)計4.1.1超聲波驅(qū)動程序為滿足機器人對距離的測量與躲避障礙物的能力，因此在機器人內(nèi)部安裝三部超聲波的檢測裝置，用于檢測三個方位的環(huán)境信息。圖4-1超聲波操作時序圖當(dāng)超聲波模塊輸入一個10us的TTL信號到Ting引腳時，模塊內(nèi)部發(fā)出8個40KHz的脈沖，經(jīng)過處理使距離信息轉(zhuǎn)化為ECHO的持續(xù)高電平時間（），利用定時器根據(jù)式4-1可計算出距離，具體測距流程如圖4-2所示。圖4-2超聲波測距流程圖4.1.2陀螺儀及加速度計驅(qū)動程序本系統(tǒng)采用的是MPU-6050這一款數(shù)字傳感器。在實際應(yīng)用中，通過總線可得到角、線加速度。圖4-3MPU-6050框圖通過SCL和SDA與MCU進行連接，使得MCU通過SCL和SDA控制MPU-6050。由于本系統(tǒng)未使用其他外部設(shè)備，所以并未使用另外的IIC接口。MPU-6050初始化的各步驟如下：（1）初始化IIC接口首先初始化與MCU連接的SCL和SDA數(shù)據(jù)線。（2）復(fù)位MPU-6050恢復(fù)內(nèi)部寄存器的默認值，對電源寄存器1的bit7通過寫1使其由（0x6b）恢復(fù)到默認值（0x40）。為了能夠正常喚醒設(shè)備，需要將寄存器設(shè)置為（0x00)。（3）設(shè)置傳感器滿量程范圍通過角速度傳感器配置寄存器（0x1b），設(shè)置其滿量程范圍為±2000dps。通過加速度傳感器配置寄存器（0X1C),設(shè)置其滿量程范圍為±2g。（4）設(shè)置其他參數(shù)陀螺儀采樣率通過采樣率分頻寄存器（0X19）控制，這個采樣率我們一般設(shè)置為50即可。數(shù)字低通濾波器（DLPF）則通過配置寄存器（0X1A）設(shè)置，一般設(shè)置DLPF為帶寬的1/2即可。由于本系統(tǒng)不采用中斷方式讀取數(shù)據(jù)，所以關(guān)閉中斷，然后也沒外接其他傳感器，所以也關(guān)閉AUXIIC接口。MPU6050可以使用FIFO存儲傳感器數(shù)據(jù)，不過本系統(tǒng)沒有用到，所以關(guān)閉所有FIFO通道，這個通過FIFO使能寄存器（0X23）控制，默認都是0。（5）配置系統(tǒng)時鐘源通過電源管理寄存器1設(shè)置系統(tǒng)時鐘源，將最低三位由默認值0設(shè)置為1，時鐘源選擇X軸的ppl。（6）使能角速度傳感器（陀螺儀）和加速度傳感器將電源管理器2對應(yīng)位設(shè)置為0即可使能角速度傳感器和加速度傳感器。當(dāng)完成初始化后便通過應(yīng)用層對數(shù)據(jù)進行讀取和儲存。圖4-4MPU-6050流程圖通過MPU6050模塊測試機體偏移角度，可以修正由兩輪誤差產(chǎn)生的軌道脫離，當(dāng)檢測到偏移角度過大時，通過調(diào)整兩輪速度可使機體恢復(fù)原始軌道。4.1.3光電編碼驅(qū)動程序本系統(tǒng)采用分布20個透光孔的輪盤，兩透光孔間隔，車輪直徑為42.6mm，周長為133.83mm，則每次間隔輸出低電平時輪子移動6.69mm。圖4-5光電編碼器檢測流程根據(jù)式4-2、4-3可以測得小車的行駛路徑L和機身轉(zhuǎn)角θ。其中179.3mm為兩輪間距，L1和L2為兩輪脈沖數(shù)。4.2信息的建立與整合4.2.1地圖網(wǎng)格信息建立網(wǎng)格地圖主要包含的信息有：地圖外圍輪廓、網(wǎng)格單元外部特征、網(wǎng)格單元編號、網(wǎng)格單元內(nèi)部信息等。由初次清掃任務(wù)可測出網(wǎng)格地圖的外圍輪廓L、H；由兩輪直徑與外圍輪廓可知網(wǎng)格單元外部特征；通過內(nèi)螺旋隨機法的遞減因子可對網(wǎng)格進行編號；通過各傳感器可測定網(wǎng)格內(nèi)部障礙物信息。網(wǎng)格地圖建立步驟如下：初次清掃時，通過光電編碼器測得兩對向墻壁間的距離L、H。從任務(wù)起始點出發(fā)對網(wǎng)格單元進行編號信息建立,將最外圈記為，并由外到內(nèi)用依次i+1記錄，每圈內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)單元，按順時針記為。單元網(wǎng)格的位置可表示為。在執(zhí)行清掃任務(wù)中，由機器人通過傳感器信息進行網(wǎng)格單元的障礙物信息編碼，無障網(wǎng)格編碼為00，避障網(wǎng)格編碼為10。當(dāng)網(wǎng)格占比大于設(shè)定值，即對當(dāng)前網(wǎng)格編碼10進行加1操作，使其編碼變?yōu)?1。當(dāng)網(wǎng)格占比小于設(shè)定值，即不對編碼進行變更。程序函數(shù)定義：IntL,H//網(wǎng)格外圍輪廓StructMapstatus//地圖全信息{IntNumber[800][4]//網(wǎng)格編號floatl,h//網(wǎng)格單元外部特征Intcontent//網(wǎng)格單元內(nèi)部特征StructMapstatus*next//建立鏈表}圖4-6網(wǎng)格地圖建立流程圖4.2.2地圖信息整合由于掃地機器人的外部地圖環(huán)境一直處于動態(tài)變化之中，網(wǎng)格單元的網(wǎng)格信息也應(yīng)及時的更新。尤其是當(dāng)環(huán)境信息的更新積累到一定數(shù)量時，機器人便可獲得有用的環(huán)境變化信息。在持續(xù)的清掃任務(wù)時，機器人在使用前次地圖信息的同時進行更新，主要的更新內(nèi)容為障礙物信息。本文提出的信息整合，即表示當(dāng)?shù)貓D信息更新累積到一定數(shù)量時，掃地機器人能對環(huán)境的動態(tài)變化做出一定判斷。圖4-7地圖信息整合系統(tǒng)對網(wǎng)格密度進行判斷，當(dāng)信息不斷累計更新，便可以得到平均網(wǎng)格密度m，這一平均值可以反映地圖中障礙物的