智能家居设计智能扫地机器人.docx

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智能家居设计智能扫地机器人

智能家居设计-智能扫地机器人

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摘要

智能扫地机器人是目前科技研究领域的大热门项目，研究的成果是利用效率高的人工智能清扫代替以往效率低下而且时间成本高的手工劳动。

本论文以国内外的路径规划算法为参考，以便捷的使用、低成本、良好的可靠性等为论文的原则，最终设计一款符合市场的需求、实用性强的智能扫地机器人。

智能扫地机器人要具有准确以及及时的回避障碍物的能力这一功能。

在此，本文利用了STM32F407VET6单片机作为控制器，通过C610无刷电机调速器对无刷电机控制，自行设计硬件电路，在数字PID算法的和随机覆盖法的控制策略下完成路径清洁任务。

本论文智能扫地机器人外配4个超声波传感器进行避障测距，从而完成避障系统的设计。

该论文智能扫地机器人结构轻盈，携带方便，能够自主的完成清洁任务，相较于市场上上千元的智能扫地机器人，本论文的智能扫地机器人显得性价比更高。

在人们日常的居家生活中能够起着十分便捷的角色，给人们带来方便。

关键词：

路径规划；机器人；传感器；

Intelligenthomefurnishingdesignintelligentsweepingrobot

Abstract

Intelligentsweepingrobotisahotresearchprojectinthefieldofscienceandtechnology.Theresearchresultistoreplacethelowefficiencyandhightimecostmanuallaborwithhighefficiencyartificialintelligencesweeping.Thispapertakesthepathplanningalgorithmathomeandabroadasareference,andtakesconvenientuse,lowcost,goodreliabilityastheprincipleofthepaper,andfinallydesignsanintelligentsweepingrobotwhichmeetsthemarketdemandandhasstrongpracticability.

Intelligentsweepingrobotshouldhavetheabilityofavoidingobstaclesaccuratelyandtimely.Inthispaper,stm32f407vet6single-chipmicrocomputerisusedasthecontrollertocontroltheBLDCMthroughc610BLDCMgovernor,andthehardwarecircuitisdesignedbyourselves.ThepathcleaningtaskiscompletedunderthecontrolstrategyofdigitalPIDalgorithmandrandomcoveringmethod.Inthispaper,theintelligentsweepingrobotisequippedwithfourultrasonicsensorsforobstacleavoidanceranging,soastocompletethedesignofobstacleavoidancesystem.

Comparedwiththousandsofintelligentsweepingrobotsinthemarket,theintelligentsweepingrobotinthispaperismorecost-effective.Itcanplayaveryconvenientroleinpeople'sdailyhomelifeandbringconveniencetopeople.

Keywords:

Pathplanning;robot;sensor;

1前言...........................................................................1

2.3.3CAN通信的特点.....................................................6

3系统硬件设计6

3.2传感器的介绍.............................................................7

3.2.1超声波传感器的介绍.....................................................7

3.2.2BIM088的介绍..........................................................8

4软件设计8

1前言

近年来，科学技术的高速发展，人们的目光渐渐的移到人工智能方面的研究，也正因为这样，智能机器人的研究也被人们越来越的受重视，其中包括智能扫地机器人也正在逐渐的慢慢步入人们的日常生活中来。

在现在的21世纪初，国内的生活水平不断的提高以及生活节奏不断的加快，智能扫地机机器人原本只是在欧美市场上存在的，但是因为国内需求不断的扩大，开始慢慢的涌入国内，也慢慢地被人们所接受；可以预见，智能扫地机器人将来会像电视机洗衣机等其他普普通通的家用电器一样成为每个家庭的必备家用电器，智能扫地机器人也会朝着更加智能化的发展，甚至会在不久的将来慢慢的代替人工清洁。

在各种场所开始融入智能扫地机器人的现在，市场上对其提出了性价比，使用方便，安全可靠等的新要求，因此本论文设计一款符合理论而已有能迎合市场需要的智能扫地机器人有着重大的意义。

1.1智能扫地机器人在国内外的发展

瑞典伊莱克斯三叶虫专业家电制造商于1997年制造了第一代扫地机器人，他们将单滚刷及无边刷的设计安装在机器的后部，这台第一代扫地机器人具有当它没有电能时可以自动回充的功能，而已还具有防止跌落的功能。

