清扫机器人(室内)

分类：论文报告    更新时间：09-02    来源：网络

 一、课题综述及研究意义

近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务型机器人成为了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升，人们希望能由低成本的服务型机器人来替代人工,从而进行长时间高效率地工作；二是人们的生活、工作节奏不断加快，产生了个性的生活价值观，想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清沽、家务、照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善。正是由于这些原因，从而加快了服务型机器人的发展。

服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、 环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务型机器人大多数是移动机器人。

本课题所研究的室内清扫机器人作为服务型机器人的一种，有效地将机械学、人工智能和移动机器人技术等诸多学科集为一体，应用在对室内地面环境的自动清扫方面。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能化室内清扫机器人能够具体地体现出移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，室内清扫机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场所的室内清洁。因此，开发室内清扫机器人既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。

1、室内清扫机器人的国外研究现状：

室内清扫机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，国外的其研究始于20世纪70年代，到目前为止，已经产生了许多概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了服务型机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、 图像和语音识别、 传感器等相关技术的发展。

国际上，目前在美国、日本、韩国、欧洲等地的许多公司如伊莱克斯、松下、三星等世界著名公司都已开发出室内清扫机器人。如美国麻省理工学院人工智能实验室和马萨诸塞州电子机器人公司联合开发的全自动智能清扫机器人Roomba；伊莱克斯公司的三叶虫清扫机器人；德国凯驰公司的RC3000室内清扫机器人等。

2、室内清扫机器人的国内研究现状：

相对于国外，国内对室内清扫机器人方面的研究较晚，始于上世纪80年代。在国内的一些大学如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清扫机器人进行了大量的研究并取得了一定成果。如哈尔滨工业大学与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动的室内清扫机器人VC‐RP30W；浙江大学在浙江大学机械电子研究所进行智能清扫机器人的研究，并且成功设计出国内第一个智能自主式清扫机器人KV8。此外，国内对清扫机器人相关技术的研究也有很多，如机器感知、机器人导航和定位、路径规划、动力驱动等技术，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。 

本课题所设计的室内清扫机器人能够自行完成家庭中所有地面的清洁工作，具有如下特点：

（1) 室内清扫机器人自带电源，体积小巧、操作简单、自主性强。即能够独立完成家庭清洁的任务，并自动返回充电站充电，其扁平的设计使其能够清洁床、沙发、茶几等家具的下部位置。

（2) 室内清扫机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为吸尘机器人的处理对象。

（3) 室内清扫机器人的移动是随机的，启动室内清扫机器人后，便可自动开始工作。超声波传感器会探测出距离最近的墙壁，先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物清扫干净；然后再根据路径规划算法来回于房间的其它位置，并且能在接近障碍物之前迅速转向。即当遇到障碍时，自动改变一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物；此外，还设有防跌落传感器，在遇到楼梯与台阶时，能够自动后退，不会跌落。

（4）当打扫完可以行驶的场所后，室内清扫机器人会自动返回充电站并关闭电源；若在打扫期间电池没电，该清扫机器人会自动返回充电站充电。

 

二、课题拟采取的研究方法和技术路线

研究方法：

先分析室内清扫机器人在室内清扫时是如何避障的,然后将电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、人工智能技术、移动机器人技术和机械学相结合，从硬件方面和软件方面对室内清扫机器人系统进行设计。

技术路线：

硬件方面包括单片机最小系统、电源模块、传感器模块、电机驱动模块、显示模块、输入输出模块和智能充电站模块。

其中，系统以STC89C52单片机作为控制核心，实现运动控制、数据通信、实时数据采集等功能。电源模块是采用5V直流电源作为单片机的供电模块,且采用上电复位的工作方式；传感器模块分为避障模块和红外接收模块两部分，避障模块主要采用市面上最常见的HC-SR04超声波测距传感器，该模块由超声波发射器、超声波接收器与控制电路三部分组成，负责实时采集数据并实现数据并传输到主控系统中；红外接收模块采用JY043W红外传感器，主要功能是接收来自于充电站和遥控器发出的红外信号，而机器人则是根据接收的指令来做出相应的动作；电机驱动模块是由L298N集成电路芯片来驱动的，通过两个直流电机分别带动两个驱动轮前进及后退，再利用两个轮子的速度差实现机器人的前进与转弯。此外，利用两个正转，两个反转实现机器人的原地转弯清扫，从而减少了清扫死角；显示模块主要采用LCD1602液晶显示屏，它为5V电压驱动，带背光，可显示两行，主要负责显示当前的功能、系统出错时的错误信号、当前时间等；输入输出模块则采用普通独立式键盘，其中共有4个功能键：SET、INC、DEC和OK键。

软件方面是用C语言进行编程，主要涉及到传感器节点程序、汇聚节点程序框图设计以及机器人清扫行走路径程序的编写。其中，传感器节点程序包括超声波避障程序的设计和红外收发模块程序的设计；汇聚节点程序又包括键盘读入中断服务程序设计和液晶显示子程序设计。

三、主要参考文献

[1] (美)付京逊等著，杨静宇等译. 机器人学:控制、传感技术、视觉、智能. 北京：中国科学技术出版社,1989.10.

