智能扫地机器人结构设计及控制方法
随着工业时代4.0的到来，机器人的应用范围逐渐扩大，从工业领域不断扩展到生活领域。二十一世纪也是清洁环保的时代，智能扫地机器人作为最贴近人类生活的机器人，能够帮助人类减轻一定的清洁而进入到千家万户的生活中，大大地为人们的生活提供了便利。本文介绍了智能扫地机器人的结构设计以及控制方法，主要包括了动力轮、万向轮、毛刷的三维图纸，防碰撞、防跌落电路和电源电压检测电路以及扫地机器人的路径规划，采用了AT89S52系列单片机为核心旳控制器件，这款入门级的单片机，具有成本低效率高等特点。
目 录
引言 1
（一） 该设计的背景及意义 1
（二） 主要内容 1
1. 扫地机器人所必须具备的一定功用 1
2. 本次设计的智能扫地机器人的主要性能参数： 1
一、 扫地机器人主要结构设计 2
（一） 机械结构组成 2
（二） 动力轮三维建模 2
（三） 万向轮三维建模 3
（四） 毛刷三维建模 3
二、 扫地机器人的控制电路设计 4
（一） 扫地机器人的工作原理 4
（二）智能扫地机器人所使用的单片机的介绍 4
（三）单片机的工作原理 4
（四）智能扫地机器人的总控制电路设计 7
（五）扫地机器人防跌落的电路的设计 8
（六）扫地机器人防碰撞的电路的设计 9
（七）设计用于检测电源电压的电路 10
三、 扫地机器人的避障路径规划 11
（一） 覆盖率 11
（二） 重复率 11
（三） 时效性 11
（四）面对障碍物的路径规划 11
（五）路径规划的基本流程图 12
四、结论 13
致谢 14
参考文献 15
引言
（一）该设计的背景及意义
扫地机器人是智能家用电器之一，又称自动扫地机、机器人吸尘器；凭借一定的人工智能帮助人类减轻一定的劳动力。一般的扫地机器人是利用扫地刷以及抽真空吸引的方式将地面上面的杂物抽进扫地机器人自带的防止垃圾的收纳盒中。扫地机器人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
最早出现在欧美市场，随着我国总体经济以及国民生活水平的不断提高，逐步进入中国市场。因其简单的操作功能能及便利性，现今已慢慢普及于大众的生活中。
在此次设计中，我们需要实现扫地机器人的清扫路径控制以及它运动的主要构件的设计。主系统采用单片机AT89C52控制，包括红外遥控接收模块、对输入输出器件的操作、对执行电机的控制以及对传感器的响应等。对于运动主要构件，采用轮式结构，包括万向轮、动力轮等，以及清扫的毛刷。解决清扫范围的局限性，以及清扫的力度。
（二）主要内容
智能扫地机器人通过其基于传感器检测以及智能化运动规划算法使其由人来操作的吸尘器成为一个可自主运行的智能化设备。它通过各种传感器，比如碰撞开关、超声传感器、摄像头等，来感知自身的位置和状态。也可以根据某个传感器检验地面的清洁度，甚至根据历史信息来确定已打扫区域。当自身电量低于一定的值时，它会根据插座发出的红外线来行进达到自动充电的效果。当然，防止跌落是在扫地机器人底部安装的红外传感器检测其本身与地面的距离，来改变行进路线，达到打扫效果，完成清洁任务。对于运动构件的设计，万向轮和动力轮选用更加小巧稳定的设计方式，以及毛刷的改进。
1.扫地机器人所必须具备的一定功用：
扫地机器人需要能够自动的完成地面的清扫；
扫地机器人能够自动辨别障碍物并躲避开来；
扫地机器人的感知系统必须非常敏锐，防止碰撞损坏；
当运行一段时间，发现电量不足时，需要自动进行充电；
扫地机器人是家庭用品，不能有太大的噪声，影响人们休息。
2.本次设计的智能扫地机器人的主要性能参数：
.最大工作时间120min
电池容量达到2000mA
运行速度达到10m/min
扫地机器人主要结构设计
（一）机械结构组成
本课题要研究的是结构轻巧，易于操作控制，能够完成自主移动、自动避障以及路径规划任务的智能扫地机器人。这个扫地机器人由机械装置和控制系统组成，包括环保塑料外壳、万向轮、动力轮和毛刷，以及控制系统的电路设计。这里着重介绍扫地机器人的主要结构——动力轮、万向轮及毛刷。通过两个动力轮的驱动，以及万向轮的旋转，使三角毛刷实现运动。
扫地机器人整体外观，如图11所示：
图11扫地机器人
（二）动力轮三维建模
动力轮安装在扫地机器人的底部，相当于是机器的脚。实现机器的前后进退，通过它一前一后的运转，可以绕开障碍物；也可以通过动力轮的抬高和降低伸缩功能，提升越障能力，有效的避开类似低矮的门角线。将动力轮的轮毂在不影响其运动的过程及机身承载下进行了调整，将其变窄1cm不改变原有半径，方便通过复杂地形。
图12动力轮
（三）万向轮三维建模
万向轮也称为活动脚轮，主要由支架、滚轮和轴承构成。它的结构允许水平三百六十度旋转，方便整体扫地机器人的活动，起到调转方向的作用。制造万向轮的材料也很普遍，对于整体机身不是很重的扫地机器人的来说，橡胶轮胎及其他部件磨损不严重，使用寿命长。由于万向轮360度灵活运转，经过长时间的工作后，需要经常检查清理轮毂与轴承之间的缝隙，若有润滑油可以适当涂抹。
图13万向轮
（四）毛刷三维建模
