单片机驱动的智能清洁机器人:避障与吸尘技术

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"基于单片机的智能清洁机器人的设计" 智能清洁机器人是现代科技发展的重要产物,它结合了人工智能、传感器技术、控制理论等多种技术,旨在实现自动化清洁任务,减轻人类劳动负担。本文将深入探讨一种基于STC89C52单片机的智能清洁机器人的设计,该设计具有循迹、避障和清洁功能。 STC89C52单片机是整个系统的核心,它是一种低功耗、高性能的8位微控制器,拥有8KB的闪存和256B的RAM,能够处理和执行各种控制指令。通过编程,可以实现对清洁机器人的精确控制,使其能够在预定环境中自主运行,无需人工干预。 避障功能是智能清洁机器人的重要特性之一,本设计利用RPR220反射型光电传感器收集前方路况信息。这些传感器能检测到障碍物并返回信号给单片机,单片机根据接收到的信息调整电机的转向和速度,使机器人能够避开障碍物,确保其行进路径的安全和稳定性。 清洁机器人系统主要包括四个模块:主控单元、传感模块、移动模块和清洁模块。主控单元由STC89C52芯片构成,负责接收和处理来自传感器的信息,并发出控制指令。传感模块采用红外传感技术,如RPR220传感器,用于探测周围环境。移动模块通常采用轮式结构,使得机器人能灵活移动;在本设计中,机器人通过轮式驱动实现自由移动。清洁模块则通过外部吸尘硬件实现清洁功能,通过电动马达产生的吸力吸取地面的灰尘和杂物。 此外,超声波传感器、红外传感器和碰撞传感器等其他类型的传感器也可用于增强机器人的感知能力,提供更丰富的环境信息。这些传感器技术的快速发展,以及循迹避障技术、控制技术、电源技术的进步,共同推动了清洁机器人性能的提升,使得机器人能够更加智能地完成复杂的清洁任务。 本文介绍的智能清洁机器人展示了在无人操控情况下自主工作的能力,这大大提升了产品的智能化水平。随着相关技术的不断进步,未来的智能清洁机器人将更加智能化,具备更多的人工智能特性,如自主学习、决策制定等,有望在家庭、商业场所等领域得到更广泛的应用。
2023-02-27 上传
第一章 概述 1.1 智能扫地机器人的研究背景 2002年,家电公司伊莱克斯推出的三叶虫智能扫地机器人,颠覆了人们对扫地的概念。三叶虫扫地机器人作为世界第一款量产的智能扫地机器人,外形采用圆饼形设计,塑料外壳。在单片机的控制下,底部的车轮能够进行转动,从而控制扫地机器人的主要运动。采用了仿生技术,按照蝙蝠的超声波技术,使得扫地机器人能够迅速的察觉障碍并且绕开。从2003年开始,iRobot公司和Proscenic公司推出了一系列的产品,主要技术集中在真空吸尘以及碰撞式运动。2004年重庆大学智能科学技术研究所与宁波波郎电器有限公司合作开发的室内清洁机器人,能够沿墙壁行走清扫地面。2007年至今,越来越多的公司推出了一系列的产品,功能也随之越来越丰富。国产智能扫地机器人方面,有苏州怡凯电器的科沃斯、益节等公司生产的机器人功能丰富,包括非接触式、超声波式、红外线技术、无线遥控等技术。国产品牌的扫地机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT85G等比较受欢迎。小米公司生产的米家扫地机器人具有地图生成、路径规划、自动回充、断点续扫等先进技术。 目前扫地机器人有几大关键技术支撑,扫地机器人完成扫地任务分为几个步骤,即定位、构图、规划、清扫。现在的扫地机器人不仅能够适应复杂的家庭环境,在清洁效果上也是有巨大的提高。首先是传感器技术,扫地机器人能够在自身传感器的测控下,进行距离的前进以及移动由此可以独自完成清扫任务;室内定位功能,主流的定位系统则是RPS激光定位系统,能够实时定位变化坐标;路径规划技术,扫地机器人根据环境的变化信息,按照自身优化算法,进行合理的路径规划引导;吸尘技术则是通过机械装置进行真空吸尘,形成巨大气流旋涡,进行除尘动作。 1.2 研究的目的与意义 基于单片机的智能扫地机器人全文共16页,当前为第1页。智能扫地机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地结合起来,实现室内环境的全自动清洁,能够代替传统的繁重的人工清洁工作,近几年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用,从技术方面讲,智能扫地机器人比较具体地体现了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,智能扫地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馆的室内清洁。因此,开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以及机器人领域的关键技术,本课题旨在开发一部价格便宜,全区域盖, 能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式,使家庭生活电气化、智能化、使科技更好地为人类服务。 基于单片机的智能扫地机器人全文共16页,当前为第1页。 1.3 研究的内容 1.3.1 功能 (1)全自动清扫 (2)防撞、防摔 (3)自动充电 1.3.2 性能指标 (1)输入电流:1A (2)输入电压:13-15V (3)运行速度:12m/min (4)最长工作时间:25min 第二章 电路设计 2.1 电源电路 本电源采用两块LM7805作为稳压电源,一块为控制电路和传感器电路供电,另一块单独为电机供电。分开供电这样做的好处,有利于减小干扰,提高系统稳定性。 LM7805是常用的三端稳压器件,顾名思义05就是输出电压为5v,还可以微调,7805输出波纹很小。使用方便,用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源。它的输出电压恰好为5v,刚好是51系列单片机运行所需的电压,他有很多的系列如ka7805,ads7805,cw7805等,性能有微小的差别,用的最多的还是LM7805。外形如图2-1所示。1管 脚为输入端,2管脚为地,3管脚为输出. 图2-1 外形图及引脚排列 基于单片机的智能扫地机器人全文共16页,当前为第2页。2.1.1 电路原理 基于单片机的智能扫地机器人全文共16页,当前为第2页。 由于后级电路需要1A左右的大电流用于驱动各类电机,查找后发现E13003完全满足这要求集电极最大允许电流ICM可以到达1.5A。由于13003开关管需要较大的驱动电流,因此增加了一个Q1三极管与其构成达林顿驱动管,Q3为控制管,当DY引脚为低电平同时总开关K1闭合时电源部分才能正常供电。DY为高电平时电机供电部分停止工作。 U4单独为两个减速电机和边刷提供5V电源,由于需要输出较大的电流,输入压降又比较大,因此在输入端加了一个分压电阻,降低U4上的电压,从而降低管耗。 U5为MCU和传感器电路提供稳定的5V工作电压。在正常开机后连续保持输出。电源电路如图2-2所示。 图2-2 电源电路 2.2 总控制电路 2.2.1 STC89C52单片机简介 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编