摘 要
如今随着机械工业不断的发展，越多越多的工业产品出现在人们的生活中，代替做着原本人们生活中简单而枯燥的事情，智能扫地机器人就是这一种的一款，能够代替人力清洁小范围的空间，代替人力进行工作，这样的智能设备现在越来越占据人们的生活。本文主要是设计一款基于51单片机的智能扫地机器人，运用单片机作为核心控制器件，完成相关的软件和硬件设计。实现全自动的清扫过程，解放人们的双手，与此同时能够实现电量低时自动进行充电，以备后用。
关键词：扫地机器人；避障；单片机
Abstract
Nowadays, with the continuous development of the machinery industry, more and more industrial products appear in people's lives, instead of doing simple and boring things in people's lives. Intelligent sweeping robot is one of these, which can replace human to clean a small range of space and work instead of human. Such intelligent devices now occupy more and more people's lives. This paper is mainly to design an intelligent sweeping robot based on 51 single chip microcomputer, using single chip microcomputer as the core control device to complete the relevant software and hardware design. Realize the automatic cleaning process, liberate people's hands, at the same time can realize the automatic charging when the power is low, for later use.
Key Words：Sweeping robot; Obstacle avoidance; Single chip microcomputer
目录
1 绪论
1.1 研究背景与意义
随着现代的科学技术的发展，在人工智能领域发生巨大的变革，同时将人工智能与现实的生活相结合也是现在研究的主旋律之一，其中在家庭生活过程中，智能扫地机器人越来越成为人们生活中必不可少的一部分。
进入新世界以来，国内人们的生活水平不断提高，所以人们对于追求高质量的生活，原本是在国外市场占有一定领域的扫地机器人渐渐地出现在国内人们的视野之中，其逐渐变成像家中必不可少的家具电器一样，该产品逐渐朝着智能化的方向发展着。
目前的扫地机器人的市场，都是在追求高性价比、高便捷性等新兴要求，所以本文设计一款基于51单片机的智能机器人是非常有必要的。
1.2 国内外研究现状
在本世纪初期，计算机行业开始了疯狂的发展模式，其中涉及到的各种元件和传感器等元器件也是加速发展生产，对于过去的复杂的机械设计产品，由于其笨重复杂的特性不再符合现代产业的发展近况，相比于搭配起相关的微处理控制器与其他一些装置进行配置，使得产品更加智能化，对于一些发达国家的制造商将其重点逐渐转移到智能机器人方面。
最早的智能扫地机器人出现在美国市场，其中最早的一款机器人，运用了智能仿生技术，其能够使得机器人在全黑的条件下能够有效地避开障碍物，不会受到外界光线的影响。
图1.1 最早的扫地机器人
1.3 论文研究的主要内容
当前人们的生活水平不断地提高，智能扫地机器人不断出现在人们生活中，智能扫地机器人目前仍然存在没有有效的路径规划以及相关的盲目清扫问题，本论文从机器人的方面，对其路径规划作出进一步优化。
