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扫地机器人的设计与实现 内容摘要： 随着人类发展和社会进步，智能化在现实生活中的应用越来越广泛。本文阐述了扫地机器人在无人操控的情况下完成清扫具有桌子﹑椅子﹑饮水机和茶几的室内地面的任务。本设计由控制、感知、移动、清洁清洁1.概述 1.1设计目的和设计要求 1.2设计构思 2.设计原理及方案 2.1模块设计 2.2工作流程 2.3路径规划研究 2.4路径的实现——内螺旋算法 3.实验及其结果 4.总结与心得体会 参考文献 扫地机器人的设计与实现 1.概述 1.1设计目的和设计要求 随着人类文明的不断发展，科技已经深入到了我们生活的方方面面。在当今社会，人们的工作与学习愈加繁忙，机械自动化便顺理成章地成为了社会发展的趋势，这样可以极大地提高工作效率。机器人若要实现智能化就必须要能独立感知外界环境并作出及时的判断与处理，随后触发指令并完成相应的动作。本次设计的要求是小车能够在指定区域内不留遗漏地打扫干净地面。 1.2设计构思 2.设计原理及方案 2.1模块设计 扫地机器人由各功能模块构成，各功能模块相互协调，共同作用，保证机器人的顺利工作。扫地机器人的中心是控制模块，使用了AT89C51单片机，它对其他各功能模块进行控制。移动模块负责行走，由驱动电机，驱动轮和万向轮组成，因房间地面平滑，故采用轮式结构。感知模块负责采集周围环境的各种信息。感知模块由传感器构成，传感器的选择取决于机器人的工作需要，机器人对传感器的一般要求是:精度高，可重复使用，稳定性好，不受外界干扰干扰，质量和体积小。综合这几点，同时考虑到机器人对避障和清扫任务的要求，感知模块决定采用超声波传感器、红外线传感器。清洁模块由起尘刷、挡尘盖、清扫电机、清扫刷、集尘室和吸尘风机组成，由于客观条件的限制，没有安装洒水装置和擦地装置。图一和图二为机械结构图。 2.2工作流程 ①首先启动机器人，令其开始进行工作。 ②机器人开始工作后便控制吸尘装置进行吸尘，清扫装置开始扫地。 ③机器人一旦开始工作，感知模块就开始不停地搜集周围的信息，送入控制模块进行分析处理从而决定机器人的行走路径。 ④当路径规划需要机器人实现转向的时候，控制模块便改变两轮的速度，通过速度差来实现转向。 该扫地机器人利用安装的传感器获得房间内部的基本信息，例如障碍物的位置，墙壁的位置，然后根据获得的信息，采取相应的措施，通过以单片机为核心的控制模块进行障碍物的判断、避障方式选择和前进的实施。 2.3路径规划研究 所谓机器人路径规划技术，就是机器人根据自身的传感器对环境的感知，按照某种优化指标，在起点和终点之间规划出一条与障碍物无碰撞的路径。 路径规划可分为两类，一种是传统的从起点到终点的路径规划，它的目标是找到一种两点间的最优路径，其中包括路程最短，耗时最少，耗能节约等方面，并且使机器人能正常运行并避开障碍物；另一种是完全遍历路径规划，这是一种在平面工作范围中特殊的路径规划，指在满足某种前提下，找到一条在设定区域内从起点到终点且经过所有可达到点的连续路径。 对于扫地机器人来说，由于它要将整个房间清扫干净， 这就要求它要走遍房间的每一个角落， 所以这与一般的移 动机器人路径规划不同，它要按照一定的轨迹来运动，同时 具有运动的遍历性和不重复性。遍历性指的是机器人要尽 可能地走遍所有需要清扫的区域。它反映了机器人的实效性。不重复性指的是机器人的行走路线应尽量避免重复。它 反映了机器人的工作效率的高低。同时我们希望路径是连 续的、不间断的;机器人能避开所有障碍;清洁机器人行 走的总距离和时间最小，以达到最小的能量消耗。 在本设计中，我采用的是完全遍历路径规划，机器人不必去探测垃圾的具体位置，只需走遍房间的每个角落即可，发现有垃圾便清洁即可。 2.4路径的实现——内螺旋算法 内螺旋算法是让机器人沿墙壁移动， 进行内螺旋式“回”字型路径规划，内收缩式的清扫，如图三。图中箭头表示前进方向，直线表示行进路线。在清扫过程中遇到障碍物时，清洁机器人的正常轨迹就会中断，进入绕障碍的程序，绕障结束后回归原来的轨迹。同时清洁的轨迹需要依据一定的规则来限定。本路径规划易于实现较大的覆盖率。这种方法简单，满足了遍历性和不重复性的要求。 在整个行进过程中，机器人是从外向内运动的。机器人的初始位置是靠墙的。自起点开始，沿顺时针方向，每转一周与墙边距离增加 图三 内 螺 旋 算 法 示 意 图