智能吸塵器技術(shù)設計方案
2020-10-31 12:02:50分類(lèi)：公司新聞13159
隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展，人們的學(xué)習、工作越來(lái)越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來(lái)，就成了新一代家電所追求的目標。而智能化正是這一目標的集中體現。
本文介紹的智能吸塵器初步實(shí)現了無(wú)人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。
?。笨傮w原理
該智能吸塵器利用了超聲波測距的原理，通過(guò)向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對障礙物進(jìn)行判斷；通過(guò)以單片機為核心的控制器實(shí)現對超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；通過(guò)驅動(dòng)器驅動(dòng)兩步進(jìn)電機，帶動(dòng)驅動(dòng)輪，從而實(shí)現避障功能。與此同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經(jīng)過(guò)的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。
?。补δ軐?shí)能
整個(gè)吸塵器原理上可以分為五個(gè)主要部分（如圖1）：傳感器部分、控制器部分、驅動(dòng)部分、吸塵部分和電源部分。各部分的原理及具體功能實(shí)現如下：
?。玻眰鞲衅鞑糠?/strong>
?。玻保背暡y距原理
超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質(zhì)的界面處，會(huì )產(chǎn)生反射現象。利用這一特性，就可以根據測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達到測量距離的作用。其具體的計算公式如下：
s＝v×t／2
其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間；v為聲波在空氣中傳播的速度。由于ｖ的值受溫度的影響會(huì )波動(dòng)，因此，在實(shí)際的應用中可以用以下公式來(lái)加以補償，其中T表示空氣的絕對溫度，m/s為速度單位。
在智能吸塵器中，避障功能的實(shí)現正是利用了這一超聲波測距的原理。它的傳感器部分由三對（每對包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭）共六個(gè)超聲波傳感頭組成。由單獨的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號。在控制器送來(lái)的路選信號（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號向外發(fā)射；該信號遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生反射波，當這一反射波被接收探頭接收后，根據前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時(shí)，根據信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。
?。玻保蔡綔y范圍的確定
由于每一個(gè)超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測量時(shí)必然存在盲區（如圖2）。因此，三對傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測量的范圍包含整個(gè)吸塵器所必須經(jīng)過(guò)的空間，同時(shí)又避免探測死角（既使盲區落在須測量的范圍之外）。
?。玻保撤乐垢蓴_
由于三對超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，在設計中引進(jìn)了循環(huán)掃描的方式。既循環(huán)地對每組探頭施加發(fā)射和接收，當一組工作時(shí)，
其余兩組停止。循環(huán)周期由路選信號來(lái)控制，只有15ms（即在15ms的時(shí)間里完成一次對三組探頭的掃描），因而在實(shí)際應用中很可靠。
?。玻部刂撇糠?/strong>
控制部分的核心是MC51單片機，它主要完成三個(gè)部分的任務(wù)：
·向傳感器部分（三路）分別送路選信號：當路選信號是高電頻時(shí)，該路導通；反之，就截止。這樣，通過(guò)路選信號，就可以完成三路信號的順序掃描以及對發(fā)射和接收的計時(shí)功能。
·作為控制器的核心，它要根據接收的信號（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，計算并判斷障礙物的相對位置，大致大小。在此基礎上，根據事先設定的規則，選定相應的避障措施（前進(jìn)、左轉、右轉、后退、調頭）。
·最后，在確定了避障措施后，要向步進(jìn)電機的控制器輸出相應的控制脈沖，以具體實(shí)現避障。
?。玻瞅寗?dòng)部分
驅動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機以及相應的驅動(dòng)機構組成的。步進(jìn)電機帶動(dòng)兩驅動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運動(dòng)。前輪不再采用傳統的雙輪結構，而采用了應用非常廣泛的平面軸承，這既減小了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性（如圖３）。通過(guò)改變作用于步進(jìn)電機的脈沖信號的頻率，可以對步進(jìn)電機實(shí)現較高精度的調速。同時(shí)在對兩電機分別施加相同或不同脈沖信號時(shí)，通過(guò)差速方式，可以方便的實(shí)現吸塵器前進(jìn)、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動(dòng)時(shí)，實(shí)現零轉彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉）。同時(shí)轉彎的速度可通過(guò)改變單片機的程序來(lái)調節。
由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求5m／min左右，而步進(jìn)電機為避免低速爬行，其轉速又不能太低，為此，在電機軸與輪軸之間采用了一級齒輪傳動(dòng)，設計傳動(dòng)比為３．７。設電機的轉速為ｎ（轉／秒），驅動(dòng)輪的半徑為ｒ(米)，則驅動(dòng)輪的前進(jìn)速度為：
式中，ｖｋ,ｋ＝１,２，代表左右驅動(dòng)輪的線(xiàn)速度；ｉ——齒輪傳動(dòng)比。通過(guò)調節ｎ的大小和正反，可以實(shí)現ｖｋ的連續變化，從而實(shí)現任意半徑的轉彎。電機轉向與吸塵器的運動(dòng)方式的關(guān)系如表１。
?。玻次鼔m器部分
吸塵功能是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵、吸室、吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過(guò)程中，通過(guò)底盤(pán)上開(kāi)的吸嘴將掃過(guò)的地面上的灰塵吸入吸室。
?。玻惦娫床糠?/strong>
由于智能吸塵器是以自主方式工作的，因而所用的電源不是一般拖線(xiàn)方式，而是采用隨身攜帶的蓄電池（3A／20hour）。這樣不但可實(shí)現無(wú)人控制，而且工作時(shí)較靈活。一次充電可以連續工作幾個(gè)小時(shí)。
?。巢糠蛛娐氛f(shuō)明
?。常背曅盘柊l(fā)生
40kHz的超聲波信號是由555芯片構成的多諧振蕩電路產(chǎn)生的（如圖4）。由R1、R11、R12和C1構成外圍的充放電電路；當參數漂移時(shí)，通過(guò)調節R12的阻值，可微調信號的中心頻率。
?。常膊竭M(jìn)電機驅動(dòng)
由控制器輸出的驅動(dòng)脈沖信號經(jīng)7404反向后，驅動(dòng)功率三極管從而帶動(dòng)步進(jìn)電機。圖5列出了一相的驅動(dòng)電路。由于有兩個(gè)步進(jìn)電機，每一電機按四相八拍制工作，因而共有八組驅動(dòng)電路。
?。常晨刂破?/strong>
控制器是由MC51單片機構成的。與前述控制器所完成的三相主要任務(wù)相對應的硬件結構分別介紹如下：路選信號由單片機的P1口輸出，占用了P1.0～P1.6共6腳。它們直接控制6個(gè)模擬開(kāi)關(guān)；
步進(jìn)電機的驅動(dòng)信號由P2口輸出，P2.0～P2.3控制步進(jìn)電機A，P2.4～P2.7控制步進(jìn)電機B；超聲返回信號經(jīng)放大、濾波、檢波后，引入單片機的中斷口，激勵相應的中斷處理程序。
?。聪到y性能及特點(diǎn)
從以上介紹可以看出，新一代的智能吸塵器通過(guò)將MC51單片微機與自身相結合，極大地提高了產(chǎn)品的可塑性，適應于高層次的開(kāi)發(fā)與應用。它在完成超聲避障的基礎上，初步實(shí)現了無(wú)人干預下的自主工作方式，同時(shí)由于特殊的驅動(dòng)結構的設計，實(shí)現零半徑的轉彎，因而具有智能化、高效性、輕便、靈巧等特點(diǎn)，是較新的發(fā)展方向。