机器人底部的三角毛刷设计，是扫地机器人中的常规设置。由于扫地机器人大多采用圆形的外观设计，清扫过程中在直角区域就会产生盲区，通过塑料三角毛刷的旋转，将直角区域的灰尘或者垃圾向中间集中，以减小盲区带来的不便。
目 录
引言 1
（一） 该设计的背景及意义 1
（二） 主要内容 1
1. 扫地机器人所必须具备的一定功用 1
2. 本次设计的智能扫地机器人的主要性能参数： 1
一、 扫地机器人主要结构设计 2
（一） 机械结构组成 2
（二） 动力轮三维建模 2
（三） 万向轮三维建模 3
（四） 毛刷三维建模 3
二、 扫地机器人的控制电路设计 4
（一） 扫地机器人的工作原理 4
（二）智能扫地机器人所使用的单片机的介绍 4
（三）单片机的工作原理 4
（四）智能扫地机器人的总控制电路设计 7
（五）扫地机器人防跌落的电路的设计 8
（六）扫地机器人防碰撞的电路的设计 9
（七）设计用于检测电源电压的电路 10
三、 扫地机器人的避障路径规划 11
（一） 覆盖率 11
（二） 重复率 11
（三） 时效性 11
（四）面对障碍物的路径规划 11
（五）路径规划的基本流程图 12
四、结论 13
致谢 14
参考文献 15
引言
（一）该设计的背景及意义
扫地机器人是智能家用电器之一，又称自动扫地机、机器人吸尘器；凭借一定的人工智能帮助人类减轻一定的劳动力。一般的扫地机器人是利用扫地刷以及抽真空吸引的方式将地面上面的杂物抽进扫地机器人自带的防止垃圾的收纳盒中。扫地机器人 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
最早出现在欧美市场，随着我国总体经济以及国民生活水平的不断提高，逐步进入中国市场。因其简单的操作功能能及便利性，现今已慢慢普及于大众的生活中。
在此次设计中，我们需要实现扫地机器人的清扫路径控制以及它运动的主要构件的设计。主系统采用单片机AT89C52控制，包括红外遥控接收模块、对输入输出器件的操作、对执行电机的控制以及对传感器的响应等。对于运动主要构件，采用轮式结构，包括万向轮、动力轮等，以及清扫的毛刷。解决清扫范围的局限性，以及清扫的力度。
（二）主要内容
智能扫地机器人通过其基于传感器检测以及智能化运动规划算法使其由人来操作的吸尘器成为一个可自主运行的智能化设备。它通过各种传感器，比如碰撞开关、超声传感器、摄像头等，来感知自身的位置和状态。也可以根据某个传感器检验地面的清洁度，甚至根据历史信息来确定已打扫区域。当自身电量低于一定的值时，它会根据插座发出的红外线来行进达到自动充电的效果。当然，防止跌落是在扫地机器人底部安装的红外传感器检测其本身与地面的距离，来改变行进路线，达到打扫效果，完成清洁任务。对于运动构件的设计，万向轮和动力轮选用更加小巧稳定的设计方式，以及毛刷的改进。
1.扫地机器人所必须具备的一定功用：
扫地机器人需要能够自动的完成地面的清扫；
扫地机器人能够自动辨别障碍物并躲避开来；
扫地机器人的感知系统必须非常敏锐，防止碰撞损坏；
当运行一段时间，发现电量不足时，需要自动进行充电；
扫地机器人是家庭用品，不能有太大的噪声，影响人们休息。
2.本次设计的智能扫地机器人的主要性能参数：
.最大工作时间120min
电池容量达到2000mA
运行速度达到10m/min
扫地机器人主要结构设计
（一）机械结构组成
本课题要研究的是结构轻巧，易于操作控制，能够完成自主移动、自动避障以及路径规划任务的智能扫地机器人。这个扫地机器人由机械装置和控制系统组成，包括环保塑料外壳、万向轮、动力轮和毛刷，以及控制系统的电路设计。这里着重介绍扫地机器人的主要结构——动力轮、万向轮及毛刷。通过两个动力轮的驱动，以及万向轮的旋转，使三角毛刷实现运动。
扫地机器人整体外观，如图11所示：
图11扫地机器人
（二）动力轮三维建模
动力轮安装在扫地机器人的底部，相当于是机器的脚。实现机器的前后进退，通过它一前一后的运转，可以绕开障碍物；也可以通过动力轮的抬高和降低伸缩功能，提升越障能力，有效的避开类似低矮的门角线。将动力轮的轮毂在不影响其运动的过程及机身承载下进行了调整，将其变窄1cm不改变原有半径，方便通过复杂地形。
图12动力轮
（三）万向轮三维建模
万向轮也称为活动脚轮，主要由支架、滚轮和轴承构成。它的结构允许水平三百六十度旋转，方便整体扫地机器人的活动，起到调转方向的作用。制造万向轮的材料也很普遍，对于整体机身不是很重的扫地机器人的来说，橡胶轮胎及其他部件磨损不严重，使用寿命长。由于万向轮360度灵活运转，经过长时间的工作后，需要经常检查清理轮毂与轴承之间的缝隙，若有润滑油可以适当涂抹。
图13万向轮
（四）毛刷三维建模
机器人底部的三角毛刷设计，是扫地机器人中的常规设置。由于扫地机器人大多采用圆形的外观设计，清扫过程中在直角区域就会产生盲区，通过塑料三角毛刷的旋转，将直角区域的灰尘或者垃圾向中间集中，以减小盲区带来的不便。
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