智能清潔機器人設計

傳感器應用——智能清潔機器人設計成員及分工:指導老師：徐曉冬智能清潔機器人設計測控技術與儀器〔2〕班CKStar摘要：智能清潔機器人是內(nèi)置智能芯片，能自動識別判斷家庭環(huán)境，計算行走路徑，自動清掃地面上的灰塵，自動清理毛發(fā)和碎物，低電壓自動返回充電。智能清潔機器人具有智能計算機系統(tǒng)、自動螺旋導航系統(tǒng)和傳感器感應頭?？梢詫Ψ块g做出測量，自動清潔房間的每個角落、記錄您的理想設置，避讓墻壁、樓梯等障礙物，即使您把放到桌子上面它也不會掉下來。隨機配備的虛擬墻發(fā)射器可有效地阻止它進入您不想讓它進入的地方。適用范圍：家庭，辦公室，電腦房，可以有效清掃各種木地板、水泥地板、瓷磚地板以及短毛地毯。采用全新智能控制系統(tǒng)，自動清掃，自動回充，智能分析，路徑規(guī)劃，智能防撞，以及遙控的功能，最終實現(xiàn)衛(wèi)生清潔、空氣凈化加濕的效果。關鍵詞：傳感器清潔機器人智能控制單片機系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u21515一、背景及意義312558二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀38002三、總體功能4864四、工作主流程圖520360五、各模塊設計6131721、傳感局部6227071)超聲波傳感器6141792)紅外測距傳感器7112013)接觸式傳感器7272104)紅外光電傳感器7135542、控制局部7303693、驅(qū)動局部8284894、全方位移動機構(gòu)992505、吸塵及處理局部9249206、垃圾收集過程流程圖11117527、電源局部1113648六、性能參數(shù)1210944七、結(jié)論與展望1328327參考文獻14一、背景及意義隨著人們生活水平的提高，健康、舒適的家居環(huán)境越來越被更多的人所關注。買房、裝修成為人們茶余飯后談論的熱點話題，但裝修后又臟又累的衛(wèi)生清掃工作，成為困擾家庭主婦的又一大難題。對不少家庭而言，清潔機器人已成為清潔家庭的必備小家電。此次，從網(wǎng)上和市場兩方面著手進行調(diào)研，既了解工作原理，也了解到了它的市場行情?！熬G色、健康”的設計產(chǎn)品的市場化腳步在逐漸取代舊產(chǎn)品。針對現(xiàn)代人的生活習慣及周圍環(huán)境進行調(diào)研〔網(wǎng)絡、市場〕，符合市場經(jīng)濟的增長和社會的開展趨勢，智能化的產(chǎn)品將是健康綠色生活的主導，才能更符合當代社會的需求，從而將“綠色、健康”的含義真正的實現(xiàn)。研究智能清潔機器人的缺陷及缺乏，從而將其完善，主要針對消費者做出進一步的改良和創(chuàng)新，將改良的重點放在輕巧便用，智能化，帶有樂趣性上面。將本次設計定位為改良型創(chuàng)新綠色環(huán)保設計。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近幾年，我國家用清潔機器人市場需求量呈逐年上升的趨勢。清潔機器人的開展很快，主要開展方向為外觀、功能與操作性能等三方面。外觀：現(xiàn)代清潔機器人有越做越小的趨勢，而與清潔機器人的集塵袋，功率反而越來越大，一些比擬先進的清潔機器人也已近開展到無塵袋的設計，更加有利于日常清潔與保養(yǎng)，大大節(jié)省使用者的家務負擔。功能：現(xiàn)代清潔機器人的功能性能越來越強大，一些高端的清潔機器人已近開始具有干濕兩用、過熱保護、塵滿提醒等非常實用的功能?？梢韵胂?，這些功能在今后幾年中也會慢慢變成清潔機器人的標準配置。操作性能：不同于相對老舊的清潔機器，現(xiàn)代清潔機器人已經(jīng)具有更高的操作性能了，不但主機變得輕巧而易拖動，操作按鍵的位置設計也越來越人性化，方便使用者的操作。另外，現(xiàn)代清潔機器人的工作噪音也得到了較好的控制，老舊產(chǎn)品的噪音源特點也已經(jīng)被大大弱化。三、總體功能該智能清潔機器人利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應的返回聲波脈沖，對障礙物進行判斷；通過以單片機為核心的控制器實現(xiàn)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根底上加以判斷，選定相應的控制策略；通過驅(qū)動兩個步進電機，帶動360°全向輪移動機構(gòu)動作，從而實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)彎等避障功能。以及紅外線傳感器的應用使它具備防止墜落及自動充電功能，與此同時，由其自身攜帶的小型吸塵及滾刷部件，對經(jīng)過的地面進行必要的吸塵清掃；由水過濾清潔裝置和HEAP高效過濾網(wǎng)清潔過濾所吸入的空氣。采用全新智能控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動清掃，自動回充，智能分析，路徑規(guī)劃，智能防撞，以及遙控的功能。