自动清洁湖面机器人华农机器人概论期末论文

1无人船自动清洁湖面机器人（这篇老师给了95分。）华南农业大学工程学院摘要：机器人是20世纪人类的伟大发明，传感器、计算机的出现及普及，嵌入式芯片的量产及低廉的价格，使得机器人技术得到了快速的发展，而环境的污染使得河流湖泊的垃圾漂浮物越来越多，这时候机器人的特种应用便提上了日程，从航天机器人到工业机器人，再到民用机器人，清洁湖面机器人的出现便成了形式所趋。本文便是详细叙述了一种清洁湖面的机器人，通过对其原理的说明来叙述它在日常生活中的应用优点。关键词：子系统PWM飞思卡尔单片机机械杆恒速传送带1引言机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作①。近几十年来，经济的不良发展给环境带来了严重的污染，特别是河流湖泊的污染日益严重，加上一些人习惯随手将垃圾扔进河流湖泊中，水资源的污染状况更是雪上加霜。传统的清洁湖面的方式是由人坐在船上，拿着工具，例如竹棍、捕鱼网等，将垃圾一点点地收集到船上。这种传统的方式缺点很明显：第一：效率太低；第二：人工方式费时费力；第三：清除不彻底，毕竟人眼会漏掉某些东西。既然清洁高楼大厦都已经使用机器人了，那清洁湖面也可以使用机器人。2无人船机器人介绍2.1子系统介绍自动清洁湖面机器人外形实际也是船型，前后有作为一个完整的机器人，它包括动力系统、电子控制系统、机械运动系统、垃圾收集系统四大系统。下面将详细叙述这四大系统。①各国对机器人的定义有一定的差别。无人船自动清洁湖面机器人22.1.1动力系统：作为一台实际上的无人船，由于要在水上推进，同时还要负责其他系统的电源供应，因此电源采用蓄电池。驱动方面，采用直流电机，这样做的好处是可以与后面的电子电路配合起来，灵活调速，电机安装在船体两侧，且数目为左右各一只，将叶轮固定在电机上，控制电机的转动便可控制船的运动。而船的转向、后退前进等动作，则可以借助电子电路的PWM来实现。；这样便解决了船的基本问题。2.1.2.电子控制系统：无人船的核心便是电子控制系统。而控制系统的核心采用的是飞思卡尔K60单片机。通过此单片机与外部电路的结合，外部设备包括摄像头（用于采集图像用于识别垃圾）、超声波发射和接收（用于避障和测距）等。通过信号采集模块接收的数据，经过单片机的处理之后输出相应的信号完成规定的动作，从而实现垃圾的收集。2.1.3.机械运动系统：机械运动系统主要用来收集垃圾，将垃圾转移到船上。当单片机给它一个信号指令后，它便能够将垃圾收集过来。2.1.4.垃圾收集系统机械系统将垃圾转移到船上后，还需要将垃圾收集到船舱内部的垃圾仓，这样才能不断收集垃圾，且能方便后续的集体处理。2.2硬件结构综述2.2.1由于无人船整个系统比较复杂，涉及的方面比较多，且需要执行和处理的数据量比较大，因此低端的51单片机已经不能满足要求，于是采用飞思卡尔K60型号的单片机。Freescale公司KinetisK60系列MCU,工作电压1.71-3.6V,闪存的写电压为1.71-3.6V,采用ARMCortex-M4内核,其性能可达到1.25DhrystoneMIPS/MHz。该系列提供高达180MHz的性能和IEEE1588以太网MAC，用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制。硬件加密支持多个算法，以最小的CPU负载提供快速、安全的数据传输和存储。K60可以应用于电压、频率、温度和外部传感（用于物理攻击检测）等传感器的信号收集与处理。K60MCU主要用在工业照相机方面。综合来看，其性能和功能等指标很适合作为无人船控制核心。由于采用了ARM架构且为32为单片机，因此运行速度很快，可以使得船比较灵活。无人船自动清洁湖面机器人3K60单片机处理信号示意图2.2.2在驱动电机方面，选用了直流大电流大扭力的DC-Z系列电机，此系列电机功率适中，转速适中，扭力较大，且易于控制。K60是一种比较高级的单片机，自带PWM硬件功能，因此无需借助定时器来产生PWM，这样便可以方便地控制电路。