扫地机智能控制系统设计
智能扫地机器人控制系统设计
• 190•引言：随着信息化技术的不断发展，扫地机器人得到了广泛应用，扫地机器人的智能化水平也越来越高，通过将其机械结构进行优化，结合当前成熟的自动化控制技术，实现了机电一体的高度融合，为居家、办公等场所的环境卫生的高效清洁提供了极大方便。
本文通过分析扫地机器人的功能要求，结合较好的运行稳定性及适当的成本要求，提出，利用AT89C51单片机作为本系统的控制核心，采用当前成熟的传感器技术，并辅以无线遥控控制技术，在开发过程中采用仿真模拟、实际电路系统调试的开发路径，为本系统的开发与实现提供了成熟的技术方案与较短的开发周期。
1 系统整体结构本文主要讨论本系统的电路控制的实现过程，其电路整体结构如下图1所示。
由图1示，本系统利用8位单片机作为系统控制中心，辅以液晶显示电路、继电器控制电路、传感器电路、红外接收电路等外部电路，实现智能扫地机器人的障碍自动识别、方向切换等功能。
2 系统硬件组成智能扫地机器人的硬件结构较为复杂，作为控制核心的单片机，其基本工作电路是由5V电源电路进行系统供电，距离检测，超声波传感器的发射脉冲通过单片机的I/O接口输出，但单片机本身输出电流驱动能力不足，因此，本系统提供了驱动放大电路，以提高超声波传感器发射超声波束的能力。
驱动电路如图2所示。
图2 发射波驱动电路此外，系统还提供了JY043W型红外反射式传感器，以实现无线式、非接触式控制扫地机器人，大大提高了人为干涉机器人的智能水平。
红外光电传感器检测电路如图3所示。
图3 红外光电传感器检测电路另外，为了更有效的控制机器人识别障碍物，设计了以RV-163-1C25型微动开关为核心的接触感应电路，通过微动开关与目标物体的接触来识别障碍物。
2.2 继电器控制电路继电器控制电路主要用与控制智能扫地机器人的电机开关与机器人垃圾箱盖的闭合。
因此，需要设计两个继电器控制电路，本系统采用P521作为光耦合原件，将交流继电器与51单片机实现隔离。
《基于STM32的扫地机器人设计与实现》
《基于STM32的扫地机器人设计与实现》一、引言随着科技的不断进步和人们对生活品质要求的提高，扫地机器人已经成为家庭清洁的重要工具。
STM32作为一款性能强大、功能丰富的微控制器，为扫地机器人的设计与实现提供了强大的硬件支持。
本文将详细介绍基于STM32的扫地机器人的设计与实现过程，包括系统架构、硬件设计、软件设计、控制算法以及实验结果等方面的内容。
二、系统架构设计扫地机器人的系统架构主要包括硬件和软件两部分。
硬件部分主要包括STM32微控制器、电机驱动模块、传感器模块等；软件部分则包括操作系统、驱动程序、控制算法等。
系统架构设计要遵循模块化、可扩展、高可靠性的原则，以满足扫地机器人的功能需求和性能要求。
三、硬件设计1. 微控制器：采用STM32F4系列微控制器，具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等特点，为扫地机器人的控制和数据处理提供了强大的支持。
2. 电机驱动模块：采用电机驱动芯片驱动扫地机器人的行走电机和旋转电机，实现机器人的运动控制。
3. 传感器模块：包括红外传感器、超声波传感器、陀螺仪等，用于实现扫地机器人的避障、定位和姿态控制等功能。
四、软件设计1. 操作系统：采用嵌入式实时操作系统，如FreeRTOS，以提高系统的实时性和稳定性。
2. 驱动程序：编写驱动程序实现微控制器与各模块的通信和控制。
3. 控制算法：包括路径规划算法、避障算法、姿态控制算法等，实现扫地机器人的自主导航和智能控制。
五、控制算法实现1. 路径规划算法：采用全局路径规划和局部路径规划相结合的方法，实现扫地机器人的高效清扫。
2. 避障算法：通过红外传感器和超声波传感器检测障碍物，实现机器人的实时避障功能。
3. 姿态控制算法：通过陀螺仪等传感器检测机器人的姿态，实现机器人的稳定控制和自主平衡。
六、实验结果与分析经过实验验证，基于STM32的扫地机器人具有以下优点：1. 高效清扫：通过全局和局部路径规划算法，实现高效清扫，提高清洁效率。
扫地机器人控制系统设计之机械学分析
扫地机器人控制系统设计之机械学分析摘要：本文旨在研究和分析扫地机器人控制系统的机械学分析。
包括介绍扫地机器人控制系统的结构、特征以及功能，并讨论其机械仿真，动力学建模，以及路径规划等方面的特性。
本文进一步研究了控制系统的基本性能指标，包括速度，运动定位精度和运动可靠性等。
在实验分析的基础上，本文提出了被控系统的设计建议，以提高相关性能指标。
关键词：扫地机器人控制系统，机械学分析，动力学建模，路径规划，性能指标正文：1、绪论本文旨在研究和分析扫地机器人控制系统的机械学分析，主要包括控制系统结构、特征和功能介绍，以及机械仿真、动力学建模和路径规划等方面的特性。
2、扫地机器人结构说明扫地机器人的控制系统以及其结构、特征和功能等方面的介绍。
扫地机器人的控制系统由多个部件组成，其中包括：控制器、传感器、驱动器、电机和框架等。
该系统的主要功能包括自动运动控制、自我重新定位、避障导航和遥控等多种功能。
3、机械仿真对控制系统进行机械仿真是很重要的。
主要考虑的因素包括机器人形状、大小、重量、运动学特征以及动力学特性等。
