【正文】 電路如圖416所示。圖417 紅外接收頭SFH506_38接口電路當(dāng)機(jī)器人檢測到電池電量低時(shí)，需要自動(dòng)尋找充電器，本系統(tǒng)采用紅外線接收的方法尋找充電器，紅外接收電路通常由紅外接收二極管與放大電路組成，放大電路通常又由一個(gè)集成塊及若干電阻電容等元件組成，并且需要封裝在一個(gè)金屬屏蔽盒里，因而電路比較復(fù)雜，體積也比較大。SFH50638是一種特殊的紅外接收電路，它將紅外接收管與放大電路集成在一體，體積小，密封性好，靈敏度高，并且價(jià)格低廉，它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負(fù)極以及信號輸出端，其工作電壓在5V左右，接收載波頻率是38KHz，只要給它接上電源即是一個(gè)完整的紅外接收放大器，使用十分方便。按照手冊，SFH50638的接口電路的如圖417所示。為了讓機(jī)器人盡快找到充電器，本系統(tǒng)采用了兩個(gè)SFH50638，安裝在機(jī)器人的前面，中間用擋板進(jìn)行隔離，使它們能夠接收不同方向的信號，避免互相干擾，當(dāng)機(jī)器人接近充電器后，通過檢測充電器充電電流來判斷是否己經(jīng)對接上。充電器上安裝一個(gè)紅外發(fā)射裝置，不斷發(fā)送紅外線，機(jī)器人檢測到電壓低時(shí)先原地轉(zhuǎn)圈，利用兩個(gè)紅外接收頭判斷充電器方向，有4種情況： (1)右邊接收頭接收到信號，而左邊沒有，說明充電器在右前方，機(jī)器人向右旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。 (2)左邊接收頭接收到信號，而右邊沒有，說明充電器在左前方，機(jī)器人向左旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。 (3)左右兩邊的接收頭都接收到信號，說明充電器在正前方，機(jī)器人直線前進(jìn)。(4)左右兩邊的接收頭都沒有接收到信號，說明充電器可能在機(jī)器人的后方，或者充電器發(fā)出的信號被物體擋住了，這時(shí)機(jī)器人首先原地轉(zhuǎn)一圈，如果還是都接收不到信號，則沿著墻邊或者家具邊行走，每隔一小段時(shí)間就旋轉(zhuǎn)一下搜尋紅外線信號，直到找到為止。圖418 主程序流程圖自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖418所示。 程序初始化模塊主要包括：初始化串口、PWM工作模式、LCD、開外部中斷等。開機(jī)后液晶顯示歡迎界面，工作過程可以分成兩個(gè)主要部分：自主清掃和遙控清掃。提示用戶選擇遙控方式或者自動(dòng)清掃方式，這里通過撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。機(jī)器人兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪前面各有一個(gè)紅外傳感器，向下檢測距離，如果二者之中的任何一個(gè)檢測到的距離值大于設(shè)定值則認(rèn)為前面是樓梯，機(jī)器人進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，單片機(jī)可以通過內(nèi)部硬件完成保護(hù)斷點(diǎn)和跳到中斷服務(wù)程序的入口，這里只需要在中斷服務(wù)子程序里讓機(jī)器人后退轉(zhuǎn)彎即可。 移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題是移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，可以描述為：移動(dòng)機(jī)器人依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在運(yùn)動(dòng)空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開障礙物的最優(yōu)或者接近最優(yōu)的路徑?！熬弊中伪闅v法是常見的全區(qū)域遍歷方法，指機(jī)器人先橫向遍歷再縱向遍歷(或者先縱向再橫向)的方法，機(jī)器人直線行走，遇到障礙物就轉(zhuǎn)彎掉頭繼續(xù)直線行走，橫向遍歷完成后再縱向遍歷一次，這種方法有一定的重復(fù)率，但不會重復(fù)超過兩次，有些地方可能打掃不到。 圖419 凹處遍歷方式示意圖 圖420 改進(jìn)的“井”字遍歷方式示意圖下面給出改進(jìn)的“井”字形方法；這種方法只順著一個(gè)方向走(橫向或者縱向)，相對于傳統(tǒng)的“井”字形少遍歷一次，對于凹進(jìn)去的地方轉(zhuǎn)進(jìn)去打掃。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃地機(jī)右側(cè)有兩個(gè)紅外避障傳感器，可以測得設(shè)定的范圍內(nèi)有無障礙物，根據(jù)本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)定成6cm，根據(jù)前后兩個(gè)傳感器返回值的不同可以判斷右側(cè)是否有凹處。如圖419所示，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)1處時(shí)，前面?zhèn)鞲衅鞣祷氐碗娖?6cm內(nèi)無障礙物)，而后面?zhèn)鞲衅鞣祷馗唠娖?6cm內(nèi)有障礙物)，因此判定前面是個(gè)凹處，機(jī)器人轉(zhuǎn)進(jìn)去到達(dá)2處，機(jī)器人要對從1到2的距離進(jìn)行記憶，根據(jù)這個(gè)距離計(jì)算要來回走的次數(shù)，然后不斷轉(zhuǎn)彎、直行以“三”字來回打掃，最后達(dá)到3處，沿著物體轉(zhuǎn)彎出去。