基于SLH89F5162的智能清潔機(jī)器人

一、項目設(shè)計背景及概述

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、能完成有益于人類健康的服務(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，能夠自動進(jìn)行房間地面的家庭衛(wèi)生服務(wù)。在一些發(fā)達(dá)國家的很多公共場合已經(jīng)開始使用清潔機(jī)器人，隨著清潔機(jī)器人性價比的提高，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，會與用戶形成頻繁的互動關(guān)系，產(chǎn)品和消費者產(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)就完成對吸塵器的的有效控制，將會為人類的清潔工作帶來極大的便利。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)給我們提供了一個很好的平臺來實現(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服務(wù)。

二、項目設(shè)計原理

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(jī)器人主要由以下幾個模塊組成：

（1）信息采集模塊

（2）決策模塊

（3）運動控制模塊

（4）清掃模塊

這四個部分構(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，控制運動控制模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運動的同時讓清掃模塊進(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)計原理

2.2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)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(jī)器人采用三輪機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)方式，其特點是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，但不能爬坡。本設(shè)計中清潔機(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(jìn)而固定在底盤上。機(jī)器人行進(jìn)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(jī)，電機(jī)運行穩(wěn)定，無抖動。扭力強勁130強磁直流減速電機(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：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)生強大的氣流，將塵埃和臟物通過吸口吸入機(jī)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(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

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)是一款功能比較強大的單片機(jī)，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(jī)串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機(jī)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(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，針對電機(jī)控制，強干擾場合。SLH89F5162單片機(jī)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(jī)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(fù)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(jìn)行復(fù)位：藍(lán)牙模塊，接收手機(jī)發(fā)送的控制信號；超聲波模塊，進(jìn)行實時測距以躲避障礙物；驅(qū)動模塊，驅(qū)動電機(jī)工作，實現(xiàn)機(jī)器人的行走。

時鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計中往往是一個關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計不當(dāng)就很有可能使其工作時的產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾；若晶振工作不正常，則會導(dǎo)致整個單片機(jī)系統(tǒng)無法運行。SLH89F5162系列單片機(jī)的時鐘輸入接在其14（XTAL2）和15（XTAL1），通常是接一個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過多的干擾周圍線路。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對信號質(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復(fù)位信號才能正常工作，在開發(fā)和調(diào)試單片機(jī)系統(tǒng)時也往往要對它進(jìn)行手動復(fù)位，而且當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)供電電壓過低時，程序的運行會出現(xiàn)非正常的情況，要求在低壓時也必須對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。SLH89F5162單片機(jī)的RESET引腳為低有效，平時為上拉高電平，復(fù)位時，需要給其一定時間的低電平。

機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強健的電源供給作為保障，強大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中電源分為功率和信號兩部分輸出，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電源供應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動、微型吸塵器的電源由功率電源供應(yīng)。