摘要本文主要闡述了吸塵機械人控制系統的組成、軟硬體設計原理，並對吸塵機械人的路徑規劃進行了研究。
吸塵機械人控制系統採用兩級多cpu分布式控制結構，上位機控制系統主要由at89c51微控制器組成，它負責接收感測器送來的資訊，並根據這些資訊進行路徑規劃。下位機控制系統主要由at89c2051微控制器組成，負責完成感測器資料處理和步進電機驅動的功能。
依據吸塵機械人機械本體和工作效能，文中設計了基於微控制器的控制系統硬體電路，其中包括電機驅動電路、感測器的訊號處理電路、通訊電路等。針對吸塵機械人的控制策略，採用了基於rs一485匯流排和mobdus協議的通訊結構實現多機通訊。
關鍵詞： 吸塵機械人；控制系統；硬體設計
abstract
this ***** introduces the control system of the cleaning robot， including system component and design principle．at last in this ***** the path planning about the cleaning robot is studied．
the control system is composed of two levels．the top—level control system consists of at89c51 mcu，which can receive data sent by sensors， and finish the path the cleaning robot．the bottom—level control system consists of at89c2051 mcu，which can process the data of the sensors and control stepping motors．
according to the machine apparatus and work of the c1 robot，the hardware circuits of the control system with mcu
h**e been designed，which include the drive circuit of stepping motors， the circuit to deal with of the sensors，the communication inte***ce circuit and so on．the structure based on the 485 bus and the protocol is designed to multi—mcu communication．
key words: cleaning robot; ccs; hardware design
目錄一、 緒論 1
(一) 題目的**及**意義 1
(二) 吸塵機械人的**現狀 1
1．吸塵機械人的特點 1
2. 國外吸塵機械人的發展現狀 2
3. 國內吸塵機械人的發展現狀 4
（三） 吸塵機械人的關鍵技術 5
（四） **主要完成工作 6
二、 機械人系統的組成 8
(一) 機械人移動機構方案選擇 8
(二) 步進電機的選擇 9
1. 進電機驅動的特點 9
2．步進電機的主要引數及效能指標 9
3. 步進電機功率的確定 10
（三） 感測器的選擇 11
1. 機械人感測器的選擇依據 11
2. 所選感測器的描述 12
（四） 控制系統總體結構 13
（五） 控制系統匯流排結構 13
三、 控制系統硬體 15
（一） 上位機控制系統 15
（二） 下位機at892051控制系統 18
1. 感測器模組 18
2. 電機驅動模組 19
四. 結論 22
參考文獻 23
致謝25
一緒論(一) 題目的**及**意義
近年來隨著感測器、控制、驅動及材料等領域的技術進步，機械人首次在製造領域以外的服務行業，開闢了機械人應用的新領域。服務機械人的出現主要有三大原因：一是勞動力成本的上公升；第二是人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清潔、家務、照顧病人；第三是人類的老齡化和社會福利制度的完善也為某些服務機械人提供了廣泛的市場。
服務機械人儘管有不同的應用領域，但他們所從事的工作僅限於維護保養、修理、運輸、清洗、保安、救援、及資料採集方面。服務機械人區別於工業機械人的乙個主要特徵就是服務機械人是一種適用於具體的方式、環境及任務過程的機械人系統，其活動空間大，具有在非結構環境下的移動性，因此服務機械人大多數是移動機械人。
