毕业设计调研报告全自动吸尘器核心控制电路设计.doc

毕业论文（调研报告） 题 目_全自动吸尘器核心控制电路设计 目 录摘要1前言2第一章智能吸尘器的历史3第二章智能机器人的研究现状42.1国外现状42.1.1日本产吸尘器42.1.2澳大利亚的V4吸尘机器人42.1.3瑞士三叶虫吸尘器52.1.4美国伦巴(Roomba)吸尘器52.1.5 LG电子“Roboking”62.2国内现状6第三章吸尘器的未来8结论9参考文献11摘要本文对智能吸尘器的过去、现状和未来作了比较详细的讨论，介绍了智能吸尘器的发展历史、智能吸尘器的发展、以及智能吸尘器的未来展望。首先介绍了智能吸尘器的诞生历史背景，随着现代化生活的快节奏发展，人们越来越期望能把自己从繁杂的家务劳动中解脱出来，以便有更多的时间和精力节省出来做其他工作。其次介绍了国内外的著名的智能吸尘器品牌及其功能特性。最后是对智能吸尘器的未来的展望。从目前国内外研究现状来看，现在的智能吸尘器产品虽然有些已相当不错，但离令人“完全满意”还有些距离，还有很多工作可以做。关键词：智能吸尘器、三叶虫、Roboking、DSP控制器。前言近年来,随着中国工业的快速发展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着社会的进步和发展,人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来。由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁,因此具有广阔的市场前景。本文针对清洁机器人,就国内外研究现状及其关键技术进行了介绍,并对吸尘机器人近期发展中的若干问题进行了探讨。自主吸尘机器人是自动进行房间地面清洁的家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究开始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。随着现代化生活的快节奏发展，人们越来越期望能把自己从繁杂的家务劳动中解脱出来，以便有更多的时间和精力节省出来做其他工作。智能吸尘器便在这种背景下应运而生。智能吸尘器能将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合来，实现家庭、宾馆及写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁，因此具有广泛的市场前景，近年来已受到国内外的普遍重视，成为服务机器人的一个新的研究方向。由于智能吸尘器融合了移动机器人技术和吸尘器技术两大领域，这种技术背景和应用特点决定了其基本结构为：控制部分、驱动部分、传感部分、吸尘部分和电源部分等。第一章智能吸尘器的历史随着科学技术的进步，家用电器也正朝智能化方向发展。吸尘器的发展已经历了两代，它们分别是传统的大量使用的有缆式手动推动地刷吸尘器和无缆式以高能电池为动力的吸尘器，如日本的松下(National)可充电式吸尘器。该吸尘器以镍氢电池为动力，并用直流无刷电机取代交流串激吸尘电机，因整机体积小、重量轻、安全可靠而特别适合老人与小孩操作，上市一年来，受到用户好评(该机在日本获设计金奖)。但它仍然需要人工推动地刷来吸尘，如何设计一个自动吸尘器，一直是人们追求的目标。近年来,随着中国工业的快速发展,吸尘器的产销量也大幅增加,在我国市场具有旺盛的生命力。随着社会的进步和发展,人们的物质和精神生活质量的提高,迫切需要从繁重的清洁工作中解脱出来。由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人,它将移动机器人技术和吸尘技术有机地融合起来,实现家庭、宾馆、写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁,因此具有广阔的市场前景。依莱克斯公司花了十几年时间于2000年研制出全自动吸尘器。并在各种国际博览会上亮相。澳大利亚的Floor Botics公司于200109也研制出了智能吸尘机器人，并在日本东京展会上展出。2002年我国海尔、日本和英国也推出此类机器人产品。第二章智能机器人的研究现状2.1国外现状目前在欧美日等发达国家,吸尘机器人开发较早,应用范围也较广,近两年来,已经开发出多种面向市场的智能吸尘机器人。2.1.1日本产吸尘器日本某公司在2002年上半年推出了家庭用吸尘器机器人的试制机1。该机器人可以根据房间的形状、地板状况、垃圾量进行自动清扫,工作时,首先会沿房间四周走一圈记忆房间形状,然后,在避开障碍物的同时以纵、横向方式来回移动进行清洁,清洁工作完成后会自动停止。该吸尘器机器人配备有50个传感器,可一边自动行走一边进行清扫。