根据目前智能扫地机器人内部具体构造和结构，同时根据本次设计的具体要求，本文设计基于一款STM32的智能扫地机器人，同时与机器人配备相关的传感器和相应的信息采集设备，提供机器人一定的清扫能力。
2 系统总体方案
2.1 路径规划的标准和意义
对于机器人衡量其扫地效果的标准可以从四个方面看来描述：
首先是从覆盖率来描述其清扫效果，覆盖率的定义为扫地机器人在工作过程中占其任务总量的比值，可以用数学公式来表达其中的关系，其中覆盖率可以使用
来表述。
其中
对于上面的式子而言，其中若是覆盖率越大，说明方案的可行性越高，若是其值能够趋近于1或者等于1，那就是说明机器人在既定的环境和任务情况下进行清扫作业能够完成几乎大部分的清扫区域的任务，出现遗漏的情况比较少，一定范围内方案是有效可行的。
其次就是重复率，所谓的重复率就是机器人在工作作业过程中，其中机器人重复经过的地方面积与实际清扫任务的面积的比值，对于这个概念的定义同样是采用与覆盖率定义的相同方法进行定义的。
其中若是重复率的值越低，同样也是表示工作方案的合理性，若是重复率的值趋近于0或者是等于0，我们可以通过数学公式来推出该方案，在机器人的清扫过程中几乎不会清扫已经清扫过的地方。
再有就是关于时间和效率的问题，时间也就是指机器人完成清扫任务的时间限制。效率一般指能量消耗率，其是将机器人完成清扫任务后，其中的电池能量消耗比，也就是机器人内部电池消耗多少的比率。
图1-1 智能扫地机器人
在机器人的工作环境中，多数是环境复杂，内部情况和空间的大小分布不均匀，所以切实提供有效的路径规划是十分有必要的。对于一些环境变化处于动态过程的，机器人由于自身的限制，并不能及时实时的进行调整更新，所以这样如何优化成了新的问题方向。
在机器人的清扫过程中，除了需要考虑到清扫的覆盖率和重复率以外，同时还需要考虑到相关的时间因素，对于清扫过程中的智能机器人，需要在更快的时间条件下完成工作，这就对机器人在清扫过程中，及时根据外部特征进行必要的更新，同时为了顾及到机器人相关电池续航的问题，也要考虑到相关的能耗的问题。
2.2 路径规划方案探讨
在在一般的清扫过程中，对于智能扫地机器人面临的环境，通常分为已知的与未知的环境条件，若是对周边环境是未知的，并且周边环境无法侦测和动态调整，那么机器人的路径规划就是没有必要的，所以路径规划需要根据具体的环境地图进行更新改变，所以在规划之前需要建立起相关的环境地图。
主要根据以下三种方法建立起环境地图，一是拓扑地图，二是栅格地图，三是特征地图，根据以上三种方法的具体论述，选用栅格地图建立环境地图。在实际的环境下，智能扫地机器人所处在的环境是大多是规则的矩形房间，机器人采用的清扫方式一般是从没有障碍的路径中行进，如图2-1，其中设计相关矩形内的值，为后续建立地图提供帮助。
图2-1 原始边框的建立
根据相关测量数据，智能扫地机器人进行作业的过程中对其中周围的环境建立更加完善的地图。
2.3 系统硬件体系
本文具体是采用51单片机对智能扫地机器人从其自身部分和电池充电部分进行设计。
其中机器人主要分为三个模块，是根据系统功能进行划分，有信息采集模块、执行模块、主控模块。
系统的信息采集模块采用相应的传感器，包括超声波传感器、红外测距传感器以及相应的编码器。超声波传感器主要是用来检测智能扫地机器人周边的环境情况，提供给机器人相应的地理环境特征和周边情况；红外传感器适用于和充电模块进行匹配相关联信号的；三轴陀螺仪传感器也需要运用在其中，包括编码器，需要和其一起配合测量相关行进距离，如图2-2所示为整体的系统结构。
图2-2 系统硬件结构图
从上图来看系统的执行系统由主控模块发送相关的指令信号，执行系统控制电源模块、电机驱动模块、稳压模块。对于智能扫地机器人的前后轮，前轮采用万向轮，后轮则是采用正常轮子，实现后轮驱动，后轮驱动主要是由L289驱动模块对其进行驱动供电，同时该驱动块能够也给外部的清洁刷子提供电能支持，还有机器人相关的机械结构都离不开一定的电能支持。
2.4 系统软件体系
系统的软件体系主要分三个部分才能够实现相关的功能，一是对于信息的采集，二是对信息的整合，三是机器人执行相应的操作。
图2-3 系统软件结构图