不过它并不是十全十美，它当时的运算速度和反应速度以及机器前行速度都相当的慢，以至于清洁起来的效率什么低下。

第一代的扫地机器人的厚度设计十分不合理，以至于它无法深入很多家具底部进行清洁。

第一代的扫地机器人的价格是十分的高昂，令很多的消费者望而却步，所以第一代扫地机器人的关注热度很低。

2001年诞生于英国黑科技公司Dyson（戴森）的一款名为DC06的扫地机器人，因为其精美的造工，使用了众多价格昂贵的传感器和处理性能优越的计算机，即使这台扫地机器人具有强大的清洁功能和精准的探测功能，自始至终都不能够推向市场面向大众，上市的话大概估计要卖人民币20000元。

虽然第一代的产品的有着很大的不足，但是第一代的产品它也算是一种跨时代的产品，时至今日，第一代的扫地机器热还影响着不少的现在的扫地机器人，而且第一代扫地机器人的部分技术至今而然沿用。

先前只是一家设计天空探测、排爆、战地救援、安保等不同机器人的一家美国科技公司iRobot，这家公司在2002做出了一个大胆的决定，他们决定从军用型机器人设计转型到家用型机器人设计。

于此，它们在2002年设计生产出了第一台自己的扫地机器人Roomba，让人万万没想到的是，当时只是生产了15000台的iRobot通过发布会的成功举办，一下子把10000多台扫地机器人出售出去。

发布会的成本也在暗示着他们市场的强烈的需求，在这一年的圣诞节追加生产了50000台扫地机器人，并且都全部卖了出去，这一系列的成功，开启了扫地机器人的发展爆发的阶段。

2010年．诞生于美国加州硅谷的一家公司Neato的NeatoXV-11，是Neato公司制造的第一台扫地机器人，这台扫地机器人具有识别整个房子结构的功能，而且还能用最短的时间和最短的路劲完成清洁任务。

Neato公司推出的这台扫地机器人可谓具有划时代的代表意义，象征着扫地机器人智能时代真正的开启。

2010年至今，越来越多的公司进入智能扫地机器人市场，它们为智能扫地机器人市场投入了大量的资源，也因此增大了行业间的竞争，大力推动了智能扫地机人的技术创新，到目前为止，国内除了台湾Proscenic外，中国大陆苏州怡凯电器推出的智能扫地机器人也取得良好的成绩。

1.2智能扫地机器人的发展前景与趋势

我们可以想象在不久的将来，我们的每个人的家庭都会拥有像智能扫地机器人这样的普通的家电一样的家庭必要帮手。

智能扫地机器人在未来也会朝着越来越智能化的发展的道路前进，相信在不久的将来可以慢慢的代替人类来完成清洁工作，解放人类的双手。

智能扫地机器人逐渐进入人们的眼睑，在人群中受到广泛的欢迎，但是智能扫地机器人在人们的使用过程中仍然暴露出了许多的问题和缺陷。

例如，会重复清扫同一个地方，扫地机器人高度过高，无法进入桌底清扫，扫地机器人完成清洁任务需要消耗几个小时甚至跟多的时间，扫地机器人消耗完电池都没能完成清洁任务等等问题。

特别是良好的路径规划方案缺少和价格普遍偏高这两个问题更是阻碍了其进一步应用。

在智能扫地机器人步入人们的生活场所的同时，设计一款性价比高、使用便携、可靠性高的智能扫地机器人具有重大的意义。

1.3设计任务

扫地机器人在工作的环境当中无时无刻要面对的是复杂的环境，所以良好的路径规划算法是判断一个扫地机器人的标准。

本论文的扫地机器人主要解决高重复率、时效性低低、覆盖率低的问题，所以在查找国内外文献的时候主要以如何解决重复率、时效性、覆盖率的问题。

分析了现有的智能机器人的各种的路径规划算法，分析了它们的优点和缺点，想到当前市场上的智能扫地机器人存在清扫随机盲目、并没有设计良好的路径规划的现象。

所以打算从扫地机器人工作环境的实际情况为着落点，从扫地机器人的工作环境的总体和局部这两个方面出发，研究出一种有效可靠的路径规划算法，不单单能够对目前已有的路径规划算法取其精华去其糟粕，还能够根据实际的工作环境的信息进行更深层次的优化。