它利用光及超声波的测距传感器、感压传感器来避开障碍物;内置有回转传感器,用来控制行走姿势以保持既定的行进方向;安装了方向舵传感器,可以检测出由于地毯花纹影响而产生的行进方向偏差,因此即使在铺有地毯的地板上也能够直线前进。此外,该机器人体内还安装有防止从台阶等高处滚下的落差传感器、感知暖炉等热源的热传感器、检测自身所受外力大小确定的重量传感器及防滑传感器、检测添加动力的负载传感器。它可以同普通的障碍物最少保持10 cm的距离,而在探测到热源时,将会同热源至少保持50 cm的距离。其外形大小为宽292mm×长367mm×高265mm,重9.8 kg,最大移动速度为30 cm/s。当传感器探测到地板上的垃圾时,会将吸力提高到平时的15倍,同时将移动速度下降为15 cm/s,仔细地进行清扫。在没有垃圾的地方会以30 cm/s的速度移动,吸力也会降低,一次充电可工作55 min,清扫80 m2的房间,吸尘功率为90 W。2.1.2澳大利亚的V4吸尘机器人澳大利亚某公司也研制出可自动行驶并打扫房间的V4型机器人2,这种全自动吸尘器表面光滑,体积很小,呈圆形,内置搜索雷达,可以搜索各种房间里的每一处,不会碰撞家俱或其它障碍物。微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向、选择前进路线的能力。只要将全自动吸尘器放在地面上,它便可自动开始工作。其搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽;然后再不规则地来回移动于房间的其它位置,并且能在接近障碍物之前迅速转向。该吸尘机器人由于在主机的周围360°配备了障碍物传感器,因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面;当打扫完可以行驶的场所后,机器人就自动关闭电源。不管房间的外形及面积的大小、ARNA导航算法引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作,因为机器人导航沿房间的周围,所以它要创建自己的空间参考图,机器人不需要任何编程“教它应该去哪里”。该机器人操作简单,仅有3个按钮:开始、结束以及暂停,人们只要简单地将它放置在需要清扫的区域或房间中(这种全自动吸尘器机器人很轻,一只手就可以容易拿起它),按下开始按钮即可。2.1.3瑞士三叶虫吸尘器小“三叶虫1”是瑞士研制生产的全自动吸尘器。小“三叶虫”高13 cm,直径35 cm,表面光滑,呈圆形,内置搜索雷达,可以迅速地探测到并避开桌腿、玻璃器皿、宠物或任何其它障碍物。一旦微处理小电脑识别出这些障碍物,它可重新选择路线,并对整个房间做出重新判断与计算,以保证房间的各个角落都被清扫。在楼梯的台阶等一些没有天然障碍物的地方,只要有一条磁铁,小“三叶虫”便不会跨越。小“三叶虫”开始启动后,体内的搜索雷达会探测出距离最近的墙壁,先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽,这样它便能探测出整个房间的格局,计算出清扫整个房间所需的时间。只要一接近障碍物,它便会重新设定行进路线,不会漏掉每一个角落。小“三叶虫”的吸刷装置中装有一只专利设计滑轮,可以越过电线或地毯边缘,不被绊住。电源不足时,小“三叶虫”会自动回到充电卡座自行充电。如果此时房间还没有清扫完毕,小“三叶虫”具有记忆功能,充好电后自己回到原处继续吸尘。2.1.4美国伦巴(Roomba)吸尘器由美国某学院人工智能实验室开发的智慧型自动吸尘器,运用人工智能运转与导航侦测技术,聪明地打扫每一寸地板,搭配独有的真空吸孔与旋转刷,清洁效果特别好。被美国TIME评选为2002年最酷的发明之一。只要按下开关,Roomba就会全自动在指定区域吸尘打扫,碰到障碍物会自动转向,遇到楼梯也会自动侦测不会掉下去,特殊的真空吸孔、旋转刷与旋转边刷设计,无论是地毯或地板,清洁都很方便。高度仅有10 cm,直径34 cm的Roomba可以轻松钻进床底或沙发底下进行打扫。Roomba的运转模式是以数学运算理念设计运行路线。当Roomba启动之后,会循螺旋状路线运转,以渐渐扩大的螺旋形运转方式来涵盖空间,一旦碰触到墙壁或家俱等大型障碍物时,其特殊的障碍物感应调节器会抵住墙面保护机身不受损伤,Roomba就会沿着墙壁或家俱前进,这时体侧边的毛刷就会将墙角或是家俱边缘的脏污灰尘碎屑扫入吸尘器内。沿着墙壁或家俱清扫过一部分空间之后,Roomba会转个90°方向并依以上的路线清扫房间的另一头,如此交叉重复、螺旋运转的路线可以来来回回吸遍房间,清扫完毕即自动停止。这个仅重2.5 kg,采用充电方式的吸尘器方便实用,售价仅为200美元,在欧美已经上市。2.1.5 LG电子“Roboking”虽然现代家庭中的大部分家务劳动己由机械完成，但清扫房间的家务活中仍然存在着许多需要花费时间和人力的部分。LG电子从若干年前开始研制并已推出了机器人吸尘器。