其中第一是信息的采集，信息的采集主要是采集机器人周边环境中的各种参数，包括障碍物检测的程序设计，检测智能扫地机器人周边的相关距离以及相关的运动行进路程。
第二是信息的整合，主要对从外部收集来的相关信息极性判断整合，考虑到栅格地图的相关问题和变动性，此时的系统能够完成及时更新内部信息，完成相关的信息提取过程。
第三就是机器人执行相关的操作，将采集相关参数和数据传达到相应的下行设备实现相关清扫过程。
2.5 本章小结
本章主要主体系统的方案作出相关的具体介绍，首先指出路径规划相关的过程，其中从路径规划相关的方案进行介绍，从环境地图建立，之后从系统的硬件和软件进行设计描述和介绍。
3 系统的机械结构
3.1 机械结构组成
对于智能扫地机器人的设计，主要是分为控制部分和机械部分的设计，机械部分包括智能扫地机械人的外部结构，从外部的轮子、底盘、驱动结构等等作为扫地机器人你的结构，如图所示为智能扫地机器人的主要机械部分的设计。
图3-1 系统硬件结构图
接下来要介绍智能扫地机器人相关机械部分的一些功能：
首先是智能扫地机器人的清洁结构，主要是包括几种型号的刷子，应对各种需要清刷的界面，左右边的刷子相向转动，把区域内灰尘集中在吸尘口，为后面的吸尘部分做好准备工作。
其次就是吸尘部分，主要是用电机和电扇来实现清灰的功能呢，将清灰口的灰尘吸到内部的存储结构。
3.2 移动方式
智能扫地机器人如何去移动是设计中的一大关键部分，一般的机器人会采用轮式或者是步进式结构，通常在平地上的智能扫地机器人更加适合使用前者轮式的机构，而后者主要是应对不平滑的界面和结构，对于家中的智能扫地机器人，通常是处于光滑的平面，所以这里是采用轮式的结构。
对于轮式的机构，通常是采用三个轮子的驱动方式，因为众所周知三角形具有稳定性，能够满足相应的前进要求，并且能够有较好的承载能力，本次设计中的智能扫地机器人主要应用在家中环境中，对于负重和其他一些要求较低，一般是采用三轮的结构。
常用的机器人采用转向方式有两种，一种是通过驱动电机来控制两个驱动轮子，通过变换电机的转速，来控制轮子的行进速度，运用速度差的情况实现转向，第二种就是采用相应的连杆结构通过电机控制转向，本次设计使用的是第一种转向方式。
智能扫地机器人采用两个直流调速电机来对两个轮子进行驱动控制，利用相应的转速差问题来实现相应的前进、后退、转向等功能，如此这样，对于这种转速差控制能够有效实现最终的控制目的，如图3-2所示为智能扫地机器人相关驱动结构。
图3-2 系统驱动结构图
4 硬件设计
系统的硬件设计主要原理利用相应传感器测距原理，实现实时距离测量功能，同时通过对超声接收和发射的统计，能够判断出智能扫地机器人与相应的物体之间的具体距离，利用51单片机作为核心的控制结构，能够对相应的传感器进行控制和信息采集与分析，其可以控制两个直流调速电机对机器人相关的功能进行控制和实现，当智能扫地机器人通电工作时，其中的除尘结构和吸尘结构便开始按照既定的程序进行工作。
智能扫地机器人的相关功能的实现都是依靠各个系统的系统相互配合，才能够实现一定功能，本章主要介绍相关控制系统和硬件设备。
4.1 控制系统
4.1.1 单片机简介
本次设计基于51单片机进行的设计，把51单片机作为主要的控制器来进行控制协调，单片机的结构和计算机的结构有相似之处，将一些处理器、输入输出结构、存储单元集中在一起，实现数据运算的功能。
单片机相比于计算机，首先价格更低，功耗较小，其次就是单片机在家用电器中的应用更为广泛，将单片机作为嵌入式开发的控制器，成为了一个较为崭新的发展方向。
对于本次设计的智能扫地机器人采用AT89C51型号的单片机进行设计，普通的51单片机包括四大基础部分组成，如图4-1所示为51单片机的简易结构框图。
图4-1 单片机的结构框图
4.1.2 信号引脚
51单片机的引脚主要是由四个P口所组成，每个口都是8位双向线，如图4-2为相应的引脚分布构成。
图4-2 单片机的引脚
单片机的引脚一般是应用和相关的功能器件进行搭配，同时单片机的引脚出于相关的工艺问题，其中的引脚数目也是有限的，51单片机的内部引脚根据具体结构定义为40个，但是这个数目不能够满足相应的功能，为了解决这一问题，就是给部分引脚赋予额外的功能，避免相关功能较多而相应的引脚较少的问题，进一步发挥引脚的功能。
