【正文】 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，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)器人還必須具備自我保護(hù)的能力。在德國(guó)，由Kaercher 公司生產(chǎn)的RC3000（）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。 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。2012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（）。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。 夏普公司的COCORORO在英國(guó)，著名的家電廠商伊萊克斯（EIectoIux）于2001 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。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。RoboScrub，該機(jī)器人配有激光導(dǎo)航系統(tǒng)，采用超聲波測(cè)距和避障，用光碼條實(shí)現(xiàn)定位。它具有高度自主能力，可以游走于房間各家具縫隙間，靈巧地完成清掃工作。同時(shí)，Roomba會(huì)自主規(guī)劃路線對(duì)家庭地面進(jìn)行清潔。 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、福瑪特、海爾等公司已經(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。 海爾公司的SWRC1 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容本文主要內(nèi)容是清潔機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要完成了控制部分軟硬件的設(shè)計(jì)，其中包括硬件控制電路的設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的軟件程序的編制、調(diào)試。第二章對(duì)清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案比較以及對(duì)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明，包括整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理。2 清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)方案比較論證利用數(shù)字電路知識(shí)用各種邏輯電路搭建出清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)，對(duì)車(chē)速和車(chē)的行進(jìn)方向進(jìn)行控制，再利用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)避障和對(duì)臺(tái)階的檢測(cè)，以及利用邏輯電路控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到并實(shí)現(xiàn)題目要求和發(fā)揮。利用控制芯片作為智能小車(chē)的核心控制系統(tǒng)，例如單片機(jī)、FPGA和DSP等等。因此，采用方案二作為智能小車(chē)的控制系統(tǒng)。 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。方案一：采用先進(jìn)的FPGA編程控制器件。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，F(xiàn)PGA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，F(xiàn)PGA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。方案二：采用DSP編程控制器件。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。方案三：采用單片機(jī)編程控制器件。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。 避障模塊方案設(shè)計(jì)方案一：采用超聲波傳感器。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。方案二：采用激光傳感器。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)。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 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：、傳感器以及其他模塊使用。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、TT2 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)UART12）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)。本系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位和按鍵復(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。 5V穩(wěn)壓電源模塊 L298N驅(qū)動(dòng)芯片的介紹L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H 型全橋式驅(qū)動(dòng)電路。： L298N芯片原理圖 L298N的工作原理。ENA與內(nèi)部編號(hào)為“1”的與門(mén)相連和其下面的與門(mén)相連。信號(hào)輸入端IN1直接與“1”與門(mén)相連與“1”與門(mén)下方的與門(mén)取反后相連。信號(hào)輸入端IN2直接與“2”與門(mén)相連與“2”與門(mén)下方的與門(mén)取反后相連。同理當(dāng)IN1與IN2分別輸入低電平時(shí)OUT1與OUT2分別輸出低電平。只有當(dāng)ININ2其中一個(gè)輸入高電平另一個(gè)輸入低電平信號(hào)時(shí)才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)且ININ2的高低還可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（即IN1=H、IN2=L與IN1=L、IN2=H驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是相反的）。 左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路設(shè)計(jì)，整個(gè)模塊由兩部分組成，分別為L(zhǎng)298N和保護(hù)電路部分。工作過(guò)程是這樣：當(dāng)反電勢(shì)為正，超過(guò)電源+，下端二極管導(dǎo)通，這樣輸出線就被限位在電源電壓+ 上，不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值（對(duì)電源充電）。這兩個(gè)二極管是作為箝位使用，使得輸出線上電壓（或叫電位）~+Vcc+。1N4007主要具有以下特性：(1)較強(qiáng)的正向浪涌承受能力為30A；(2)最大正向平均整流電流為1A；(3)最高的反向耐壓為1000V；(4)較低的反向漏電流，為5uA（最大值）；(5)正向?qū)▔航禐?V。 清潔機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路清潔機(jī)構(gòu)的邊刷電機(jī)和吸塵電機(jī)都是由繼電器驅(qū)動(dòng)的，單片機(jī)的I/O口只需給出一個(gè)控制信號(hào)，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，常開(kāi)端口閉合就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。因?yàn)榍鍜唠姍C(jī)和吸塵電機(jī)并不需要對(duì)速度進(jìn)行控制，同時(shí)也不需要經(jīng)常的停啟。 紅外傳感器 紅外避障傳感器模塊該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍2～30cm。： 紅外傳感器避障模塊電路 紅外臺(tái)階檢測(cè)傳感器紅外臺(tái)階檢測(cè)使用集成的紅外傳感器。使用時(shí)不需要再外接元件，只需要給其提供+5V的電源就可以工作，但有效檢測(cè)距離較近，比較適用于機(jī)器人地盤(pán)用于臺(tái)階的檢測(cè)。 碰撞傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，紅外避障傳感器探測(cè)的范圍存在盲區(qū)，因此在機(jī)器人前端設(shè)計(jì)了一個(gè)約120度的碰撞板。當(dāng)沒(méi)有發(fā)生碰撞時(shí)，輸出為高電平；發(fā)生碰撞時(shí)，輸出信號(hào)為高電平。4 脈沖調(diào)制技術(shù) PWM技術(shù)原理脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種通過(guò)利用一系列脈沖的寬度對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制的技術(shù)，目的是為了等效地獲得所要求的波形，包括頻率和幅值，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼。PWM控制技術(shù)是隨著全控型電子產(chǎn)品的出現(xiàn)和快速發(fā)展，才得到真正的廣泛應(yīng)用，技術(shù)也越來(lái)越成熟。本課題采用的方法是目前使用廣泛的SPWM法，實(shí)現(xiàn)方案多，技術(shù)比較成熟，容易控制模擬信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明窄脈沖在沖量相同，形狀不同時(shí)輸出的波形傅立葉分析，在低頻率基本重合，只在高頻率是有所差異。 不同形狀的窄脈沖當(dāng)它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)。適合用于哪些載波頻率工作在較低頻率場(chǎng)合的系統(tǒng)。常見(jiàn)的具體實(shí)現(xiàn)SPWM的方法是面積法。因此PWM單