【正文】 （論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一 編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類(lèi)設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類(lèi)論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書(shū)寫(xiě)字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫(xiě) 2）工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 本文首先綜述了清潔機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，在綜合比較了國(guó) 內(nèi)外多種典型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出適合中低端用戶(hù)使用的清潔機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案。清潔機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)智能清掃的主體部分，本文介紹了清潔機(jī)器人的組成部分，并完成了硬件電路的實(shí)現(xiàn)。然后，詳細(xì)設(shè)計(jì)了紅外傳感器，碰撞檢測(cè)，電源模塊、充電模塊、鍵盤(pán)、液晶顯示以及各種電機(jī)控制等電路。 最后，綜合設(shè)計(jì)結(jié)果制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 關(guān)鍵詞： 清潔機(jī)器人，智能清掃，單片機(jī)系統(tǒng) 注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來(lái)源于自選。在軍事上，為減少人員傷亡，大規(guī)模的使用智能化機(jī)器人；在搶險(xiǎn)救災(zāi)中，為營(yíng)造良好的營(yíng)救時(shí)間，智能機(jī)器人深入危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)；在航空領(lǐng)域里，智能機(jī)器人扮演重要角色，幫助人們完成許多具有劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn)。而如今，越來(lái)越多的消費(fèi)者正在使用家庭服務(wù) 機(jī)器人產(chǎn)品。 本設(shè)計(jì)的研究旨在開(kāi)發(fā)一部?jī)r(jià)格便宜，方便使用，體積不大，能夠滿(mǎn)足家庭清潔要求的清潔機(jī)器人。 機(jī)器人技術(shù)概述 自 50 年代第一臺(tái)機(jī)器人裝置在美國(guó)誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)它接到再現(xiàn)命令時(shí)，則自主地模仿示范的動(dòng)作作業(yè)。第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不但有第二代機(jī)器人的感覺(jué)功能和簡(jiǎn)單的自適應(yīng)能力，而且能充分識(shí)別工作對(duì)象和工作環(huán)境，并能根據(jù)人給的指令和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作，是人工智能發(fā)展到高級(jí)階段的產(chǎn)物，也是當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。外部受控機(jī)器人的本體沒(méi)有智能單元，只有執(zhí)行機(jī)構(gòu)和感應(yīng)機(jī)構(gòu)， 2 它受控于外部計(jì)算機(jī)，在外部計(jì)算機(jī)上具有智能處理單元，處理由受控機(jī)器人采集的各種信息以及機(jī)器人本身的各種姿態(tài)和軌跡等信息，然后發(fā)出控制指令指揮機(jī)器人的動(dòng)作。全自主機(jī)器人的本體上具有感知、處理、決策、執(zhí)行等模塊，可以就像一個(gè)自主的人一樣獨(dú)立地活動(dòng)和處理問(wèn)題。自主性 是指它可以在一定的環(huán)境中，不依賴(lài)任何外部控制，完全自主地執(zhí)行一定的任務(wù)。交互性也是自主機(jī)器人的一個(gè)重要特點(diǎn)，機(jī)器人可以與人、與外部環(huán)境以及與其他機(jī)器人之間進(jìn)行信息的交流。 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的用途越來(lái)越廣，開(kāi)始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，向 軍事、公安、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域滲透。 對(duì)于己經(jīng)相當(dāng)成熟的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，服務(wù)機(jī)器人是近年來(lái)出現(xiàn)機(jī)器人學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域。由于服務(wù)機(jī)器人涉及的領(lǐng)域很廣泛，因此到目前為止國(guó)際上對(duì)服務(wù)機(jī)器人也還沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的定義。德國(guó)生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化研究所對(duì)服務(wù)機(jī)器人給出的定義則為“服務(wù)機(jī)器人 是一種可以全自主或者半自主地為人類(lèi)或者設(shè)備提供有用服務(wù)的機(jī)器人”。由于服務(wù)機(jī)器人與普通公眾關(guān)系密切，最近越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)主要有以下 幾個(gè)原因： 第一、由于勞動(dòng)力成本的上升，人們希望能由低成本的服務(wù)機(jī)器人來(lái)替代人工 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高效率地工作。