[2] 孟繁华编著. 机器人应用技术. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1989.6.

[3] (美) David Cook著，宫广骅译. 机器人制作入门攻略. 北京:人民邮电出版社,2013.

[4] 李云江主编. 机器人概论. 北京:机械工业出版社,2011. 

[5] (意)布鲁诺·西西利亚诺，(美)欧沙玛·哈提卜编辑，《机器人手册》翻译委员会译. 机器人手册. 北京:机械工业出版社,2013.

[6] 李明编著. 机器人. 上海:上海科学技术出版社,2012.

[7] (美) John Blankenship, Samuel Mishal著 卜迟武，唐庆菊译. 机器人编程设计与实现. 北京:科学出版社,2010.

[8] 蔡自兴编著. 机器人学基础. 北京:机械工业出版社,2009.

[9] (美) Gordon McComb, Myke Predko著，庞明等译. 机器人设计与实现. 北京:科学出版社,2008.

[10] 芮延年主编，顾军等副主编. 机器人技术及其应用. 北京:化学工业出版社,2008.

[11] 刘广瑞主编. 机器人创新制作. 西安:西北工业大学出版社,2007.

[12] 张鑫. 单片机原理及应用（第二版）.北京:电子工业出版社,2010.10.

[13] 马忠梅等编著. 单片机的C语言应用程序设计. 北京:北京航空航天大学出版社,2013.

[14] 于忠得编著. 单片机原理与工程设计实例. 北京:清华大学出版社,2011.

[15] 李升主编. 单片机原理与接口技术. 北京:北京大学出版社,2011.

[16] 陈杰，黄鸿编著. 传感器与检测技术. 北京:高等教育出版社,2010.

[17] 张培仁编著. 传感器原理、检测及应用. 北京:清华大学出版社,2012.

[18] (美)Jon S.Wilson主编，林龙信等译. 传感器技术手册. 北京:人民邮电出版社,2009.02 .

[19] 张晓虎. 低成本家居智能机器人控制系统的研究与设计[学位论文]. 电路与系统，湖南大学，2007（学位年度）. 

[20] 曾林. 家庭清扫机器人嵌入式软件的研究[学位论文]. 计算机科学与技术，哈尔滨工业大学，2007（学位年度）.

[21] 冯虎. 履带式管道清洁机器人嵌入式控制与通信系统的研究[学位论文].控制理论与控制工程，上海交通大学，2006（学位年度）.

[22] 钱思. 清洁机器人系统设计与智能避障问题的研究[学位论文]. 机械电子工程，华中科技大学，2007（学位年度）.

[23] 高学山，徐殿国，王炎，周大威. 全方位地面移动清扫机器人. 机械工程学报，2008年3期：1-3.

[24] 郑文君，李丹. 家居智能清扫机器人系统设计. 中小企业管理与科技，2014年34期：15-20.

[25] 曾林. 家庭清扫机器人嵌入式软件的研究[学位论文]. 计算机科学与技术 哈尔滨工业大学，2007（学位年度）.

 

二、毕业设计（论文）工作实施计划www.eeELW.COM

（一）毕业设计（论文）的理论分析与软硬件要求及其应达到的水平与结果

理论分析设计：

1、系统设计方案的分析论证；

2、电源模块、电机驱动模块、超声波避障模块、红外收发模块、智能充电站模块、人机交互模块的工作原理论证；

3、上位机管理平台的基本功能设计；

4、室内清扫机器人的行走路径规划。

硬件设计要求：确定要选择的器件及其类型，并计算相关参数。绘制出详细的硬件系统结构框图。

软件设计要求：配合硬件设计实现最优化设计，绘制程序流程框图，用C语言编写程序。

 

（二）毕业设计（论文）工作进度与安排

起讫日期 工作内容和要求 备注

3月30日-4月3日 查阅25篇相关文献，修改开题报告

4月6日-4月10日 查阅资料，制定系统初步设计方案

4月13日-4月17日 确定系统总体设计方案，确定单片机、传感器的型号

4月20日-4月24日 修改完善硬件结构设计方案

4月27日-4月30日 完成硬件模块原理图的设计与绘制

5月4日-5月8日 绘制程序流程图，用C语言编写程序

5月11日-5月15日 进行系统调试

5月18日-5月22日 整理材料，撰写论文初稿

5月25日-5月29日 修改论文，准备答辩