一、課題綜述及研究意義 近年來，隨著計算機技術與人工智能科學的飛速發展，智能機器人技術逐漸成為現代機器人研究領域的熱點。其中，服務型機器人成為了機器人應用的新領域。服務機器人的出現主要有三大原因：一是勞動力成本的上升，人們希望能由低成本的服務型機器人來替代人工,從而進行長時間高效率地工作；二是人們的生活、工作節奏不斷加快，產生了個性的生活價值觀，想擺脫枯燥乏味的體力勞動，如清沽、家務、照顧病人等；三是人口的老齡化和社會福利制度的完善。正是由于這些原因，從而加快了服務型機器人的發展。 服務機器人區別于工業機器人的一個主要特征就是服務機器人是一種適用于具體的方式、 環境及任務過程的機器人系統，其活動空間大，具有在非結構環境下的移動性，因此服務型機器人大多數是移動機器人。 本課題所研究的室內清掃機器人作為服務型機器人的一種，有效地將機械學、人工智能和移動機器人技術等諸多學科集為一體，應用在對室內地面環境的自動清掃方面。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術方面講，智能化室內清掃機器人能夠具體地體現出移動機器人的多項關鍵技術，具有較強的代表性。從市場前景角度講，室內清掃機器人將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場所的室內清潔。因此，開發室內清掃機器人既具有科研上的挑戰性，又具有廣闊的市場前景。 1、室內清掃機器人的國外研究現狀： 室內清掃機器人作為智能移動機器人實用化發展的先行者，國外的其研究始于20世紀70年代，到目前為止，已經產生了許多概念樣機和產品。吸塵機器人的發展，帶動了服務型機器人行業的發展，也促進了移動機器人技術、 圖像和語音識別、 傳感器等相關技術的發展。 國際上，目前在美國、日本、韓國、歐洲等地的許多公司如伊萊克斯、松下、三星等世界著名公司都已開發出室內清掃機器人。如美國麻省理工學院人工智能實驗室和馬薩諸塞州電子機器人公司聯合開發的全自動智能清掃機器人Roomba；伊萊克斯公司的三葉蟲清掃機器人；德國凱馳公司的RC3000室內清掃機器人等。 2、室內清掃機器人的國內研究現狀： 相對于國外，國內對室內清掃機器人方面的研究較晚，始于上世紀80年代。在國內的一些大學如哈爾濱工業大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清掃機器人進行了大量的研究并取得了一定成果。如哈爾濱工業大學與香港中文大學合作，聯合研制開發出一種全方位移動的室內清掃機器人VC‐RP30W；浙江大學在浙江大學機械電子研究所進行智能清掃機器人的研究，并且成功設計出國內第一個智能自主式清掃機器人KV8。此外，國內對清掃機器人相關技術的研究也有很多，如機器感知、機器人導航和定位、路徑規劃、動力驅動等技術，這些都為清潔機器人的研究開發和推廣奠定了物質基礎和技術基礎。 本課題所設計的室內清掃機器人能夠自行完成家庭中所有地面的清潔工作，具有如下特點： （1) 室內清掃機器人自帶電源，體積小巧、操作簡單、自主性強。即能夠獨立完成家庭清潔的任務，并自動返回充電站充電，其扁平的設計使其能夠清潔床、沙發、茶幾等家具的下部位置。 （2) 室內清掃機器人的任務是清掃地面，工作的對象是地面的灰塵、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器人的處理對象。 （3) 室內清掃機器人的移動是隨機的，啟動室內清掃機器人后，便可自動開始工作。超聲波傳感器會探測出距離最近的墻壁，先順著墻壁把地板四周的灰塵及異物清掃干凈；然后再根據路徑規劃算法來回于房間的其它位置，并且能在接近障礙物之前迅速轉向。即當遇到障礙時，自動改變一個角度，然后繼續直走，直到遇到新的障礙物；此外，還設有防跌落傳感器，在遇到樓梯與臺階時，能夠自動后退，不會跌落。 （4）當打掃完可以行駛的場所后，室內清掃機器人會自動返回充電站并關閉電源；若在打掃期間電池沒電，該清掃機器人會自動返回充電站充電。
二、課題擬采取的研究方法和技術路線 研究方法： 先分析室內清掃機器人在室內清掃時是如何避障的,然后將電子技術、傳感器技術、計算機技術、控制技術、人工智能技術、移動機器人技術和機械學相結合，從硬件方面和軟件方面對室內清掃機器人系統進行設計。 技術路線： 硬件方面包括單片機最小系統、電源模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、輸入輸出模塊和智能充電站模塊。 其中，系統以STC89C52單片機作為控制核心，實現運動控制、數據通信、實時數據采集等功能。電源模塊是采用5V直流電源作為單片機的供電模塊,且采用上電復位的工作方式；傳感器模塊分為避障模塊和紅外接收模塊兩部分，避障模塊主要采用市面上最常見的HC-SR04超聲波測距傳感器，該模塊由超聲波發射器、超聲波接收器與控制電路三部分組成，負責實時采集數據并實現數據并傳輸到主控系統中；紅外接收模塊采用JY043W紅外傳感器，主要功能是接收來自于充電站和遙控器發出的紅外信號，而機器人則是根據接收的指令來做出相應的動作；電機驅動模塊是由L298N集成電路芯片來驅動的，通過兩個直流電機分別帶動兩個驅動輪前進及后退，再利用兩個輪子的速度差實現機器人的前進與轉彎。