機(jī)器人可以檢修危險(xiǎn)的工業(yè)設(shè)備，處理各種危險(xiǎn)物品，巡査核設(shè)施以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的輸油管道，而在安防系統(tǒng)及搜救行動(dòng)中，機(jī)器人更能充當(dāng)起關(guān)鍵角色。聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)顯示，目前全球老齡人口總數(shù)己達(dá) 億，到 2050 年， 60 歲以上的老齡人口總數(shù)將近 20億，占總 21%。這就需要大量的陪護(hù)機(jī)器人來(lái)幫助老年人和殘疾人能夠更加獨(dú)立地生活，甚至協(xié)助醫(yī)生進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、診斷并治療。 第五、隨著網(wǎng)絡(luò)家電、數(shù)字家庭的普及，市場(chǎng)迫切需要智能機(jī)器人來(lái)管理家庭以及輔助安排家庭日常生活。 2)吸塵機(jī)器人的工作環(huán)境主要為普通家庭環(huán)境，也可以用于機(jī)場(chǎng)候機(jī)大廳、 展覽館、圖書(shū)館等公共場(chǎng)所。所以環(huán)境適應(yīng)性是對(duì) 此類(lèi)機(jī)器人的基本要求。考慮到安全因素， 吸塵機(jī)器人必須對(duì)人及 家庭物品等不構(gòu)成任何危害，同時(shí)吸塵機(jī)器人還必須 4 具備自我保護(hù)的能力。 在德國(guó)，由 Kaercher 公司生產(chǎn)的 RC3000（圖 ）是世界上第一臺(tái)能夠自主清潔地面的家庭清潔機(jī)器人。其扁平的設(shè)計(jì)使其能夠清潔床、沙發(fā)、茶幾等家具的下部位置。 RC3000 具有自動(dòng)返回充電站充電功能，其相應(yīng)的充電站有紅外發(fā)射、工作時(shí)間設(shè)定、工作模式選擇、充電、垃圾處理五個(gè)功能。 圖 RC3000 和充電站 在日本，東日本鐵路公司、富士工業(yè)有限公司 Subaru 實(shí)驗(yàn)室和 JR 東方設(shè)施管理有限公司聯(lián)合研制了車(chē)站地面擦洗機(jī)器人，該機(jī)器人工作時(shí)一面將清洗液噴灑到地面上，一面用旋轉(zhuǎn)刷不停地擦洗地面，并將臟水吸人所帶的容器中。 2020 年 5 月 8 日，為了應(yīng)對(duì)日本本土自主吸塵器市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，夏普公司繼東芝公 司之后，推出新一代智能吸塵器 COCORORO（ 圖 ） 。 COCORORO 內(nèi)置紅外傳感器和攝像頭，我們可以通過(guò)智能手機(jī)遙控操作吸塵器，攝像頭拍攝到的畫(huà)面會(huì)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)屏幕上。 圖 夏普公司的 COCORORO 在英國(guó)， 著名的家電廠商伊萊克斯（ EIectoIux）于 2020 年 11 月推出了吸塵器“三葉蟲(chóng)”，高 13mm,直徑為 35mm，表面光滑，呈圓形，如圖 所示。同時(shí)，能夠?qū)φ系K物進(jìn)行識(shí)別和處理，重新選擇路線，并對(duì)整個(gè)房間做出重新判斷與計(jì)算，以保證房間的各個(gè)角落都被清掃?！叭~蟲(chóng)”每次充電后可以工作一小時(shí)左右，當(dāng)電量不足時(shí)，它會(huì)自動(dòng)回到充電 卡座自行充電；如果此時(shí)房間還沒(méi)有清掃完畢，充好電后它會(huì)自動(dòng)回到原處繼續(xù)清掃。 2020 年９月清潔機(jī)器人＂ Roomba”在美國(guó)面市，運(yùn)用人工智能運(yùn)轉(zhuǎn)與導(dǎo)航偵測(cè)技術(shù)，搭配獨(dú)有的真空吸孔與旋轉(zhuǎn)刷，清潔效果特別好。只要按下開(kāi)關(guān)， Roomba 就會(huì)全自動(dòng)在指定的區(qū)域吸塵打掃，碰到障礙物會(huì)自動(dòng)躲避 ，遇到樓梯或臺(tái)階也會(huì)自動(dòng)偵測(cè)而不會(huì)掉下去。由于能夠在完成任務(wù)后自動(dòng)切斷電源，所以在外出期間可以讓 Roomba 在家進(jìn)行清掃。 圖 iRobot 公司的 Roomba 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等也對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行大量的研究并取得了一些成果。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90 年代開(kāi)始致力于這方面的研究，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出一種全方位移動(dòng)清掃機(jī)器人。 浙江大學(xué)于 1999 年初在浙江 大學(xué)機(jī)械電子研究所開(kāi)始進(jìn)行智能吸塵機(jī)器人的研究，兩年后設(shè)計(jì)成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)具有初步智能的自主吸塵機(jī)器人。 目前國(guó)內(nèi)的科沃斯、?，斕亍⒑柕裙疽呀?jīng)相繼推出他們的清潔機(jī)器人產(chǎn)品。它具有五大功能：定時(shí)預(yù)約清掃 、智能遠(yuǎn)程操控、虛擬墻分區(qū)清掃、智能防跌撞、智能回歸充電。如圖 所示。 主要內(nèi)容安排如下： 第一章闡述了智能清潔機(jī)器人的相關(guān)概念，分析了清潔機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的研究 動(dòng)態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)，提出了課題的研究背景、 意義和主要內(nèi)容。 第三章對(duì)清潔機(jī)器人的硬件控制電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)系統(tǒng)、傳感器器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及主要控制芯片的介紹等。這種方案下，所有控制電路都要手工制作，非常復(fù)雜，規(guī)模大不易實(shí)施，而且這種控制電路精度不高，反應(yīng)不夠靈敏，可行性差。用控制芯片控制清潔機(jī)器人的系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，適應(yīng)科技先進(jìn)性，而且各類(lèi)功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿(mǎn)足題目的要求。 