吸塵機械人是自動進**間地面清潔的家庭服務機械人，集機械學、電子技術、感測器技術、計算機技術、控制技術、機械人技術、人工智慧等諸多學科為一體。吸塵機械人作為智慧型移動機械人實用化發展的先行者，其研究始於20世紀80年代，到目前為止，已經產生了一些概念樣機和產品。吸塵機械人的發展，帶動了家庭服務機械人行業的發展，也促進了移動機械人技術、影象和語音識別、感測器等相關技術的發展。
許多發達國家都將其作為機械人研究的新領域加以重視。我國很多高校也在進行服務機械人技術的研究，我們所開發的吸塵機械人，可以為進一步研究服務機械人的工作原理和工作過程奠定一定的基礎。並且還可以將其作為《機械人學》、《機械人技術》及《機電一體化系統設計》課程及機械電子工程專業機電結合的綜合教學實驗裝置。
通過實驗，學生不僅可以在輕鬆愉快的氛圍中充分理解相關課程的專業知識，而且會很自然的從機械人的整體、從系統工程的角度參與實驗，增加對專業知識學習的興趣，拓寬知識面，尋找知識交叉點，培養其獨立開展科學**的能力。
(二) 吸塵機械人的**現狀
1．吸塵機械人的特點
塵機械人具有如下的特點：(1) 吸塵機械人自帶電源，小巧輕便、操作簡單、自主性強、具有很強的實用性。(2) 吸塵機械人的工作環境主要為普通家庭環境，也可以用於機場候機大廳、展覽館、圖書館等公共場所。
環境的共同特徵為有限的封閉空間、平整的地板以及走動的人員，因此可以歸結為複雜多變、結構化的動態環境。所以環境適應性是對此類機械人的基本要求。(3) 吸塵機械人的任務是清掃地面，工作的物件是地面的灰塵、紙屑以及其他一些小尺寸物體，而大尺寸物體不作為吸塵機械人的處理物件。
考慮到安全因素，吸塵機械人必須對人及家庭物品等不構成任何危害，同時吸塵機械人還必須具備自我保護的能力。
2. 國外吸塵機械人的發展現狀
目前在美國、日本、南韓、歐洲等發達國家，如伊萊克斯、日立、松下、三星等世界著名公司都已開發出智慧型吸塵機械人。
如圖1．1所示，這款名為「三葉蟲」的吸塵機械人是瑞典家電公司伊萊克斯經歷12年之後推出的世界第一台具有完全自主能力的吸塵機械人。「三葉蟲」啟動後，先沿著牆壁把地面四周的灰塵及異物吸盡，同時對房間進行學習，計算出清掃整個房間的時間；清掃時，主要採用隨機規劃模式，使用超聲波感測器進行障礙物的檢測，探測到障礙物時自動避開並重新選擇路線進行清掃。當電量不足時，「三葉蟲」會自動回到充電座自行充電。
如果此時房間還沒有清掃完畢，「三葉蟲」還有記憶功能，充好電後自己回到原處繼續清掃。使用者可以採用磁條來限制「三葉蟲」的行動範圍，保護機械人不會進入危險區域，比如火爐、樓等區域。
圖1．1三葉蟲吸塵機械人
圖1．2 roonba吸塵機械人
圖1．2所示的「roonba」是由robot公司開發完成的家用機械人。「roonba」提供三種清掃模式：s模式，清掃約3～4平方公尺，工作20分鐘；m模式，清掃約6-7平方公尺，工作30分鐘；l模式，清掃約8平方公尺以上，工作40分鐘。
設定清掃模式以後，「roonba」以螺旋狀路線運轉，以碰撞方式進行障礙物檢測。一旦碰到障礙物，「roonba」就沿著障礙物前進，經過一定距離以後「roonba」會轉動90。並重複上述過程。
如此交替重複，直到清掃結束並自動停止。採用「虛擬牆」發射紅外線來產生乙個虛擬的牆壁，可以限制機械人的活動範圍。「roonba」具有高度環境適應性，可以遊走於家具縫隙間，動作靈巧快捷。
在除塵結構的設計上，「roonba」獨具特色，除了真空吸口外，底部的旋轉滾刷以及側面的旋轉毛刷，都可以增強吸塵能力，彌補吸塵功率的不足。此外，它還具有汙物探測功能，可根據房間地面的具體情況進行有重點的清掃。
圖1．3為日本日立公司2023年5月展示的一款可自動為房屋進行真空吸塵的機械人，產品的預定售價約合人民幣1．35萬元左右。它的機身尺寸為直徑25cm×高度13cm，重4kg為世界最小的吸塵機械人。行走速度最快為40cm／s。
打掃面積為10平方公尺的房問約需10分鐘(障礙物設想為3個)，可用遙控器或機身按鈕進行操作。吸塵機械人機身上安裝了ccd相機，這樣就能夠利用手機通過家用電腦瀏覽吸塵情況。吸塵機械人打掃完畢後，會自動進入「充電兼垃圾**站」，在這裡進行充電，以及傾倒收集的垃圾。
吸塵機械人機身下部設計了乙個最大可自動伸出5cm左右的「可動吸塵口」，機械人走到房間的角落後．可動吸塵口就能夠自動伸出，把角落打掃得千乾淨淨，不留死角。
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