4.2 电源电路
本次设计智能扫地机器人主要采用6V的直流电来进行供电，供电是由电池进行供电，所以电源部分需要设计一个电路实现稳压功能，采用外国的一款稳压集成电路实现电压转换，如图4-3所示为电源的设计图。
图4-3 单片机的电源电路
4.3 传感技术
本次设计采用的超声传感设计，是采用一种高频声波设计的传感设备，通过发出一定高频的波，这种机械波是由传感器中的晶片振动下所产生的，这种传感器具有方向特性好等优质特点，主要是用于检测前方障碍物，通过发出声波，接收到相应的声波来判断前方是否有障碍物。
在本次设计中，主要采用频率为40HZ的超声传感器，如图4-4、4-5所示为超声波电路图。
图4-4 单片机的超声波电路（发射）
图4-5 单片机的超声波电路（接收）
4.3.1 超声测距原理
超声波测距是利用超声波相关性质，超声波能够在介质中传播出较远的距离，不易受外界的影响，比较稳定。
其中的基本的原理主要是利用超声发生器发出一定频率的超声波，在空气中进行传播，当碰到相应的障碍物后，超声波反射回来，一来一回的发射和反射时间，这样就可以验算出和障碍物相间隔的距离，如下面的公式，设往返时间为t，声波的传播速度为v，变可以计算出智能扫地机器人和障碍区之间的距离L，具体的公式如下：
这种测距计算便是利用了时间测距的方法。
4.3.2 硬件电路设计
对于基于51单片机的智能扫地机器人的传感测距部分，主要是运用单片机的定时功能，单片机是整个系统的核心器件，一方面控制了相应的元器件，一方面是协调相应的电路进行工作。
整个系统工作大致流程如下：智能扫地机器人开机即进行复位工作，之后单片机输出相应的信号给到超声传感器中，接收到相应的信号，发出高频声波，对周围的环境进行检测，当有返回的声波后，计数器停止工作，得到一来一回的时间，根据相应的公式进行计算。如图4-6为超声测距系统图。
图4-6 超声测距系统图
4.3.3 防干扰设计
根据智能扫地机器人相应的设计，内部所安装的超声传感器之间的距离可能比较近，所以需要设计防干扰，这里采用循环扫描方式，使用每一个传感器在工作时候都能够发射与接收，当有一个处于工作状态时候，另外两个就处于停机状态，其中每一个周期设置为20ms。
4.4 驱动系统
4.4.1 直流调速电机
直流调速电机既是能够提供直流电的发电机，又能够通过改变转子或者是定子的转速调速的电机，直流调速电机和交流调速电机在基本特性上有一定的差别，其中直流电机的启动性能更佳，转速比较稳定，能够较好地调整转速和转向的问题，启动转矩不大，通常对于一些对启动转矩要求不大的设备都会采用直流电机作为供电设备，例如电动汽车、机床等等设备。
在直流电机中，需要进行基本能量的交换，磁场和磁场耦合的线圈存在着相对的运动，所以直流电机存在着两部分，一部分是静态部分，一部分是动态部分，动态部分包括转子，也就是电枢，主要包括换向器部分等等，静态部分也就是定子部分，包括主磁极、换向极等等部分组成。
直流电机工作的基本原理就是载流导体在磁场中受到磁场力的作用，利用这个原理而形成直流电机，如图4-7所示为直流电机的基本工作模型
图4-7 直流电机原理模型
电机中的基本原理归结如下：首先是磁场使得载流导体产生运动，其次就是转子受到电磁力的作用发生运动。
在本次的设计中选用额定电压为6V的直流电机作为系统的驱动电机，关于该电机有关参数如表4-1所示。
表4-1 直流电机参数
4.4.2 电机驱动
本设计中采用L298驱动电路来驱动直流电机工作，从而达到驱动智能扫地机器人两轮前进的目的，使用L298，其中含有两个全桥式的驱动器，可以驱动一些感性负载，包括直流电机、步进电机等等，该驱动模块拥有两个使能控制口，在不受到外界影响的情况下，能够允许一个逻辑电平输入，其中电机的驱动原理图如图4-8所示。
图4-8 电机驱动原理图
5 软件设计