研究一种能够对障碍物及时准确可靠的回避、判断前方物体是障碍物还是墙壁、适应各种障碍物的避障算法。

研究了国内外智能扫地机器人的机械结构构造，参考国内外智能扫地机器人的设计原理和学习相关的设计理论。

本论文要求基于STM32单片机设计智能扫地机器人，配合外接多种传感器接过数据处理和采集信息，设计硬件电路驱动电机以使机器人完成清洁任务。

2系统总体方案

2.1系统避障原理

在智能扫地机器人的实际工作环境中，智能扫地机器人在完成它的清洁任务的过程当中无疑要面对很多的障碍物，这个时候考验一个智能扫地机器人的能力的就看它能否顺利的躲避障碍物，这是衡量机器的一个标准。

但是这里也有一个难题需要处理，怎样判断前方出现的是墙壁还是障碍物呢？

智能扫地机器人在清洁工作的过程中遇到的障碍物的形状并不是都是一样的，所以我们把所有的障碍物统一认为是规则的规矩来处理。

这项处理的功能建立在扫地机器人外部安装的超声波传感器。

扫地机器人身上共安装了三个超声波测距传感器，机身前部，即头部的超声波传感器用来确定停止的位置，左右两侧的超声波传感器用来确定绕线位置。

扫地机器人工作环境可以视为是一个二维的片面图形，它和障碍物之间的距离可以用L来表示。

扫地机器人跟障碍物的转弯值为k。

L>2k按当前速度走，k

在机器人绕开物体避障过程中，根据弧长和角度的关系:

（|h1-h2|=θ*|R-r|）;（2-1）

|R-r|为机器人左右两轮之间的间隔，h1、h2分别为两轮的编码器的值，则θ可求得，

扫地机器人则根据原来的程序继续执行，继续执行先前的清洁任务，也可以用此公式为回位数据。

假设机器人单向行驶完一次需行走的长度为m，当超声波传感器感应到前方有物体时，机器人以及行驶的的距离为n1，超声波传感器传回的数据并且处理得到的距离为n2，如果n1+n2

2.2系统方案设计

本论文智能扫地机器人主控模块采用stm32f407vet6，底盘四个轮子电机采用M2006P36直流无刷减数电机，电调采用C610无刷电机调速器，陀螺仪采用BMI088传感器，避障传感器采用HC-SR04超声波传感器。

利用4个HC-SR04超声波传感器进行环境信息测距采集，利用电调C610无刷电机调速器和陀螺仪BMI088传感器进行编码器和角度环积分进行里程计定位完成路径规划，最后利用PID算法控制底盘电机执行路径随机算法完成清洁任务。

智能扫地机器人系统结构设计如图

图2.1智能扫地机器人系统结构设计图

智能扫地机器人是以扫地为最终目的的机器人，所以从实际的角度来说，也就是用扫地的效果来说，扫地机器人的覆盖率，重复率，时效性这三个标准衡量了扫地机器人的质量。

（1）覆盖率

覆盖率是指机器人完成清扫工作时实际的清扫面积与任务区域总面积的比值，因为本论文使用的随机覆盖法，是规划好清洁路线，在清洁过程中，清洁面积与任务区域面积接近1:

1。

（2）重复率

重复率是指机器人清扫工作完成时重复清扫的面积与任务区域总面积的比值，本论文使用的路径规划避障算法遇到障碍物会绕着障碍物旋转来达到绕开障碍物的效果，因此会造成重复率会偏高的现象。

（3）时效性

要扫地机器人清扫过程中，我们不仅仅要考虑到覆盖率和重复率，还要考虑到时效性。

因为人们在使用扫地机器人的时候，人们是不可能一直在等待扫地机器人完成清洁工作的。

而局部环境诸如障碍物的有无、大小和分布位置的变化都有可能改变，但是本论文算法是事先规划好路径，抗干扰性强，时效性因此也高。

2.3.CAN通信

2.3.1CAN通信的介绍

CAN通信的中文名称叫做控制器局域网络，CAN总线的问世解决了世界汽车行业原先复杂的通信问题。

自从在1986年问世以来，CAN总线通信只需要一条总线就可以将无数个通信设备连接在一起，其便捷、效率的特点，受到人们广泛的欢迎，经过了三十多年的快速发展，CAN总线因为自身的安全性和可靠性已经成为计算机控制系统的计算机局域网的标准总线。