ROBOKING是“Robot”和“King”的合成词，体现了LG电子欲成为机器人家用电器领域最强者的意志。ROBOKING的电源可通过遥控器控制，最大限度地提高了使用的方便性，并配置了外出后可定时进行清扫的预约清扫功能、防止坠落的冲撞和坠落预防功能和无噪声进行清扫的静噪清扫功能，与以往吸尘器相比拥有高一个档次的多种先进功能。这个小小的机器人吸尘器内含有100多项LG电子的专利技术。另外，LG电子计划推出第二代机器人吸尘器。该产品可与家庭网络连接，可利用手机、PDA等移动设备和电脑进行远程控制，用户外出时还可以把吸尘器作为监视器监视房内的情况，发挥保安作用。ROBOKING的主要功能:ROBOKING的正面和侧面共安装了14个(上端5个、下端9个)超声波传感器，利用这些传感器，可以识别障碍物，避免冲撞。如果传感器未能检测到突然出现的障碍物而存在发生冲撞的可能时，安装在吸尘器正面的缓冲传感器就会启动，避开障碍物。2.2国内现状国内目前也已开始有关的研究开发工作,特别是在移动机器人的运动规划与控制方面取得了一定的成就56,为研究开发吸尘机器人奠定了技术基础。某大学开发研制了全方位移动地面清扫机器人3,该机器人的控制系统能够准确解读遥控信号,并对机体下达工作指令,随时接收“眼睛”(即红外光电开关和超声传感器)感知的四个方向的外部障碍信息,并据此要求机器人做直线或转向运动,行进中,它不停转动地板刷,把地面上的灰尘全部填进肚”内,这种机器人一次充电可持续工作半小时,具有智能电源管理功能,延长了运行时间,平均每分钟行走速度为15 m。此外,该吸尘机器人采用开放式机器人控制结构,实现硬件可扩展、软件可移植、可集成,使得机器人作为服务载体具有更好的功能适应性。同时,其它院校对移动吸尘机器人也作了大量研究工作,取得了不少的成果4。从智能吸尘器目前的国内外研究现状来看，虽然取得了相当不错的成绩，但仍然有很多工作需要继续钻研。从智能吸尘器的技术背景和应用方向可以看出智能吸尘器的研究意义和价值。智能吸尘器是一个综合应用系统，揉和了计算机技术、自动控制、传感技术和机电技术等多学科知识，是目前家电领域最具挑战性的热门研究课题，但难度极大。作为一种令人满意的智能吸尘机器人它应当具有能自动并彻底清洁家庭或办公室中它能走得到的地面的功能不需要人弯着腰操作；不需要人拖着电线移来移去：不需要人把它拆开把累积在内部的垃圾倾倒出来：不需要人在旁边忍受它的噪音，需要的只是人们一次性设定它的工作方式：一次性工作还是每天工作一次、还是隔天工作、还是三天或隔几天工作一次，每次工作在什么时刻，其余人们便不用管它(当然人们也可把它当作普通吸尘器使用插上导管清洁如床或茶几底下等它走不进的地方)。它能自动充电、自动把内部垃圾传送到一个大容量垃圾箱中去。同时它还很安全：不会有触电危险、不会撞坏东西、不会被撞坏、不会跌落至楼梯下、也不会走得太远而消失得无影踪，更重要的：作为一种家用电器而非奢侈品，它的价格不会太贵，普通家庭完全买得起。而从目前国内外研究现状来看，现在的智能吸尘器产品虽然有些已相当不错，但离令人“完全满意”还有些距离，还有很多工作可以做。将智能吸尘器作为研究课题，一方面可以巩固加深所学相关知识，化所学为所用，另一方面，可以在不断完善的基础上将智能吸尘器产业化，给千家万户带来方便。这需要持续的钻研探索和坚持不懈的努力。第三章吸尘器的未来吸尘机器人作为服务机器人领域中的一个新产品,将使人们能在无人看守情况下轻松地完成室内环境的吸尘等清洁工作。因此,该吸尘机器人如能大批量生产使成本降低,以低价格进入市场,将会具有巨大的市场前景,有关资料也预测吸尘机器人是未来几年需求量最大的是服务机器人2。尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果,但成本过高和许多关键技术问题急待解决,主要有以下3个方面。(1)目前,价格过高是严重影响吸尘机器人打入家电市场的主要因素,为了大幅度降低其成本,必须开发智能传感器、专用运动控制的数字处理芯片;其次,应该看到蓝牙技术在家电行业的应用前景,通过采用蓝牙技术将过高的数字处理器成本转移到用户的个人电脑上,则有望在短期内将吸尘机器人的成本降低在千元左右。(2)未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展,因此必须结合现有的基于自适应控制、预测控制、模糊逻辑、神经网络等移动机器人运动规划和控制技术,研究对环境障碍物具有安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法,是在现实环境中实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键。(3)电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一,除了为机器人运动、吸尘及控制电路提供能量外,还需优化自动充电方案,保证机器人能及时进行充电,能够自动完成对指定环境的吸尘任务。