四、工作主流程圖及模型圖圖1.工作主流程圖圖2.三維模型圖五、各模塊設計1、傳感局部：相當于人的五官，起到對外界的感知作用。1)超聲波傳感器[1]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，會產(chǎn)生反射現(xiàn)象利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而到達測量距離的作用其具體的計算公式如下：s＝v×t／2注：s：為障礙物與吸塵器之間的距離；t：為發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間；v：為聲波在空氣中傳播的速度

在智能清潔機器人中，避障功能的實現(xiàn)正是利用了這一超聲波測距的原理它的傳感器局部由三對〔每對包括一個發(fā)射探頭和一個接收探頭〕共六個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的路選信號的作用下，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，產(chǎn)生反射波，當這一反射波被接收器接收后，根據(jù)前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時，根據(jù)信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小超聲波傳感器采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波局部地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物，經(jīng)單片機系統(tǒng)處理判斷前方物體的大小、遠近及大體屬性。2)紅外測距傳感器[1]紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，即可利用紅外線的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。3)接觸式傳感器[1]接觸式厚度傳感器，通常采用電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電位器式位移傳感器、霍耳式位移傳感器等〔見位移傳感器〕進行接觸式厚度測量。為了連續(xù)測量移動著的物體的厚度，常在位移傳感器的可動端頭上安裝滾動觸頭，以減少磨損。接觸式厚度傳感器可測量物體高度,空間大小。全能清潔機器人可利用這一點探測障礙物的高度,進一步做出判斷發(fā)揮它的功能.4)紅外光電傳感器[1]把渾濁度傳感器的外殼固定在被測箱體內(nèi)，采用一定波長的紅外發(fā)光二極管作為檢測光源，穿透被測溶液，檢測其透射光強來檢測溶液渾濁度的程度。紅外發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光穿透被測溶液的介質(zhì)，被接收端的光電三極管接受，產(chǎn)生光電流。由于溶液含有的介質(zhì)、灰塵的顆粒大小、密度不同，光電三極管的光電流近似為線性變化。經(jīng)濾波后輸出，即得到與渾濁度相關的檢測信號。2、控制局部：相當于人的大腦，起到連接對肢體的支配。單片機[2]執(zhí)行控制程序中指令。CPU要根據(jù)指令的功能，產(chǎn)生相應的操作控制信號，發(fā)給相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。1〕向傳感器局部分別發(fā)送路選信號：當路選信號是高電頻時，該路導通；反之，就截止這樣，通過路選信號，就可以完成各路信號的順序掃描以及對發(fā)射和接收的計時功能2〕作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的各路信號的幅值，以及從發(fā)射到接收的時間間隔，計算并判斷障礙物的相對位置，大致大小在此根底上，根據(jù)事先設定的規(guī)那么，選定相應的避障措施〔前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭〕3〕在確定了避障措施后，要向步進電機的控制器輸出相應的控制脈沖，驅(qū)動步進電機，帶動全向輪移動機構(gòu)以具體實現(xiàn)避障圖4.CPU芯片3、驅(qū)動局部：相當于人的肢體，被控制起到協(xié)調(diào)作業(yè)。1〕步進電機[3]，用于清潔器的全向輪驅(qū)動，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機那么轉(zhuǎn)過一個步距角。2〕串勵電機[3]，單相串勵電動機屬于單相交流異步電動機，是交直流兩用的，所以又稱為交直流兩用串勵電動機。由于它轉(zhuǎn)速高、體積小、啟動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速可調(diào)，電機主要由定子轉(zhuǎn)子及支架三局部組。