智能吸尘器的开发及设计

    摘 要： 介绍一种能在无人情况下自主工作，并具有自动避障等功能的新型智能吸尘器的开发及设计，它自带电源，由单片机控制。

    关键词： 超声波 避障功能 MC51单片机 步进电机 智能吸尘器

    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：

    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。



    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）。

    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。

    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：

    式中，ｖｋ,ｋ＝１,２，代表左右驱动轮的线速度；ｉ——齿轮传动比。通过调节ｎ的大小和正反，可以实现ｖｋ的连续变化，从而实现任意半径的转弯。电机转向与吸尘器的运动方式的关系如表１。

    ２．４ 吸尘器部分

    吸尘功能是由封闭在壳体中的小型吸尘器完成的。包括气泵、吸室、吸道和吸嘴。在吸尘器爬行的过程中，通过底盘上开的吸嘴将扫过的地面上的灰尘吸入吸室。

    ２．５ 电源部分

    由于智能吸尘器是以自主方式工作的，因而所用的电源不是一般拖线方式，而是采用随身携带的蓄电池（3A／20hour）。这样不但可实现无人控制，而且工作时较灵活。一次充电可以连续工作几个小时。

    ３ 部分电路说明

    ３．１ 超声信号发生

    40kHz的超声波信号是由555芯片构成的多谐振荡电路产生的（如图4）。由R1、R11、R12和C1构成外围的充放电电路；当参数漂移时，通过调节R12的阻值，可微调信号的中心频率。

    ３．２ 步进电机驱动

    由控制器输出的驱动脉冲信号经7404反向后，驱动功率三极管从而带动步进电机。图5列出了一相的驱动电路。由于有两个步进电机，每一电机按四相八拍制工作，因而共有八组驱动电路。

    ３．３ 控制器

    控制器是由MC51单片机构成的。与前述控制器所完成的三相主要任务相对应的硬件结构分别介绍如下：路选信号由单片机的P1口输出，占用了P1.0～P1.6共6脚。它们直接控制6个模拟开关；步进电机的驱动信号由P2口输出，P2.0～P2.3控制步进电机A，P2.4～P2.7控制步进电机B；超声返回信号经放大、滤波、检波后，引入单片机的中断口，激励相应的中断处理程序。

    ４ 系统性能及特点