基于SLH89F5162的智能清潔機(jī)器人

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：

（1）信息采集模塊

（2）決策模塊

（3）運(yùn)動(dòng)控制模塊

（4）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。[!--empirenews.page--]

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)。