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家用清扫机器人控制系统设计
摘要
目前，各式各样的清扫机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。室内家用清扫机器人器人就是在这种背景下诞生的一种家庭清扫机器人。室内家用清扫机器人器人的路径规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的连续路径。根据建立的清扫机器人平台，提出清扫机器人随机运动路径规划算法。机器人利用其上安装的红外传感器和摄像头来识别和感知房间环境，机器人开始以螺旋运动方式覆盖房间的空白区域，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性。
关键词：清扫机器人，单片机，躲避障碍，路径规划
ABSTRACT
At present, the cleaning robot is more and more applied in people's life in every kind of, engaged in the daily lives of people with the service, greatly enhance and improve the quality of people's lives. A family of indoor intelligent cleaning robot is born in this background. The intelligent cleaning indoor cleaning robot using full path planning methods of regional the planning of the robot, the goal is to find a from the starting point to the end point and after continuous path all reachable points in the set area. According to the established cleaning robot platform, proposed sweeping algorithm for robot path planning. The random motion of robot using the infrared sensor and camera installation To recognize and perceive the room environment, the robot begins to cover the blank area of the room in a spiral motion, and when it encounters an obstacle, it initiates an obstacle response strategy. The effectiveness of the algorithm is verified by computer software simulation and experiments in the room environment.
Keywords: cleaning robot, SCM, obstacle avoidance, path planning
1绪论
1.1 引言
自动清扫机器人是当今清扫机器人领域的研究热点。从理论和技术上讲，自动清扫机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性；从市场上前景讲，自动清扫机器人将大大降低劳动强度，提高劳动效率，适用于宾馆﹑酒店﹑图书馆﹑办公场所和大众家庭。因此开发自动清扫机器人既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。
1.2 研究现状：
自从1904年英国人发明了第一台清扫机，至今为止清扫机的发展历史已有近百年。而后日本、美国、德国、英国等国家就开始了清扫机的批量生产。目前，国外先进的清扫机都在不断地提高智能水平。
吸扫式小型清扫机是目前国内外应用最为广泛的小型清扫机品种，通常有盘型刷和风机、风管道、吸尘嘴等部分。盘刷的设置加强了对马路边沟的清扫，增加了清扫宽度。盘型刷将侧面的垃圾扫到吸尘嘴的工作区域，再由吸尘系统将垃圾吸入机内的垃圾箱。吸扫式小型清扫机适合于任何道路环境的清扫，对污物、尘土都有很好的清扫效果，工作效率高。智能化清扫机不仅给企业带来巨大的经济效益，同时也产生了显著的社会效益。
1.2.1 路径规划技术
路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息, 按照某种优化指标, 在起始点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径, 并且实现所需清扫区域的合理的路径覆盖,实质就是清扫机运动过程中的导航和避碰。
1.2.2 多传感器融合技术
为了让吸尘机器人正常工作, 必须对机器人位置、姿态、速度和系统内部状态进行监控, 并感知机器人所处工作环境的静态和动态信息, 使得吸尘机器人相应的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。 吸尘机器人都采用了大量的传感器, 有效地把大量的传感器观测信息融合处理, 使机器人获得最大量的外部环境信息, 运用多传感器融合技术可以提高移动机器人定位、障碍物识别、环境建模、避障的精度。
1.2.3 电源技术
移动电源需同时为移动机构提供动力,为控制电路提供稳定的电压,为吸尘操作模块及传感观测模块提供能源等。电源在放电过程中具备: ①保持恒定的电压; ②内阻小以便快速放电; ③可充电; ④成本低等特点。
依托以上关键技术,可实现以下产品功能:
1.自动检测垃圾并对较脏的区域重点清扫
2.自动寻找智能充电座回去充电
3.定时清扫
4.当机器被卡住能自动摆脱
5.支持遥控
6.边角清扫程序
7.不重复清洁、不留死角和楼梯防跌落功能
1.3 研究内容：
1.3.1 自动返回充电功能
启动机器人自动充电模式，它在完成工作后会自动返回充电并进入待机状态。用户只要打开机器人，剩下的清洁工作就不用担心了。
1.3.2 具有预约定时自动清扫功能
可以预约一次和一周内任意预约清扫时间，可以放心上班和出差，也可以自动打扫。
1.3.3 脱困功能
可以顺利跳过2CM高的电线等杂物，具有聪明的摆脱困境功能，入遇困境，机器人会自动尝试用各种办法摆脱困境。
1.3.4 防跌落功能
在楼梯，会议桌等地方工作也不用担心机器会跌落而造成顺坏及危险，机器人自动感知到危险而避开。
1.3.5 液晶显示屏智能报警提醒
智能识别系统能够帮助您判断机器人使用过程中出现的问题，智能识别系统能够自动识别各种异常情况。
1.3.6 灵巧边刷
单独的边刷控制边刷高速旋转，将墙角/墙边的垃圾清扫出来并进入尘盒，真正的有效清扫边角灰尘。
1.3.7 解决家用清扫机器人反复清理一个地方的问题
1.4 论文主要完成的工作
课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计，驱动电机选择，传感器的选择，控制算法的研究，硬件电路设计和软件编程及试验。
1.4.1 机械结构部分
包括机器人构成方案选择、机器人本体机构设计和驱动电机的选择。
1.4.2 避障系统控制方案
包括机器人障碍检测系统、定位系统的确定和控制算法的选择。
1.4.3 控制系统硬件部分
包括单片机控制系统硬件电路设计、电机驱动电路设计和传感器检测硬件电路设计。
1.4.4 控制系统软件部分
包括单片机控制系统的软件设计。