由于K60单片机的工作电压不超过3.6V，因此输出电流很小，难以直接驱动电机转动。因此需要借助电机驱动电路来实现驱动信号放大。驱动芯片采用的是通用的L298N芯片，其输出电流最高达36A，适合用来驱动大电机。无人船自动清洁湖面机器人4L298N驱动电路原理图2.2.3摄像头——图像识别。如今CMOS摄像头识别技术已经应用到了很多领域，例如最早的卫星用来识别天体表面的物体，近几年流行起来的车牌号码识别技术。此种技术已经可以做到识别直径几厘米的物体。在垃圾识别时，考虑到实际因素，由于水一般是一种颜色，因此很容易根据图像识别出异物——垃圾，从而将其收集起来。由于无人船工作在湖面，因此必须在船的前后左右各加装一个摄像头，4个摄像头同时工作，如果有1个以上的摄像头都检测到了垃圾，那么此时便会调用超声波测距模块的距离数据，选择距离最近的那个方向前进，这样便做到了高效率。当K60单片机接收了传感器的信号后，经过内部程序的处理，便会对机械运动系统发出指令，一方面驱动电机，同时伸出机械杆将垃圾揽进船上。无人船自动清洁湖面机器人5机械伸缩杆示意图2.2.4当垃圾到达船上后，船上有一个传送带，一旦机械杆将垃圾揽到船上后，垃圾便会被传送带传送到船中部，船中部打开一个口通向船舱，传送带的末端直接安置在开口上方，这样垃圾直接会落进去，无需再设计复杂的机械结构来转移物体。2.3工作过程详述上文分各个子系统介绍了无人船自动清洁湖面机器人的一些工作情况。下面将详细叙述工作过程。当连接好硬件电路后，将摄像头安装在船首，做适当防水处理后，尽量将无人船人为带到湖泊的离岸较远的位置，这样可以避免岸边物体的干扰。由于程序最初的设计，即默认情况是船一直前进，直到遇到摄像头检测到垃圾时，会根据超声波模块的数据来确定船的走向。当超声波模块检测到后方物体离船最近后，单片机会识别此信号，利用中断程序，然后通过PWM调节电机反转，使得船向后方驶向垃圾，到达垃圾处后，另一个低优先级的中断服务程序运行，启动机械杆，机械杆尾端有一个类似耙子形的爪，将垃圾往船里揽，当杆将垃圾刚揽到传送带首端时，不断转动的传送带在静摩擦力的作用下将垃圾运输到尾端，最后到达传送带尾端，这时垃圾在重力作用下最终落入船舱内。同样，当超声波模块检测到左方物体离船最近后，单片机会识别此信号，利用中断程序，然后通过PWM调节电机反转，使得船向左方驶向垃圾，后面过程与上文相同。无人船自动清洁湖面机器人6根据流程图可以看出，经过这几种判断和处理，便可以实现无人船自动清洁湖面机器人的自主清洁湖面垃圾的设计目标。前后左右四个方向的摄像头探测可以使得湖面垃圾探寻无死角，能够完全清除湖面垃圾。3结束语人类在20世纪发明了具有划时代意义的产品——机器人。机器人的出现改变了世界，改变了人类的劳动方式。它把人们从繁杂困难的劳动中解放出来，让工业生产自动化成为了现实，汽车、船舶、飞机等重工业技术的飞速发展都离不开机器人的出现。到了21世纪的今天，美国的谷歌等公司着眼于无人驾驶汽车、收购Nest机器人初创公司，未来机器人会走进我们普通人的生活，其前进非常可观。但是，我们今天的经济社会发展，是以消耗资源牺牲环境为代价的，我国的水资源污染尤其严重，水面漂浮物年年有增无减。治理水污染任重而道远，需要几代人的努力。目前，发达国家对于谁污染，更加专注于生物技术。例如可以分解垃圾、石油的细菌等，而我国目前既没有生物降解技术，也没有机械技术。因此，开发出自动工作的机器人是我国乃至世界的迫切需要。我们相信自动清洁湖面的机器人将具有广阔的应用前景。无人船工作简易流程图无人船自动清洁湖面机器人7参考文献：1LenDMNokes、杨欣等.电子设计从零开始——2版，北京：清华大学出版社，2010.10.2杨欣等.电子设计从零开始.北京：清华大学出版社，2005.3藤井信生.电子实用手册.北京：科学出版社，2001.4杜洋.爱上单片机.北京：电子工业出版社，2012.5韩广兴.电子元器件与实用电路基础.北京：电子工业出版社，2004.6林以敏.机器人制作.北京：机械工业出版社，2008.