通过机械仿真，能够有效地评估机器人的可靠性和性能，为今后的开发提供重要参考。
4、动力学建模动力学建模是对机器人动力学特性的详细分析。
动力学建模可以用来描述机器人的动态运动，以及由此产生的变形、影响或受力因素等。
具体来说，动力学建模可以用来识别和分析影响机器人运动性能的不同因素，从而为机器人控制器提供输入。
5、路径规划路径规划是指机器人在空间中运动的路径规划，包括机器人的位置、方向和速度等。
路径规划的目的是分析机器人的运动学性能，并利用传感器输入和地图信息，将目标点和已知点连接起来，使机器人能够安全、准确地到达目的地。
6、性能指标进一步综合考虑了上述内容，本文通过实验测试评估了控制系统的基本性能指标，包括速度、运动定位精度和运动可靠性等。
7、结论根据前述内容，本文基于对扫地机器人控制系统机械学分析的研究，提出了被控系统的设计建议，以提高相关性能指标。
扫地机智能控制系统设计
采用2行16个字的DM-162液晶 模块，通过与单片机连接，编 程，完成显示时间及清扫机行
进速度的功能。
3.1 传感器系统
内传感器系统
主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。这类传感器 主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。
外传感器系统
外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感器包括 CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。
移动，扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机， 压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压
控制电机转的圈数就可以控制扫地机移动的距离和 方向、清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。
的目的。
一般有专门的控制卡和控制芯片来进行控制。有了
这些控制卡和芯片，然后把微控制器与其连接起来
就可以用程序来控制电机。
Part Two
采用单片微机控制器
单片微控器
本设计以AT89C51单 片机作为检测和控制核
心。是美国ATMEL公司 生产的低电压，高性能
CMOS 8位单片机。兼容 标准MCS-51指令系统，
片内置通用8位中央处理 器（CPU）和Flash存储 单元。
AT89C51 主要性能参数
1.与MCS-51产品指令系统完全兼容 2.有4K字节可重擦写Flash闪速存储器 3.有1000次的擦写周期 4.全静态操作：0Hz~24MHz 5.有128×8字节的内部RAM 6.有32个可编程I/O 口 7.有2个16位定时/计数器 8.有6个中断源 9.低功率空闲和掉电模式
4.2 驱动系统电路
驱动系统电路
驱动系统电路包括驱动器、光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分。在具体电路中，由于单片 机使用5V弱电，而电机的驱动电压为12V或者更高，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了 光电耦合器TLP521，把控制部分和驱动部分隔离开来。单片机输出端口的电流一般只有20mA左右，不 足以或者不能稳定地驱动光电耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245来增强驱动能力，为光电耦合 器TLP521提供合适的驱动电流。驱动器保护电路由8个高速大电流肖恩特二极管1N5822（图中D1~D8） 组成，用来消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。
上传扫地机智能控制系统设计(27页)
电机fl|FB收糾技术所罚fW柠刺技术，就坫通过 控制f导 体卄左器件的关断，把ft流电报变成电 W脉冲序列并通过 控制电川眯冲宽度或周期以达到变讯 的目的，
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3.3看门狗电路系统
肴门狗电路系统
单JL f mi的单片机累堆VP賴，对复位电ffi的荜本8求 TF
单片析t:屯时能町#S位.在下电Ittt期止序乱t导效 EPfiOM屮的费 据楗格改t另外，单片机廉》在工作时，由于F扰等 种因來的彩 场,有对使出现死机现象导致单片机系铕无法正常I 作,为f克繼 这，现象，除了充分利用单4机本身的•门fi定吋S （有呰攀片 机i肴门ft定I时器＞外.还#外加荇门_电路:除此以外， 有些单g 机系铕还戛求庄抻屯瞬间单片机能格!6®数据保疗下來， 闵神 电的发生拄往是根畴机的，肉而此梵单片机系统霱鍪也镡监控 屯路+在掉电刚发卞时ffift知单片ft+ OF咖讎谲足这咚S 求，
% 3智能扫地机各系统分析
P ［传感器系统
驱动系统
扫地机 咅系统
红外遥酿充
浮动开关电路
看门狗电路
液晶显示电路
红外通控是目前使用最广泛的种 通 信和遥控手段，主要用来來控制 皆 能扫地机的浦扫方式及开机与关 机.