2.3.2CAN通信的原理

总线上的每一个节点在它们发送数据的时候，它们的数据都会以广播的形式发送给总线上所有的节点。

CAN总线分为两条数据线，分别是CAN_High线和CAN_Low线，当总线上没有数据发送的时候，这两条线的电平是一样的，我们称这时候的电平为静电平，静电平大约是2.5V。

我们称静电平的状态为隐性状态，这是因为总线是静止的，没有数据在传播。

当有数据在广播的时候，CAN总线的两条数据线上的电压都会发生改变，CAN_High线会升高约1V，CAN_Low线会降底约1V，这时候就形成电压差2V。

在隐形状态下，CAN总线没有形成电压差，我们检测不到数据，但是在显示状态下，形成了2V的电压差，我们可以利用这种变化传输数据。

后来为了数据的安全方面的考虑，CAN总线在数据的传输方面还加入了仲裁和CRC效验，确保了数据在传输的过程中不会丢包和出错。

2.3.3CAN通信的特点

1、多主控制，在整条CAN总线空闲的时候，任何的单元都能够发送消息，如果当有两个以上的单元要同时发送消息的时候，CAN总线会识别单元的标识符来决定谁发送消息，ID高的先发送消息，ID低的等ID高发送完消息再发送消息，这些就不造成信息错乱。

2、CAN总线通信具有通信速度高达1Mbps（距离小于40M），即通信速度快的特点，还具有通信距离达到10KM的特点。

3、CAN总线一条可以连接总线上所有节点的总线，总线上有多少的节点，在理论上来说，是没有限制的。

在实际情况当中，影响到CAN总线上的节点数量跟时间的延迟和电气负载有关，CAN总线的节点数量多了，时间的延迟就高了，通信的速度就慢了；CAN总线的节点数量少了，时间的延迟就低了，通信的速度就高了。

4、CAN总线具有识别故障和隔离故障的功能。

当总线上发生断线、接收器故障、电机故障等等故障的时候，CAN总线能够区别故障的来源的类型，CAN总线还能够及时的把发生故障的单元从CAN总线上隔离出去，达到不会影响到CAN总线上其他的单元继续工作的效果。

结合以上特点，选择can通信作为本论文智能扫地机器人的电机的通信具有快速、方便、稳定的效果。

3硬件电路设计

3.1主控模块系统

本智能扫地机器人的硬件主控模块系统采用的是ST公司的STM32F407VET6芯片作为处理器，并采用相关外围电路组成主控模块。

图3.1STM32F407VET6芯片引脚图

STM32F407VET6的内核是采用了ARMCortex-M4的STM32的单片机，在工艺上用了NVM工艺，而且是目前为止所有的基于Cortex-M内核的微控制器性能的得分远远都比不上STM32F407VET6。

STM32F407VET6拥有1MB的闪存，拥有以太网和照相机接口，高性能的处理，能够快速的处理大量复杂的数据，而且因为它的尺寸小，成本低，因而在嵌入式领域有着广泛的应用。

3.2传感器的介绍

3.2.1超声波传感器的介绍

我们的耳朵听到的声音的频率是20hz到20khz，那些小于20hz或者那些大于20Khz的振动频率的声音我们的耳朵是听不见的。

所以，超声波就是那些振动频率高于20Khz的声波。

超声波测距的原理是超声波的发射器向前方发射超声波，与此同时，超声波传感器开始同步计时，超声波在空气中传播，超声波遇到障碍物就会反弹然后返回，超声波的接收器回收到超声波就立即停止计时从而算出距离。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2。

因为超声波的传播距离远，而且常常用来测量距离，使用起来又比较方便、迅速和简单，计算简单，减去处理器的负担并且在测量精度能够达到要求，因此本论文的智能扫地机器人选择超声波传感器进行避障测距。

3.2.2BMI088陀螺仪的介绍

由3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计内部组合成的陀螺仪BMI088，单片机通过集成电路总线IIC接口进行数据通信。