在研究提高化学电池使用寿命、缩小体积的同时,一种新兴的质子交换膜燃料电池具有功率大、能量高、寿命长和体积小等优点7,为移动电源提供了一种合适的电源,目前,上海某大学燃料电池研究所在这方面进行着有益的尝试。随着吸尘机器人关键技术和性能价格比的不断提高或改进,相信在现有的软硬件条件的基础上,未来几年内就会推出价格适中的全自动吸尘机器人产品,进而使吸尘机器人能像普通家电产品一样走进千家万户,为这一高新技术产品带来可观的市场和经济效益。结论智能吸尘器作为一种智能移动清洁机器人，既具有一般移动机器人的通过传感器感知环境和自身状态：实现在有障碍的环境中自主运动的特点，又具有吸尘器自身的特点，即在经过的路径上即时打扫灰尘的特点。这就要求智能清洁机器人运动路径具备遍历性和无重复性，区别于向特定目标运动的一般移动机器人。可见，智能吸尘器包含了多传感融合、智能控制和机械结构控制等领域,因此，具有理想的理论和实际研究价值，具有明显的应用价值，而且也是较好实验载体。本人所在实验室承担过“863高性能越障机器人”、“足球机器人”等较多机器人研制项目，为智能清洁机器人提供了较好的硬件和软件研究条件。虽然对智能吸尘器系统从事了一些的研究，也取得了一定的成果，但是系统中存在一些问题，并没有得到根本的解决。在现有研究基础上，在后继的工作中，还可以从以下几个方面进一步拓展研究：1。智能吸尘器的结构还有待进一步改善。这种左右轮驱动加上万向轮辅助支撑的二自由度移动方式，它在向左或右运动时需有一个转弯的过程，耗时又耗能。在后继的工作中，将致力于设计一种能使吸尘器不用转弯也无时间停顿即可直接向前或向后或向左或向右移动的结构；2。智能吸尘器多传感系统还可进一步完善。现有的多传感系统在测障、定位定向上虽已具备一定的能力，但在测障精度、定位精度等方面还可以进步改善提高。传感器的种类可从红外、光电传感器扩展到接触传感器等，以获取更高精度的传感数据。但在多传感信息融合处理上，也必须有相应的处理方式，在处理各种不同传感器信息时，获得最佳融合效果；3。在智能吸尘器的定位定向方法上，目前国内外研究得很多，本文提出的基于扩展卡尔曼滤波和区间分析算法只是其中一种。在后继工作中，仍需继续钻研行之有效的定位定向方法，务求定位更精、定向更准；4。在智能吸尘器的控制系统设计上，还有一些地方需要改进。目前只运用了TMS320LF2407DSP的很有限的局部功能，还有很多强大功能尚未得到更有效的应用，换言之，目前的控制系统只是一个初步的模型式系统，在后继工作中，将使得智能吸尘器的功能更完善，其相应控制系统更复杂更成熟；5 关于智能吸尘器的路径规划算法910，本文只做了初步探讨。由于基于行为的自下而上的研究方法和基于任务的自上而下的研究方法各有其优劣势，如何寻求结合二者而达最优路径规划，还有许多工作要做；6 由于直流电机系统为非线性系统，采用传统PID控制策略难以建立其精确的数学模型，因此不能得到十分精确的控制精度和快速的响应速度。在后继工作中，可引入智能控制技术，设计智能PID，使其控制效果更优。参考文献1陈之远.更加人性化的智能吸尘器J.家电大视野,2002,(9):48-50.2胡跃明,丁维中,吴忻生.吸尘机器人的研究现状与展望J.机器人技术与应用,2002,15(1),32-35.3王炎,周大威.移动式服务机器人的发展现状及我们的研究J.电气传动,2000,30(4):3-7.4沈乃勋,龙锡怡,刘荣生.宾馆用吸尘机器人的研究J.机械,2000,28(4):60-62.5李磊,叶涛,谭民.移动机器人技术现状与未来J.机器人,2002,24(5),475-480.6卢韶芳,刘大维.自主式移动机器人导航研究现状与相关技术J.农业机械学报,2002,33(2):112-116.7黄倬.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用M.北京:冶金工业出版社,2000.8吴秋轩,曹广益.家用服务型吸尘机器人的发展与现状J.电气传动自动化，2003,25（6）：1-4.9Yong-Ge Wu , Jing-Yu Yang , Ke Liu. Obstacle detection and environment modeling based on multi-sensor fusion for robot navigationJ . Artificial Intelligence in Engineering ,1996 ,10 9 (4):323-333.10Christian Hofner , Gunther Schmidt.Path Planning and Guidance Technologyfor anAutonomousMobile Cleaning RobotJ.Robotics and Autonomous Systems ,1995 ,14(2):199 - 212.