浮动开关记-个安装在轮f内侧的机械 JF 关，轮r h有禅算装賣.1轮子浮起 时，开 关断开门地机停ik前进，实现了 防跌落
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扫地机器人的设计方案
扫地机器人的设计方案设计方案：扫地机器人一、背景介绍随着时间的推移，人们越来越注重生活品质的提高，其中一个重要的方面就是家庭清洁。
传统的清理方法，例如使用扫帚和拖把，需要人工操作，费时费力。
因此，扫地机器人作为一种新兴的家庭电器产品，备受关注。
本文将介绍一个扫地机器人的设计方案。
二、需求分析1.扫地能力：扫地机器人需要具备较强的扫地能力，能够清洁地板、地毯等多种表面。
2.智能导航：扫地机器人应具备智能导航系统，能够通过传感器和摄像头等设备感知环境，避开障碍物，并规划高效的清扫路径。
3.自动充电：扫地机器人应具备自动充电功能，当电池电量低时，能够自主返回充电基站进行充电。
4.安全性：扫地机器人应具备安全性能，能够避免与人和宠物发生碰撞，并避免跌落楼梯等危险情况。
5.静音设计：扫地机器人应具备静音设计，不会给用户带来噪音干扰。
三、设计方案1.扫地机器人结构设计：2.感应与导航系统设计：3.自动充电系统设计：4.安全性设计：扫地机器人的主体应设计成圆形或圆角矩形，以减少与人或家具的碰撞。
同时，机器人应配备传感器和软件算法，能够在靠近障碍物时减速或改变方向，以避免碰撞。
对于跌落危险，扫地机器人应配备可靠的跌落传感器，以检测楼梯边缘，并及时避免跌落。
5.静音设计：四、产品优势1.智能导航：通过感应和导航系统，扫地机器人能够智能辨别环境和障碍物，并规划高效的清扫路径。
2.自动充电：扫地机器人具备自动充电功能，当电量低时，能够自主返回充电基站进行充电。
3.安全性：扫地机器人设计安全性能，通过传感器和软件算法，避免与人和宠物发生碰撞，并避免跌落危险。
4.静音设计：采用低噪音马达和静音材料，使机器人在运行时产生较低的噪音，不会对用户生活造成干扰。
五、结论扫地机器人是一种能够提高生活品质的家庭电器产品，具备智能导航、自动充电、安全性和静音等优势。
以上设计方案提供了一种可行的设计思路，能够满足用户对扫地机器人的主要需求。
面向扫地机器人的路径规划系统设计与实现
2023-10-28contents •引言•扫地机器人路径规划系统概述•扫地机器人路径规划算法设计•扫地机器人路径规划系统实现•扫地机器人路径规划系统优化•结论与展望目录01引言随着科技的发展，家庭服务机器人成为现代家庭中越来越重要的角色。
扫地机器人作为家庭服务机器人的一种，能够自动化地完成家庭地面清洁工作，受到广泛关注。
然而，扫地机器人在清洁过程中需要合理规划清扫路径，以高效地完成清洁任务。
当前，许多扫地机器人存在路径规划不科学、清扫效率不高的问题。
因此，研究面向扫地机器人的路径规划系统具有重要的现实意义。
背景通过设计一个高效、科学的路径规划系统，扫地机器人能够更好地适应复杂环境，提高清洁效率，减少漏扫和重复清扫的情况。
这不仅能够提高家庭清洁的效率和质量，还能够节省时间和人力成本。
此外，对于家庭服务机器人的进一步发展和应用，路径规划系统的研究也具有重要的理论价值。
意义研究背景与意义研究现状与发展现状目前，针对扫地机器人的路径规划研究已经取得了一定的成果。
研究者们提出了多种不同的路径规划方法，如基于几何的路径规划、基于人工势场的路径规划、基于网格的路径规划等。
然而，现有的路径规划方法仍存在一些问题，如无法适应复杂环境、规划效率不高、容易出现局部最优解等。
发展随着人工智能技术的不断发展，深度学习、强化学习等技术在路径规划领域的应用逐渐成为研究热点。
这些方法能够自动学习和优化路径规划策略，具有一定的自适应性和鲁棒性。
未来，结合深度学习和强化学习技术的扫地机器人路径规划方法将成为研究的重要方向。
研究内容本研究旨在设计一个面向扫地机器人的高效、科学的路径规划系统。
具体研究内容包括：1) 分析扫地机器人工作环境和任务需求；2) 设计一个能够适应复杂环境的路径规划算法；3) 实现一个能够实时更新和优化路径规划策略的系统；4) 实验验证所设计系统的有效性和优越性。
研究方法本研究采用理论分析和实验验证相结合的方法进行。
基于单片机的扫地机器人的设计论文
基于单片机的扫地机器人的设计论文摘要：本文详细阐述了基于单片机的扫地机器人的设计过程，包括硬件设计、软件设计以及功能实现。
通过对传感器数据的采集和处理，实现了机器人的自主清扫、避障和路径规划等功能，为智能家居清洁领域提供了一种实用的解决方案。