BMI088的角速度测量范围高达±2000，具有良好的抗干扰特性。

加速度计的测量范围最大为±16g，静态测量精度高。

磁力计是利用高灵度霍尔型传感器进行信息处理，磁感应强度测量范围为±4800μT，经常用于对偏航角的辅助测量。

BMI088的数字运动处理器是Chinapex公司提供的自带的硬件加速引擎，DMP具有整合九轴传感器数据和融合演算数据的功能。

然后我们可以使用InvenSense公司提供的MPL就可以实现姿态解算，大大的降低了处理器的运算负担也降低了开发的难度。

因为扫地机器人的行为控制上会存在误差，假如你让机器人直走5米，但是它可能会走斜了5米，因为4个轮子跟地面的摩擦力是不完全相同的，会造成机器人越走越歪的情况，这个时候我们就需要通过陀螺仪的角速度来矫正误差，我们将陀螺仪的角速度积分，将陀螺仪得到的相对角度通过PID修正角度最后达到直行的效果。

4软件设计

4.1软件开发环境的介绍

本论文智能扫地机器人的软件代码程序开发平台选择的是KeilμVision5，与汇编语言相比较，C语言在性能，构造或者可读性等方面都具有显著的亮点。

因此易于学习和平常的使用。

Keil提供了完整的开发解决方案，包括C编译器，宏程序集，链接器，库管理和强大的仿真调试器等。

这些部件通过集成的开发环境组合在一起。

通常使用WINXP、WIN2000等系统来使用Keil软件。

4.2PID算法

PID就是指比例，积分，微分控制。

PID控制器因为具有结构简单、稳定可靠的特点，再过去的几十年时间内，广泛的收到人们的欢迎和接受，也成为工业控制技术之一。

PID控制器是将系统的比例、积分、微分分别计算出控制量进行控制达到系统控制效果。

将数字PID作为本论文所设计的智能扫地机器人清洁任务中的工作控制模式，有利于提高智能扫地机器人在遇到障碍物时，能够准确而已快速的规避障碍物；有利于提高智能扫地机器人的陀螺仪的角度环的角速度积分行走，降低走歪的概率；有利于提高智能扫地机器人通过机器人四个轮子的编码器积分累计的里程计的准确性。

标准的直接计算公式：

Pout（t）=Kp*e（t）+ki∑e（t）+Kd*（e（t）-e（t-1））;（4-1）

上一次计算公式：

Pout（t-1）=Kp*e（t-1）+Ki*∑e（t-1）+Kd*（e（t-1）-e（t-2））;（4-2）

两式相减得到增量法计算公式

Pdlt=Kp*（e（t）-e（t-1）+Ki*e（t）+Kd*（e（t）-2*e（t-1）+e（t-2））;（4-3）

三个基本参数kp,ki,kd分别为比例系数、积分系数、以及微分系数。

4.3FreeRTOS的介绍

FreeRTOS是一个迷你的实时操作系统内核。

作为一个轻量级的操作系统，功能包括：

任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能、软件定时器、协程等，可基本满足较小系统的需要。

嵌入式实时操作系统的一个重要的功能就是任务调度机制，因为有了任务调度机制的存在，优先级高的任务就可以在它们任务准备就绪的时候抢占任务优先级低的CPU的使用权，从而使得系统的实时响应能力提高。

本论文程序系统选择FreeRTOS有以下8个理由：

1.硬实时响应，根据系统的需求设置相应的抢占优先级，例如对有时序有严格的要求的任务设置高的抢占优先级，即可提高了系统的实时响应能力。

2.系统性能最大化，有些占用大量的内存和复杂的嵌入式程序，我们就可以利用一个事件RTOS来处理，这样就可以节省了大量的存储空间和节省了大量的时间，还可以获得很多的处理器的时间。

3.降低复杂度，RTOS中的任务都是独立为一个个的，每个任务都可以看作是一个小任务，每个任务只执行自己任务的内容，互不干扰，不依赖调度器。

4.高峰负载管理，RTOS为了让那些峰值负载活动的任务，保证他们在任务执行的期间内能够访问处理器，RIOS有一个很好的办法，那就是在那些更高优先级的任务执行期间，低优先级的任务会被延迟。

5.紧密集成的中间件，因为RTOS是模块化的设计，因此我们往往很容易的就可以添加中间件。

我们通常添加中间件的方法有以任务的方式添加或者是以添加驱动的方式添加。

中间件可以与其他的任务通信也可以被RTOS调度。

6.更大的开发团队，我们可以把一个任务看作是一个项目，而且每个任务互不干扰，将每个任务部署给更多的开发人员，这样有利于整份代码的开发和