3〕普通電機[3]，用于掃地刷和起塵刷的微型直流齒輪減速電機12V正反轉(zhuǎn)可調(diào)速電動機慢速小馬達。4.全方位移動機構(gòu)：基于麥克納姆輪[4]的全方位移動平臺由于能夠?qū)崿F(xiàn)前后、左右和自轉(zhuǎn)3個自由度的運動及其復合運動而受到越來越廣泛的關注，本體無需做出任何轉(zhuǎn)動便可實現(xiàn)任意方向的運動。因此采用了基于麥克納姆輪的全方位移動平臺的智能清潔器非常適合工作在空間狹窄有限、對機動性要求高的場合。與傳統(tǒng)移動機構(gòu)相比，全方位移動機構(gòu)可以沿任意方向平動，其移動性能卓越。圖5：輪子左、移動平臺、輪子右5、吸塵及處理局部：在智能吸塵器里面嵌入真空吸塵器局部。1〕本清潔器在氣體輸出口采用HEAP過濾網(wǎng)[5]進行空氣凈化，它對于0.1微米和0.3微米的有效率到達99.7%，HEPA網(wǎng)的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過。它對直徑為0.3微米〔頭發(fā)直徑的1/200〕以上的微粒去除效率可到達99.97%以上，是煙霧、灰塵以及細菌等污染物最有效的過濾媒介。采用熔噴滌綸無紡布材質(zhì)的HEPA高效過濾網(wǎng)，特點:風阻小，容塵量大，過濾精度高，持久耐用。圖6.HEPA高效過濾網(wǎng)2〕水過濾系統(tǒng)[6]原理及垃圾收集裝置：水過濾系統(tǒng)原理是用水洗滌含塵空氣，在吸塵器專用的串勵電機高轉(zhuǎn)速下〔20000r/min〕，大量抽壓空氣和水的慣性碰撞而形成的，利用形成的液膜、水滴和水泡來捕捉帶有的粉塵和細小顆粒，也從而使細小的顆粒得到擴散，使增濕并產(chǎn)生粘附的顆粒利用自身的重量沉人水底，隨液體循環(huán)排出?？諝庠谒膿胶拖碌玫絻艋?。3〕進入水箱中的垃圾大局部會很快溶于水中，水箱箱體外表的紅外傳感器會將水箱中水的渾濁度檢測并將數(shù)據(jù)傳送給中央處理器，當水的渾濁度到達一定程度時，中央處理器會自動接通位于水箱底部微型泵，通過微型泵把溶有垃圾的水吸入垃圾收集箱里，直到紅外線傳感器檢測渾濁度正常時，中央處理器控制微型泵停止工作從而完成排水過程。由于垃圾溶于水會使水箱中水位很快升高，水箱箱體外表的水位傳感器能夠?qū)崟r檢測水箱中的水位并把相關數(shù)據(jù)傳送給中央處理器，當水位到達一定程度時，中央處理器也會控制翻開收集箱底的微型泵，把水吸入垃圾收集箱，直到水位正常。3〕充電設備是采用裝有紅外線接收器的專用電源，當清潔器電量較低時，清潔器上的中央處理器會控制發(fā)出充電紅外線，電源檢測并接收信號，清潔器會自動前往電源處翻開接口進行充電過程，直到充電完成。6、垃圾收集過程流程圖圖7.垃圾收集過程流程圖7、電源局部：提供智能清潔機器人所需要的動力系統(tǒng)，也是至關重要的一局部，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方式，而是采用隨身攜帶的24.4V鎳氫動力電池[7]，它具有高比功率、電流充放電大、無污染、平安性能好等特點這樣不但可實現(xiàn)無人控制，而且工作時較靈活一次充電可以連續(xù)工作幾個小時六、性能參數(shù)P1：輸入功率；P2：吸入功率；H：真空度；Q：風流量；Η：效率；Psmax:最大吸入功率；ηmax:最大效率；Qmax:最大風量；Hmax最大真空；1、風流量：單位時間內(nèi)通過吸塵器排出的空氣體積，單位。2、真空度：所謂的真空度是指一個空間內(nèi)氣體分子數(shù)的密度比標準狀態(tài)下(一個大氣壓101325Pa)少。3、吸入功率：是反映吸塵器的綜合性能的一個參數(shù)。吸塵器的吸入功率是以真空度、風流量來表達的，一般來說，真空度高、風流量大輸出功率就會比擬高。4、η效率：吸塵器的效率=〔吸塵器的輸出功率P2÷吸塵器的輸入功率P1〕×100%當然，P1和P2都是在變化的，效率n也應該是曲線的頂點，即最大值。吸塵器效率一般在28%-32%，這是因為吸塵器使用中空氣流通有很大的阻力，降低了風量。七、結(jié)論與展望雖然當前的吸塵器是物美價廉，能給人們枯燥乏味的家庭清潔的瑣碎工作提供了諸多方便，可是一些缺點仍舊困擾著人們，比方較大的噪聲依然讓多數(shù)的家庭使用者望而卻步。在現(xiàn)有的效勞機器人領域里，智能清潔機器人可以說是一種新型產(chǎn)品，幫助人們在無需照看的情況下省時省力的完成房間的洗塵清掃作業(yè)。所以，只要智能清潔機器人的生產(chǎn)本錢兼顧日用家電的大批量、低價格的特點，智能清潔機器人將會用誘人的市場前景。目前國內(nèi)外的清潔機器人的研究與開發(fā)工作都取得了一些成績，但是仍舊有許多問題需要解決或改善，主要涉及到下面幾個方面：1、價格過高2、智能化與自主化程度低3、吸塵技術不夠理想4、自動充電與電源技術有待改良伴隨著智能清潔機器人的關鍵技術與性價比的不斷提高，完全有條件基于現(xiàn)有的硬件和軟件技術，在不久的將來，生產(chǎn)出