一、引言随着科技的不断进步和人们生活水平的提高，智能家居产品越来越受到人们的关注。
扫地机器人作为一种能够自动完成清扫任务的智能设备，为人们的生活带来了极大的便利。
本文旨在设计一款基于单片机的扫地机器人，使其能够高效、智能地完成清扫工作。
二、系统总体设计（一）功能需求分析扫地机器人应具备自主清扫、避障、自动充电、路径规划等功能。
能够在不同的环境中准确感知障碍物并及时避开，同时能够覆盖整个清扫区域，提高清扫效率。
（二）系统架构设计系统主要由单片机控制模块、传感器模块、驱动模块、电源模块和清扫模块组成。
单片机作为核心控制单元，负责接收和处理传感器数据，并控制驱动模块实现机器人的运动。
三、硬件设计（一）单片机选型选择了性能稳定、处理能力较强的_____单片机，满足系统对控制精度和响应速度的要求。
（二）传感器模块1、红外传感器用于检测障碍物，安装在机器人的前方和侧面，当检测到障碍物时，向单片机发送信号。
2、碰撞传感器安装在机器人的外壳上，当机器人与障碍物发生碰撞时，触发信号通知单片机。
3、超声波传感器用于测量与障碍物的距离，提高避障的准确性。
（三）驱动模块采用直流电机驱动芯片_____，控制机器人的前进、后退、左转和右转。
（四）电源模块选用可充电锂电池作为电源，通过电源管理芯片为系统各模块提供稳定的电压。
（五）清扫模块包括吸尘装置和滚刷，由电机驱动实现清扫功能。
四、软件设计（一）主程序流程系统初始化后，进入循环检测传感器状态，根据检测结果进行相应的动作控制。
（二）避障算法当红外传感器或超声波传感器检测到障碍物时，根据障碍物的位置和距离，计算出机器人的避让方向和距离。
（三）路径规划算法采用随机路径规划和区域覆盖算法相结合的方式，确保机器人能够全面覆盖清扫区域。
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碰撞检测采用霍尔元件 EW462，芯片的内部原理框图如图3-4所示，芯片的工作方式 如图3-5所示。芯片的供电电压范围为 4.5V~18V，灵敏度高，阻抗低，工作的最大输出 电流为 15mA。当芯片的正上方有S极磁场时，霍尔元件输出高电平，当元件偏离磁场 后，元件输出低电平。通过控制霍尔元件正上方的磁场极性，可以控制元件输出信号 的变化趋势。当极性相反时，元件在偏离磁场时为高电平，正对磁场时为低电平。
Part Two
采用单片微机控制器
单片微控器
本设计以AT89C51单 片机作为检测和控制核
心。是美国ATMEL公司 生产的低电压，高性能
CMOS 8位单片机。兼容 标准MCS-51指令系统，
片内置通用8位中央处理 器（CPU）和Flash存储 单元。
AT89C51 主要性能参数
1.与MCS-51产品指令系统完全兼容 2.有4K字节可重擦写Flash闪速存储器 3.有1000次的擦写周期 4.全静态操作：0Hz~24MHz 5.有128×8字节的内部RAM 6.有32个可编程I/O 口 7.有2个16位定时/计数器 8.有6个中断源 9.低功率空闲和掉电模式
AT89C51 引脚
VCC：电源电压 GND：接地 P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。 P1口：P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。 P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
防跌落功能。
采用2行16个字的DM-162液晶 模块，通过与单片机连接，编 程，完成显示时间及清扫机行
进速度的功能。
3.1 传感器系统
内传感器系统
主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。这类传感器 主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。
外传感器系统
外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感器包括 CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。
AT89C51 引脚
表2.1 端口引脚第二功能表
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD （串行输入口）
P3.1
TXD （串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3,3
（外中断1）