這里涉及到一個(gè)問題，如圖420所示，機(jī)器人到2所指示的地方時(shí)，檢測到右邊可能是凹處，于是轉(zhuǎn)進(jìn)去掃，到達(dá)3指示的地方，又發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能的凹處，這種方法采用原路返回的措施卿只處理一個(gè)凹處，多于一個(gè)就原路返回，回到2處繼續(xù)打掃，這個(gè)措施是可行的，因?yàn)闄C(jī)器人在進(jìn)入凹處時(shí)就開始記憶的距離可以作為返回時(shí)的依據(jù)。開始直走碰到障礙物有凹處轉(zhuǎn)彎進(jìn)入凹處直走并記錄走的距離碰到障礙物根據(jù)走的距離判斷要走幾個(gè)來回（N）轉(zhuǎn)彎掉頭直走碰到障礙物轉(zhuǎn)彎有凹處原路返回至凹處入口N=N1沿障礙物轉(zhuǎn)彎出去N0是否否是是否否是是否是否圖421 改進(jìn)的“井”字行遍歷法流程圖改進(jìn)的“井”字形遍歷方法的程序流程如圖421所示，遍歷的截止條件由主程序給出。這種方法相對于傳統(tǒng)的“井”字形遍歷法少遍歷了一半左右的時(shí)間，覆蓋率也較高，圖420中的4所示部分是沒有覆蓋到得區(qū)域，其余部分均遍歷過。圖422 自動(dòng)充電流程圖自動(dòng)掃地機(jī)自動(dòng)充電流程的難點(diǎn)主要是自主尋找充電器，本系統(tǒng)的自動(dòng)充電流程圖如圖422所示。 機(jī)器視覺作為科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的重要研究領(lǐng)域，對機(jī)器人的發(fā)展有著重大意義，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。美國制造工程師協(xié)會機(jī)器視覺分會和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會的自動(dòng)化視覺分會對機(jī)器視覺的定義為：機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了攝像頭接口，下面分別從清掃時(shí)間估計(jì)和自動(dòng)充電兩方面討論。本系統(tǒng)采用內(nèi)嵌Omnivision公司的OV6630視覺傳感器的C3038視覺模塊，該視覺模塊最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以輸出數(shù)字和模擬圖像信號，還可以通過IIC總線對C3038的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。它的幀速率可達(dá)60幀/秒，圖像信息并行數(shù)字輸出，與傳統(tǒng)的CCD傳感器相比，其最明顯的優(yōu)勢是集成度高，功耗小，生產(chǎn)成本低，容易與其它芯片整合。圖423 起始標(biāo)志 圖424 房間有物體挨著房間擺放自動(dòng)掃地機(jī)的全區(qū)域遍歷有個(gè)難點(diǎn)，即如何判斷己經(jīng)打掃完畢，其他方法和“井”字形遍歷法都不能得到已經(jīng)打掃完的信息。如果房間墻壁上有一條深色的標(biāo)志(利用灰度信息可識別出)，并且在某個(gè)地方間斷兩次，如圖423，利用攝像頭可以很好地完成識別第一圈已經(jīng)走完的任務(wù)，同時(shí)可以測量房間大小。將攝像頭安裝在機(jī)器人的側(cè)面，對墻壁進(jìn)行掃描，第一次掃描到間斷標(biāo)志時(shí)開始計(jì)算，到第二次掃描到該標(biāo)志時(shí)認(rèn)為己經(jīng)走過了一周。如果在行走過程中發(fā)現(xiàn)攝像頭沒有檢測到這條深色帶，說明沿著的這個(gè)物體不是墻壁，如圖424所示，機(jī)器人從墻壁轉(zhuǎn)彎到1所指示的地方時(shí)，攝像頭發(fā)現(xiàn)沒有墻壁信號，這時(shí)機(jī)器人不做任何記錄，當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎到2處時(shí)(之前發(fā)生了先左轉(zhuǎn)，后右轉(zhuǎn))，根據(jù)轉(zhuǎn)彎記錄判斷這段應(yīng)該計(jì)算在墻壁長度內(nèi)，開始記錄，再轉(zhuǎn)到3時(shí)不記錄，這樣即使有物體靠著墻壁擺放也可以排除干擾，走完一圈后機(jī)器人根據(jù)記錄計(jì)算房間大小，房間的面積跟房間的形狀相關(guān)，但介于大多數(shù)房間都是矩形的，這里只需把房間當(dāng)成正方形計(jì)算即可，也就是根據(jù)周長算正方形的面積。得到的房間信息可以讓機(jī)器人打掃完成后自動(dòng)關(guān)機(jī)，無需人為設(shè)置時(shí)間。該部分軟件流程圖如圖425所示。圖425 利用視覺遍歷房間流程圖5結(jié)束語 本文在綜合分析國內(nèi)外自動(dòng)掃地機(jī)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)掃地機(jī)，采用功能豐富、能耗低的單片機(jī)作為核心控制器件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈巧、緊湊，功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。主要研究成果如下： (1)分析了自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)的典型組成模塊，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了本自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能，除行走清掃外，還包括自動(dòng)充電、樓梯檢測的功能，同時(shí)具有視覺模塊接口、紅外遙控接口、液晶顯示接口等。 (2)研究了傳統(tǒng)自動(dòng)掃地機(jī)的路徑規(guī)劃方法：“井”字形遍歷法，并分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。針對“井”字形遍歷法，提出了改進(jìn)的“井”字形遍歷方法，提高了遍歷效率。 (3)設(shè)計(jì)了一種基于紅外檢測、判斷的自動(dòng)尋找充電器的方法，該方法利用兩個(gè)接收頭接收到得紅外信號判斷充電器的方向，基本以直線接近充電器，較單純沿墻壁走的尋找充電器方法效率高。 (4)根據(jù)本系統(tǒng)的功能要求對單片機(jī)、各種傳感器、電機(jī)、電池進(jìn)行了硬件選型。 (5)設(shè)計(jì)了自動(dòng)掃地機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)：采用圓形底盤、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪差速控制、兩個(gè)萬向輪的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎更靈活。 (6)完成了自動(dòng)掃地機(jī)的硬件設(shè)計(jì)、制作工作：選擇FreeScale公司生產(chǎn)的MC9S12DG128作為系統(tǒng)的主控芯片，給出了設(shè)計(jì)的各個(gè)部分的電路圖。(7)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)：給出了軟件總體流程圖，自動(dòng)尋找充電器流程圖，改進(jìn)的“井”字形遍歷法流程圖，最后給出了視覺導(dǎo)引在自動(dòng)掃地機(jī)中的應(yīng)用及工作流程。參考文獻(xiàn)[1][M].合肥：.[2]譚定忠,王啟明,李金山,[J].,(6):911.[3]李金山,李琳,[J].,(5):18.[4]曾岑,陳進(jìn),[J].,46(10):6367.[5]馬平,呂鋒,[J].,13(1):4851.[6]王以倫,鄧寶林,王洪濤,[J].,(16):23.[7]張西良,Ⅱ目標(biāo)搜索研究[J]..[8]石為人,[J]., 27(6):378379.[9][M]北京：.[10]叢爽,[J]..[11]高學(xué)山,徐殿國,[J].機(jī)電工學(xué)報(bào),2008,44(3)。228233[12]王義杰,王書銼等. 壁面移動(dòng)自控車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].. 1995, 19(1): 4850[13]奇正.“清洗巨人”世界上最大的機(jī)器人[J].,(5):78[14]王巍,靈巧擦窗機(jī)器人相關(guān)問題研究[J].北京航空航天大學(xué)博士論文,200008[15]李玉榕,郭智疆,[J]., 23(1): 106110[16]D C White, H H Woodson. Electromechanical Energy Conversion[M].John Wiley amp。 Sons,1959.[17]T J E Miller. Brushless PermanentMagnet and Reluctance Motor Drives[M].Clarendon Press,Oxford,1989.[18]A E Fitzgerald, C Kingsley, Jr, S D Umans. Electric Machinery[M].6th Ed. McGrawHill,2003.[19]Leonhard W. Control of Electrical Drives[M].2nd ed. SpringerVerlag,1996.[20]A Nabae, et al. An Approach to Flux Control of Induction Motor Operated with VariableFrequency Power Supply[J].IEEE vol IA16,1980.致謝本設(shè)計(jì)是在導(dǎo)師老師的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。無論是在選題、課題的研究還是在論文的撰寫方面，無不傾注著導(dǎo)師的心血。導(dǎo)師淵博的知識、精湛的學(xué)術(shù)造詣為本設(shè)計(jì)的研究指明了方向，導(dǎo)師敏銳的洞察力、富有創(chuàng)建的學(xué)術(shù)思想是本設(shè)計(jì)得以開展和順利完成的重要?jiǎng)右?，老師?yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、一絲不茍的治學(xué)態(tài)度和對科學(xué)孜孜不倦的執(zhí)著追求時(shí)刻啟迪著我，她誨人不倦、刻苦奉獻(xiàn)的精神以及和平易近人的工作永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。另外，我還要感謝安徽理工大學(xué)的各位同學(xué)朋友，他們在我撰寫論文及攻讀學(xué)士學(xué)位期間給予了大量建議和幫助。我要特別感謝我的父母和其他親友，感謝他們給予我無私的理解與莫大的關(guān)懷，他們對我的支持是我順利完成學(xué)業(yè)的最大動(dòng)力。最后再次向我的導(dǎo)師衷心的感謝和崇高的敬意，也向所有在我攻讀學(xué)位及撰寫論文期間給予我?guī)椭睦蠋?、同學(xué)、親人和朋友們表示衷心的感謝。祝他們身體健康，工作順利！祝安徽理工大學(xué)，事業(yè)輝煌，蒸蒸日上！致謝人：20130604