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(多图) 智能吸尘器的开发与设计

来源:电子技术网?? 2007年08月16日 ?? 收藏0

  随着社会的进步和发展,人们的学习、工作越来越繁忙,于是怎样更大程度地将人们从烦琐的日常事物中解脱出来,就成了新一代家电所追求的目标。而智能化正是这一目标的集中体现。本文介绍的智能吸尘器初步实现了无人情况下的自主工作方式,很大程度地提高了产品的自动化水平。

  1 总体原理

  该智能吸尘器利用了超声波测距的原理,通过向前进方向发射超声波脉冲,并接收相应的返回声波脉冲,对障碍物进行判断;通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制,并在处理返回脉冲信号的基础上加以判断,选定相应的控制策略;通过驱动器驱动两步进电机,带动驱动轮,从而实现避障功能。与此同时,由其自身携带的小型吸尘部件,对经过的地面进行必要的吸尘清扫。

  2 功能实能

  整个吸尘器原理上可以分为五个主要部分(如图1):传感器部分、控制器部分、驱动部分、吸尘部分和电源部分。各部分的原理及具体功能实现如下:

吸尘器原理

  2.1 传感器部分

  2.1.1 超声波测距原理

  超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性,而在不同媒质的界面处,会产生反射现象。利用这一特性,就可

以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔,从而达到测量距离的作用。其具体的计算公式如下:

  s=v×t/2

  其中,s为障碍物与吸尘器之间的距离;t为发射到接收经历的时间;v为声波在空气中传播的速度。由于v的值受温度的影响会波动,因此,在实际的应用中可以用以下公式来加以补偿,其中T表示空气的绝对温度,m/s为速度单位。
公式

  在智能吸尘器中,避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理。它的传感器部分由三对(每对包括一个发射探头和一个接收探头)共六个超声波传感头组成。由单独的振荡电路产生频率固定为40kHz,幅值为5V的超声波信号。在控制器送来的路选信号(如图1)的作用下,40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端,从而产生超声信号向外发射;该信号遇到障碍物时,产生反射波,当这一反射波被接收探头接收后,根据前述测距的原理,就可以精确地判断障碍物的远近;同时,根据信号的幅值大小,也可以初步确定障碍物的大小。

  2.1.2 探测范围的确定

  由于每一个超声波探头都有一定的指向性(即发射或接受的空间范围),所以在测量时必然存在盲区(如图2)。因此,三对传感器必然以一定的尺寸分布在吸尘器的前端,从而使传感器测量的范围包含整个吸尘器所必须经过的空间,同时又避免探测死角(既使盲区落在须测量的范围之外)。

测量时存在盲区

  2.1.3 防止干扰

  由于三对超声波传感探头之间的安装距离比较近,因而存在相互干扰的问题。为了解决这一问题,在设计中引进了循环扫描的方式。既循环地对每组探头施加发射和接收,当一组工作时,其余两组停止。循环周期由路选信号来控制,只有15ms(即在15ms的时间里完成一次对三组探头的扫描),因而在实际应用中很可靠。

  2.2 控制部分

  控制部分的核心是MC51单片机,它主要完成三个部分的任务:

  · 向传感器部分(三路)分别送路选信号:当路选信号是高电频时,该路导通;反之,就截止。这样,通过路选信号,就可以完成三路信号的顺序扫描以及对发射和接收的计时功能。

  · 作为控制器的核心,它要根据接收的信号(左、中、右三路)的幅值,以及从发射到接收的时间间隔,计算并判断障碍物的相对位置,大致大小。在此基础上,根据事先设定的规则,选定相应的避障措施(前进、左转、右转、后退、调头)。

  · 最后,在确定了避障措施后,要向步进电机的控制器输出相应的控制脉冲,以具体实现避障。

  2.3 驱动部分

  驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮(后轮),从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构,而采用了应用非常广泛的平面轴承,这既减小了结构复杂度,又提高了转弯的灵活性(如图3)。通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率,可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在对两电机分别施加相同或不同脉冲信号时,通过差速方式,可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下,以任意速度实现转弯,甚至当两后轮相互反向运动时,实现零转弯半径(即绕轴中点原地施转)。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。

驱动部分

  由于智能吸尘器是边行走边工作的,所以要求速度很低,一般要求5m/min左右,而步进电机为避免低速爬行,其转速又不能太低,为此,在电机轴与轮轴之间采用了一级齿轮传动,设计传动比为3.7。设电机的转速为n(转/秒),驱动轮的半径为r(米),则驱动轮的前进速度为:

公式


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智能吸尘器? 超声波? 避障功能? MC51单片机?

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