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泳池清洁机器人的研究与设计 泳池清洁机器人的研究与设计 摘 要 随着社会经济的发展和人们生活水平的不断提高，公众提出了对文化娱乐设 施的更高要求，游泳作为一项健身运动受到了越来越多人的欢迎。泳池需要定期 清洗，传统的泳池清洗方式不仅要求繁重的体力劳动，更是对水资源的极大浪费， 因而泳池清洗问题逐渐引起了社会的关注。本文的研究对象——泳池清洁机器人 是一种高效的水下清洁设备，本文对泳池清洁机器人的路径规划与运动控制进行 研究，以泳池清洁机器人功能的实现为目标，设计泳池清洁机器人嵌入式系统。 论文主要内容包括以下几个方面： （1）对泳池清洁机器人系统的路径规划进行研究。选择基于栅格地图的环 境地图构建方法和基于航位推算的定位方法，实现同步定位与地图构建的SLAM 问题上采用基于EKF 的SLAM。在泳池清洁机器人的遍历路径规划上，在整体 遍历方式上选择内螺旋清扫策略，在具体路径规划算法上使用基于 A*算法的路 径规划。 （2 ）对泳池清洁机器人系统的运动控制进行研究。给出基于角度和距离测 量数据的机器人位姿推算运动模型，分析驱动机器人运动的无刷直流电机的数学 模型，分析比较不同的PWM 控制方式，设计速度和电流双闭环系统以及PID 算 法对电机进行控制。 （3 ）根据泳池清洁机器人的功能需求，设计泳池清洁机器人系统硬件与软 件。采用STM32F103 作为主控制器，提出系统硬件控制器的整体设计结构，采 用模块化的设计思想，模块化设计各个功能模块，得到完整的硬件电路控制系统。 软件部分提出系统软件整体设计框架，对程序进行分层搭建，对程序由初始化到 各个任务的执行的运行流程进行逐步的探讨与分析，并采用嵌入式实时操作系统， 使系统时效性更高。 （4 ）部署实验样机与设计实验测试。对泳池清洁机器人的结构分清洁子系 统、行走子系统和控制子系统进行具体的设计与布置，以及对密封系统进行设计， 并对所作研究通过系统软件嵌入至系统硬件控制器中进行实验测试，验证实验平 台能够稳定运行。 本文采用自主研发的泳池清洁机器人控制系统，通过所设计的智能路径规划 I 浙江工业大学硕士学位论文 算法，并结合相应传感器技术、运动控制技术等完成对泳池清洁机器人的研究与 设计。 关键词：泳池清洁机器人，路径规划，运动控制，嵌入式系统 II 泳池清洁机器人的研究与设计 RESEARCH AND DESIGN OF SWIMMING POOL CLEANING ROBOT ABSTRACT With the development of social economy and the improvement of peoples living standards, the public has put forward higher requirements for cultural and recreational facilities. As a fitness exercise, swimming has been welcomed by more and more people. The swimming pool needs to be cleaned regularly. However, the traditional swimming pool cleaning method not only requires heavy physical labor, but also results in a great waste of water resources. Therefore, the swimming pool cleaning problem has gradually attracted the attention of the society. The