P3.4
T0 （定时/计数器0）
P3.5
T1 （定时/计数器1）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
Part Three
人就是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人。室内智能扫地机器人的路径 规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终 点且经过所有可达点的连续路径。根据建立的扫地机器人平台，提出清扫 机器人随机运动路径规划算法。机器人利用其上安装的红外传感器和摄像 头来识别和感知房间环境，机器人开始以螺旋运动方式覆盖房间的空白区 域，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房 间环境中进行实验验证了该算法的有效性。
本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构 建清扫机器的传感器系统。
3.1.1测速装置模块
测速信号通过在电机的转子上加装带有黑白条纹的圆盘，再利用光电开关得到电机 每转一圈产生若干个脉冲信号，据此可以算出电机的实际转速。这种简易的光电开关 测速法成本低，性能可靠，可以在电机转速不高，精度没有严格要求的情况下使用， 这种测速装置可以构成里程计。根据里程计的返回脉冲数可以计算出电机行走的距离， 并间接得到行走速度。
3 智能扫地机各系统分析
传感器系统
扫地机 各系统
驱动系统
红外遥控系统 浮动开关电路
Hale Waihona Puke 看门狗电路液晶显示电路
红外遥控是目前使用最广泛的一种 通信和遥控手段。主要用来来控制 智能扫地机的清扫方式及开机与关
机。
浮动开关是一个安装在轮子内侧的机械 开关，轮子上有弹簧装置，当轮子浮起 时，开关断开扫地机停止前进，实现了
移动，扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机， 压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压
控制电机转的圈数就可以控制扫地机移动的距离和 方向、清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。
的目的。
一般有专门的控制卡和控制芯片来进行控制。有了
这些控制卡和芯片，然后把微控制器与其连接起来
就可以用程序来控制电机。
源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2、P3口用于传感器的数据 采集与中断控制。这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源, 降低了总体设计的成 本。总系统框图下图所示。
看门狗电路
电 机
PWM调速电路
红外接收电路
液晶显示电路
单
片
继电器控制电路
机
各传感器电路
清扫部 件电机
垃圾箱 盖电机
3.1.2碰撞检测
电源 稳压
霍尔
信号
施密特
输出
元件
处理
触发器
信号
图3-4 EW462 芯片的内部原理框图
3.2 驱动系统
驱动器就是驱动扫地机的动力部件，最常用的就
电机用PWM控制技术所谓 PWM 控制技术，就是通过
是电机。扫地机最主要的控制量就是控制扫地机的 控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变成电
智能扫地机各系统分析
3 智能扫地机各系统分析
该智能系统采用红外传感器、光电传感器、接触传感器完成自动避障。用光 电编码器检测电机的转速。利用PWM技术来动态控制电动机的转动方向和转速。 通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检 测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合最大限度地利用AT89C51单片机的全部资
扫地机的智能控制系统设计
组员
新能源科学与工程
智能扫地机控制系统简介 采用单片微控器 智能扫地机各系统分析 扫地机系统设计
Part One
智能扫地机控制系统简介
智能扫地机控制系统简介
目前，各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生 活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。室内智能扫地机器