前文从智能扫地机器人的路径规划和硬件设计方面进行了阐述，利用超声测距功能来实现相关的避障功能，本次软件设计了一个简易的避障程序，大致的设计如下：智能扫地机器人有三个超声波传感器，在机器人进行作业时，其中的传感器处于工作状态，检测周围障碍物的情况，单片机中事先设定好相关的值，当达到距离的下限，通过单片机来给直流电机发送信号，通知直流电机停止转动，使得智能扫地机器人实现转弯或者是停止前进的功能。
5.1 流程图
根据前文的设计方法得到相应的软件流程图的构思，如图5-1所示为软件设计的流程图。
图5-1 流程图
5.2 程序设计
在本次设计中，主要采用汇编语言进行编写，汇编语言是计算机基本自然一眼，计算语言是计算机软件设计的基础，在单片机设计过程中，一般采用汇编语言和C语言进行软件设计和分析，在本次设计中，主要使用汇编语言进行设计，同时部分的设计采用C语言补充设计。
相比较于汇编语言，C语言在编写程度上更为复杂，汇编语言在设计过程中，语言形式较为简洁客观，同时在设计过程中具有一些优势：
1、首先是方便修改、调试；
2、使用汇编语言能使用较少的内存空间去调试运行程序，减少程序运行时间的消耗；
3、汇编语言同时可以和C语言配合使用；
4、使用汇编语言属于底层语言，可以实现一些高级语言无法实现的程序和相关功能。
在本次设计中相关的具体程序如下所示：
5.3 仿真设计
在本次的仿真设计中，采用Proteus软件来进行仿真设计，其中的仿真软件需要配合相关编程软件才能够实现，同时这款软件是世界上首款仿真设计软件，将电路设计月硬件模型设计相结合在一起。和其他仿真软件相比较，该款软件拥有独特的优势，在软件内部的工具库中拥有许多的元器件，可以通过搜索功能搜索到相应的元器件。如图5-2所示为该款软件的界面。
图5-2 Proteus界面
根据前文的设计思路，设计出以下的电路原理图，由于超声波测距的电路图较为复杂，所以本次设计之中采用开关代替超声波传感器，对于开关的闭合就代表智能扫地机器人与障碍物之间距离小于设定的值，设计得到如图5-3所示的电路原理图。
图5-3 电路原理图
在程序设计编写无误后，将写好的程序导入到仿真软件中。
对整个系统上电，指示灯亮，并且智能扫地机器人开始正常工作，两个直流电机开始正向转动，如图5-4所示为系统的仿真图。
图5-4 仿真图1
智能扫地机器人右边遇到障碍物时，能够根据单片机的指令及时给到直流电机信号，使得直流电机反转，实现右转，仿真图如图5-5所示。
图5-5 仿真图2
智能扫地机器人左边遇到障碍物时，能够根据单片机的指令及时给到直流电机信号，使得直流电机反转，实现左转，仿真图如图5-5所示。
图5-6 仿真图3
结论
本次设计从开始的整体思路设计，到后面具体功能的落实，从系统的硬件结构和软件结构进行设计，涉及到51单片机、传感器、直流电机等多种器件的相互配合使用。
在本次设计中，主要是运用相应的传感器技术，利用测距技术来定位智能扫地机器人周边障碍物的情况，同时运用单片机和直流电机实现智能扫地机器人的转向和停止前进，利用单片机传送相应的信号给直流电机，直流电机根据相应的信号给出回应，实现相应功能。本次设计不足之处，前文所提及的电池充电部分的设计，还需要在设计中去完善。
智能扫地机器人的市场前景十分广阔，在很多方面都需要用到，今后的设计更多是根据具体的场景应用实现相关功能，正值疫情期间，该款机器人可以加装相应的杀菌消毒设备，我相信随着科技的进步，智能扫地机器人的功能会越来越完善。
致谢
时光不再，经过短暂的大学三年时光的学习和生活，回想起这些时光，不禁感慨，感谢那些帮助过自己的人。
在大学生活中，学习到了很多专业知识和相关的原理，此次毕业设计正是检验三年学习的时刻，三年的学习实践让我学习到很多在大学以外学习不到的东西，不仅仅是从提高了自身的理论水平，也是能够提高自身的动手能力和实践能力。
通过这次毕业水，包括把单片机传感器电机相关学科知识串联起来，进行更加深刻的巩固，我发现很多的知识还需要进行学习，这也就是学无止境的道理。
最后感谢我的毕业设计老师对我真诚的指导，感谢老师在我遇到困难时，伸出援手帮助我完成毕业设计。
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