此外，利用兩個正轉，兩個反轉實現機器人的原地轉彎清掃，從而減少了清掃死角；顯示模塊主要采用LCD1602液晶顯示屏，它為5V電壓驅動，帶背光，可顯示兩行，主要負責顯示當前的功能、系統出錯時的錯誤信號、當前時間等；輸入輸出模塊則采用普通獨立式鍵盤，其中共有4個功能鍵：SET、INC、DEC和OK鍵。 軟件方面是用C語言進行編程，主要涉及到傳感器節點程序、匯聚節點程序框圖設計以及機器人清掃行走路徑程序的編寫。其中，傳感器節點程序包括超聲波避障程序的設計和紅外收發模塊程序的設計；匯聚節點程序又包括鍵盤讀入中斷服務程序設計和液晶顯示子程序設計。 三、主要參考文獻 [1] (美)付京遜等著，楊靜宇等譯. 機器人學:控制、傳感技術、視覺、智能. 北京：中國科學技術出版社,1989.10. [2] 孟繁華編著. 機器人應用技術. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1989.6. [3] (美) David Cook著，宮廣驊譯. 機器人制作入門攻略. 北京:人民郵電出版社,2013. [4] 李云江主編. 機器人概論. 北京:機械工業出版社,2011. [5] (意)布魯諾·西西利亞諾，(美)歐沙瑪·哈提卜編輯，《機器人手冊》翻譯委員會譯. 機器人手冊. 北京:機械工業出版社,2013. [6] 李明編著. 機器人. 上海:上海科學技術出版社,2012. [7] (美) John Blankenship, Samuel Mishal著 卜遲武，唐慶菊譯. 機器人編程設計與實現. 北京:科學出版社,2010. [8] 蔡自興編著. 機器人學基礎. 北京:機械工業出版社,2009. [9] (美) Gordon McComb, Myke Predko著，龐明等譯. 機器人設計與實現. 北京:科學出版社,2008. [10] 芮延年主編，顧軍等副主編. 機器人技術及其應用. 北京:化學工業出版社,2008. [11] 劉廣瑞主編. 機器人創新制作. 西安:西北工業大學出版社,2007. [12] 張鑫. 單片機原理及應用（第二版）.北京:電子工業出版社,2010.10. [13] 馬忠梅等編著. 單片機的C語言應用程序設計. 北京:北京航空航天大學出版社,2013. [14] 于忠得編著. 單片機原理與工程設計實例. 北京:清華大學出版社,2011. [15] 李升主編. 單片機原理與接口技術. 北京:北京大學出版社,2011. [16] 陳杰，黃鴻編著. 傳感器與檢測技術. 北京:高等教育出版社,2010. [17] 張培仁編著. 傳感器原理、檢測及應用. 北京:清華大學出版社,2012. [18] (美)Jon S.Wilson主編，林龍信等譯. 傳感器技術手冊. 北京:人民郵電出版社,2009.02 . [19] 張曉虎. 低成本家居智能機器人控制系統的研究與設計[學位論文]. 電路與系統，湖南大學，2007（學位年度）. [20] 曾林. 家庭清掃機器人嵌入式軟件的研究[學位論文]. 計算機科學與技術，哈爾濱工業大學，2007（學位年度）. [21] 馮虎. 履帶式管道清潔機器人嵌入式控制與通信系統的研究[學位論文].控制理論與控制工程，上海交通大學，2006（學位年度）. [22] 錢思. 清潔機器人系統設計與智能避障問題的研究[學位論文]. 機械電子工程，華中科技大學，2007（學位年度）. [23] 高學山，徐殿國，王炎，周大威. 全方位地面移動清掃機器人. 機械工程學報，2008年3期：1-3. [24] 鄭文君，李丹. 家居智能清掃機器人系統設計. 中小企業管理與科技，2014年34期：15-20. [25] 曾林. 家庭清掃機器人嵌入式軟件的研究[學位論文]. 計算機科學與技術 哈爾濱工業大學，2007（學位年度）.
二、畢業設計（論文）工作實施計劃www.628tf.com （一）畢業設計（論文）的理論分析與軟硬件要求及其應達到的水平與結果 理論分析設計： 1、系統設計方案的分析論證； 2、電源模塊、電機驅動模塊、超聲波避障模塊、紅外收發模塊、智能充電站模塊、人機交互模塊的工作原理論證； 3、上位機管理平臺的基本功能設計； 4、室內清掃機器人的行走路徑規劃。 硬件設計要求：確定要選擇的器件及其類型，并計算相關參數。繪制出詳細的硬件系統結構框圖。 軟件設計要求：配合硬件設計實現最優化設計，繪制程序流程框圖，用C語言編寫程序。
（二）畢業設計（論文）工作進度與安排 起訖日期 工作內容和要求 備注 3月30日-4月3日 查閱25篇相關文獻，修改開題報告 4月6日-4月10日 查閱資料，制定系統初步設計方案 4月13日-4月17日 確定系統總體設計方案，確定單片機、傳感器的型號 4月20日-4月24日 修改完善硬件結構設計方案 4月27日-4月30日 完成硬件模塊原理圖的設計與繪制 5月4日-5月8日 繪制程序流程圖，用C語言編寫程序 5月11日-5月15日 進行系統調試 5月18日-5月22日 整理材料，撰寫論文初稿 5月25日-5月29日 修改論文，準備答辯 |