核心模塊方 案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的核心模塊也就是控制器，是小車(chē)的大腦，主要用于傳感器信號(hào)的接收、辨認(rèn)和處理、以及對(duì)電機(jī)控制等。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性。由檢測(cè)模塊輸出的信號(hào)并行輸入 FPGA， FPGA 通過(guò)程序設(shè)計(jì)控制小車(chē)作出相應(yīng)的動(dòng)作，但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。 DSP 因?yàn)閿?shù)字處理與通信領(lǐng)域的空前發(fā)展而近顯火爆，應(yīng)用面很廣泛， DSP 10 主要是面對(duì)數(shù)字信號(hào)方面的處理，其針對(duì)性有速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是，而DSP 強(qiáng)調(diào)的是較大的數(shù)據(jù)處理能力 ,如在運(yùn)行控制 ,圖像處理等方面，占有較大優(yōu)勢(shì)，而在這個(gè)智能車(chē)小系統(tǒng)中則沒(méi)有必要使用如此精確的控制器件，而且價(jià)格方面也不低，固不宜采用。 用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，單片機(jī)也叫單片微型計(jì)算機(jī)，在控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，具有多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng) I/O 功能及較好的結(jié)構(gòu)兼容性等優(yōu)點(diǎn)，是小型控制系統(tǒng)的首選。 本系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，用單片機(jī)作為控制芯片非常合適，因此采用方案三。 利用超聲波的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙墻壁的測(cè)量和有效規(guī)避， 超聲波傳感器波的發(fā)射角小，檢測(cè)靈敏度高，但是超聲波傳感器使用成本不低，而且不能體現(xiàn)設(shè)計(jì)才能，不宜采用。 通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離，這在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)含量十分豐富，具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點(diǎn)。 方案三：采用紅外對(duì)管傳感器。它的優(yōu)點(diǎn)是消除了外界光線的干擾，提高了靈敏度，制作 也比較簡(jiǎn)單。 清潔機(jī)器人系統(tǒng)的整體構(gòu)架 整體設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)框圖如圖 所示 11 圖 清潔機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 各模塊的組成和功能介紹如下： （ 1） 控制器（單片機(jī)）：主要由單片機(jī) STC89C52RC 組成，它的主要功能是完成主控程序?qū)δK接口的控制，是程序運(yùn)行的載體并實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的控制。 （ 3） 電源模塊：將充電電池的 電壓轉(zhuǎn) 換為穩(wěn)定的 5V 電壓供單片機(jī)、傳感器以及其他模塊使用。 12 3 清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) STC89C52 單片機(jī)介紹 本設(shè)計(jì)采用常用的 STC89C52 作為主控芯片，具備編程簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜的特點(diǎn)，而且在電動(dòng)小車(chē)的領(lǐng)域中使用廣泛。 STC89C52 的主要性能 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的 一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 （ 2）主要特性 1） 8K 字節(jié)程序存儲(chǔ)空間； 2） 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； 3）內(nèi)帶 4K 字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 。即定時(shí)器 T0、 T T2 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 11）通用異步串行口（ UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART 12）工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級(jí)） /0～ 75℃（商業(yè)級(jí)） 13） PDIP 封裝 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖 所示。本系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位 14 和按鍵復(fù)位。按鍵復(fù)位由復(fù)位按鍵產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平到復(fù)位引腳 RST對(duì) MCU復(fù)位。在此基礎(chǔ)上加上一個(gè)開(kāi)關(guān)，就能實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。 為了使運(yùn)行穩(wěn)定，單片機(jī)和電機(jī)的供電系統(tǒng)采用獨(dú)立供電的方法。其電路原理圖如圖 所示。該芯片的主要特點(diǎn)是 :工作電壓高 ， 最高工作電壓可達(dá) 46V； 輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 3A， 15 持續(xù)工作電流為 2A；內(nèi)含兩個(gè) H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端， 使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作