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智能吸尘器技术设计方案

智能吸尘器技术设计方案

作者:admin    来源:未知    发布时间:2021-12-26 10:30    浏览量:

随着社会的进步和发展,人们的学习和工作越来越忙,如何更大程度地将人们从繁琐的日常事务中解脱出来,成为新一代家电追求的目标。智能化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值守的自主工作模式,大大提高了产品的自动化水平。

1一般原则

智能吸尘器利用超声波测距原理,通过正向发射超声波脉冲并接收相应的回波声脉冲来判断障碍物。超声波发射和接收的门控控制由以单片机为核心的控制器实现,并在处理返回脉冲信号的基础上通过判断选择相应的控制策略。驾驶员驱动两个步进电机驱动驱动轮,实现避障功能。同时,利用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洁。

2功能和作用

从原理上讲,整个吸尘器可以分为五个主要部分(如图1所示):传感器部分、控制器部分、驱动部分、集尘部分和电源部分。各部分的原理和具体功能如下:

2.1传感器零件

2.1.1超声波测距原理

超声波是一种具有一定频率范围的声波。它具有在同一介质中匀速传播的特性,但在不同介质的界面处,会产生反射现象。利用这一特性,我们可以根据透射波和反射波之间的时间间隔来测量距离。具体计算公式如下:

s = v &倍;t/2

其中s是障碍物和真空吸尘器之间的距离;t是从发送到接收的时间;v是声波在空气体中传播的速度。由于V的值受温度的影响而波动,在实际应用中可以通过以下公式进行补偿,其中t代表空气体的绝对温度,m/s为速度单位。

在智能吸尘器中,避障功能的实现是基于超声波测距的原理。其传感器部分由三对(每对包括一个发射探头和一个接收探头)六个超声波传感头组成。单个振荡电路产生固定频率为40kHz、振幅为5V的超声波信号。在控制器发出的路由信号作用下(如图1所示),40kHz振荡信号施加在超声波发射探头两端,从而产生超声波信号向外发射;当信号遇到障碍物时,会产生反射波。该反射波被接收探头接收后,根据测距原理可以准确判断障碍物的距离。同时,根据信号的幅度,也可以初步确定障碍物的大小。

2.1.2检测范围的确定

由于每个超声波探头都有一定的指向性(即发射和接收空之间的范围),所以测量时必然存在盲点(如图2所示)。因此,这三对传感器必须以一定的尺寸分布在吸尘器的前端,这样传感器的测量范围就包括了整个吸尘器必须经过的空范围,同时避免了死角的检测(即使死角落在待测范围之外)。

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,存在相互干扰的问题。为了解决这个问题,设计中引入了循环扫描。发射和接收都循环地应用于每组探头,当一组工作时,

其余两组停止。周期由路由信号控制,只有15毫秒(即15毫秒扫描三组探头一次),在实际应用中非常可靠。

2.2控制部分

控制部分的核心是MC51单片机,主要完成三部分的任务:

& middot分别向传感器部分(三个通道)发送路由信号:当路由信号为高频时,通道开启;否则,它将被关闭。这样,通过路由信号,可以完成三个信号的顺序扫描以及发送和接收的定时功能。

& middot作为控制器的核心,它要根据接收信号(左、中、右)的幅度和发射到接收的时间间隔,计算判断障碍物的相对位置和大概大小。在此基础上,根据预设的规则,选择相应的避障措施(前进、左转、右转、后退、掉头)。

& middot最后,在确定避障措施后,应向步进电机控制器输出相应的控制脉冲,实现避障。

2.3驱动部件

驱动部分由两个四相步进电机和相应的驱动机构组成。步进电机驱动两个驱动轮(后轮)推动吸尘器移动。前轮不再采用传统的双轮结构,而是采用了广泛使用的平面轴承,既降低了结构复杂度,又提高了转弯灵活性(如图3所示)。通过改变作用在步进电机上的脉冲信号的频率,可以实现步进电机的高精度速度调节。同时,当两个电机分别施加相同或不同的脉冲信号时,可以通过差动方式方便地实现吸尘器的前进、左转、右转、后退、掉头等功能。这种设计最大的优点是吸尘器可以在任意半径以任意速度转动,即使两个后轮反向运动,也可以实现零转动半径(即原地绕轴中点转动)。同时,可以通过改变单片机的程序来调节转速。

因为智能吸尘器边走边工作,所需速度很低,一般在5 m/min左右,步进电机的转速不能太低,避免低速爬行。因此电机轴与车轴之间采用一级齿轮传动,设计传动比为3.7。设电机转速为n (r/s),驱动轮半径为r (m),则驱动轮前进速度为:

其中vk,k = 1,2,代表左右驱动轮的线速度;i & mdash& mdash传动比。通过调整n的大小和正负,可以实现VK的连续变化,从而实现任意半径的转弯。电机转向与真空吸尘器运动模式之间的关系如表1所示。

2.4真空吸尘器零件

灰尘收集功能由一个封装在外壳中的小型真空吸尘器完成。包括气泵、吸入室、吸入导管和吸嘴。在吸尘器的爬行过程中,被清扫地面上的灰尘通过底盘上打开的吸嘴被吸入吸入室内。

2.5电源部分

因为智能吸尘器是自主工作的,使用的电源不是一般的拖带方式,而是便携式蓄电池(3A/20小时)。这不仅可以实现无人控制,而且在工作时也很灵活。一次充电就可以连续工作几个小时。

第3部分电路描述

3.1超声波信号产生

40kHz的超声波信号由555个芯片组成的多谐振荡器电路产生(如图4所示)。由R1、R11、R12和C1组成的外围充放电电路;当参数漂移时,可以通过调节R12的电阻来微调信号的中心频率。

3.2步进电机驱动

控制器输出的驱动脉冲信号被7404反转后,驱动功率晶体管驱动步进电机。图5列出了一相的驱动电路。有两个步进电机,每个都按照四相八拍制工作,所以有八组驱动电路。

3.3控制器

控制器由MC51单片机组成。上述控制器完成的三相主任务对应的硬件结构介绍如下:路由信号从单片机P1端口输出,占用P1.0~P1.6的6个管脚,直接控制6个模拟开关;

步进电机驱动信号从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;超声信号经放大、滤波、检测后,引入单片机的中断口,激发相应的中断处理器。

4系统性能和特征

从以上介绍可以看出,新一代智能吸尘器将MC51单片机与自身相结合,大大提高了产品的可塑性,适合高水平开发应用。在超声波避障的基础上,初步实现了无人干预的自主工作模式。同时,由于特殊驱动结构的设计,实现了零半径转弯,因此具有智能、高效、轻便、灵巧的特点,是一个比较新的发展方向。

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