全自动吸尘器设计毕业论文.doc

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 设计设计 论文论文 题目 全自动吸尘器题目 全自动吸尘器 摘要 全自动吸尘器将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来 实现室内环境 地面 的 半自动或全自动清洁 替代传统繁重的人工清洁工作 近年来已受到国内外的研究重视 作为 智能移动机器人的一个特殊应用 从技术层面上讲 智能化自主式吸尘器比较具体地体现了移 动机器人的多项关键技术 具有较强的代表性 从市场前景角度讲 自主吸尘器将大大降低劳 动强度 提高劳动效率 适用于家庭和公共场馆的室内清洁 因此开发自主智能吸尘器既具 有科研上的挑战性 又具有广阔的市场前景 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 对墙壁等进行判断 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 从而实现行走转向等功能 通过红外线热释电传感器对人的活动进行检测 减少人对吸尘器行走的影响 在吸尘器行走的同时 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 当吸尘器电力不足时 它会自动寻找充电插头上发射的红外线 找到充电后其尾部的松耦合变压器靠近插头实现充电 当蓄电池的电充满后自动返回未完成 的任务 关键词关键词 单片机 超声波传感器 电子罗盘 红外线热释电传感器 松耦合变压器 步进电机 Abstract Automatic cleaner mobile robot technology and vacuum technology organically fuses and realize the indoor environment ground or automatic semi automatic cleaning to replace the traditional manual cleaning work hard at home and abroad in recent years the research has been seriously As intelligent mobile robot is a special applications technically speaking intelligence autonomous cleaner is concretely embodies the key techniques of the mobile robot strong representation From the Angle of market prospect independent cleaner will greatly reduce the labor intensity improve work efficiency suitable for family and public venues indoor cleaning So the development of independent intelligent cleaner is challenging and research on the broad market prospect Using the principle of the ultrasonic ranging through the forward direction and receive launch ultrasonic pulse corresponding returns on wall sonic pulse judgment etc Through the controller based on singlechip of ultrasonic transmission and reception for the control and processing in the back pulse signal selected based on the corresponding control strategy Through the actuator two stepper motor driving wheel drive walking so as to achieve the function such as steering Pyroelectric infrared sensors through to people s activities reduce the influence of vacuum cleaner to walk While walking in the vacuum cleaner by its own small parts and carry on the dust of the ground through the necessary dust cleaning When the vacuum cleaner power shortage it will be looking for charging plug the ir find the charging its tail loose coupling transformer near the plug realize charging When the battery electric full automatic return after the unfinished tasks KeywordsKeywords SCM Ultrasonic sensors Electronic compass Heat releasing infrared sensors Loose coupling transformer Stepping motor 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 全自动家用吸尘器简介 1 1 1 1 全自动吸尘器的原理 1 1 1 2 全自动吸尘器的分类 2 1 1 3 全自动吸尘器的发展前景 3 1 1 4 全自动吸尘器的研究目的与意义 3 第二章第二章 全自动吸尘器控制部分设计全自动吸尘器控制部分设计 5 5 2 1 单片机的由来 5 2 2 单片机硬件结构和开发过程 5 2 2 1 单片机的引脚功能 5 2 3 超声波传感器的原理及性能 7 2 4 红外线热释电传感器的原理及性能 9 2 5 整个控制系统的组成及工作原理 10 第三章第三章 全自动吸尘器结构的设计全自动吸尘器结构的设计 1212 3 1 全自动吸尘器外壳结构设计 12 3 2 全自动能吸尘器吸尘部位结构设计 13 3 3 全自动吸尘器行走部位结构设计 14 3 3 1 全自动吸尘器主要参数计算 14 3 3 2 轴的结构设计 15 3 3 3 轴的强度校核 17 第四章 电源及驱动电路的设计 19 4 1 供电电源的设计 19 4 2 移动机器人自动充电技术 20 4 3 非接触感应能量传输系统中松耦合变压器 26 4 4 步进电机的原理及驱动电路 29 4 4 1 步进电机的原理 29 4 4 2 步进电机的特性 31 4 4 3 步进电机的驱动 32 第五章 电动风机的工作原理及驱动 34 5 1 电动风机的工作原理 34 5 2 电动风机的特性及驱动电路 34 第六章第六章 全自动吸尘器控制系统的软件编制全自动吸尘器控制系统的软件编制 3737 6 1 全自动尘器工作过程分析 37 6 2 步进电机的脉冲信号 37 6 3 发声器的脉冲信号 39 6 4 系统的总体控制流程 40 第七章第七章 全自动吸尘器的技术经济分析全自动吸尘器的技术经济分析 4141 结结 论论 4242 致致 谢谢 4343 参考文献参考文献 4444 第一章 绪论 1 1 全自动家用吸尘器简介 1 1 1 全自动吸尘器的原理 吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具 传统的用具清扫房间往往不能将家 里的微细尘埃清扫干净 尘埃总是从一处转移到另一处 尤其是地毯 窗帘等处的灰尘就更 难以清除 利用吸尘器来做清洁工作就无此弊 吸尘器不但可以清洁地面 也可以用来清洁 一般的器具难以清洁的地方 如沙发 墙壁等 吸尘器主要由起尘 吸尘 滤尘三部分组成 一般包括串激整流子电动机 离心式风机 滤尘器 袋 和吸尘附件 一般吸尘器的功率为 400 1000W 或更高 便携式吸尘器的功率一 般为 250W 及其以下 一般吸尘器的功率为 400 1000W 或更高 便携式吸尘器的功率一般为 250W 及其以下 吸尘器靠电动机高速驱动风机叶轮旋转 使空气高速排出 而风机前端吸尘部分的空气不断 地补充风机中的空气 致使吸尘器内部产生瞬时真空 和外界大气压形成负压差 在此压差 的作用下 吸入含灰尘的空气 经滤尘器过滤 排出清净的空气 负压差越大风量越大 则 吸尘能力也越大 吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子 尘垢便留在集尘盒里 盒子装满后 可取 出用水刷洗清理 吸尘器配上不同的部件 可以完成不同的清洁工作 如配上地板刷可清洁 地面 配上扁毛刷可清洁沙发面 床单 窗帘等 配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家 庭器具内的尘垢 吸尘器的原理和结构 1 吸尘原理 吸尘器的风机叶轮在电动机高速驱动下 将叶轮中的空气高速排出风机 同时使吸尘部分内空气不断地补充进风机 这样不妨与外界形成较高的压差 吸嘴 的尘埃 脏物随空气被吸入吸尘部分 并经过漏器过漏 将尘埃 脏物收集与尘筒 内 2 吸尘器的原件 所有吸尘器都配有一个组装刷头 供清理地板及地毯是用 吸力式 吸尘器还会配备一系列的清洁刷及吸嘴 以便清扫角落 窗帘 沙发和缝隙用 3 喉管 所有吸力式的吸尘器都会装备硬喉管 用来连接清洁用的软喉管及附件 4 电动刷 内式吸尘器的清洁头 是混合式吸尘器特别有的配件 5 圆刷头 也较小吸嘴 可做 360 回转 方便清洁家具 精细网织物等 6 扁吸嘴 又称缝隙吸嘴 是一支细长 扁平的硬吸嘴 特别适用于清洁墙边 辐射 式暖片 角落及浅窄地方 7 扫尘刷 用长而软的鬃毛制成 适用于清洁窗帘 墙壁等 1 1 2 全自动吸尘器的研究目的与意义 今年来 随着中国工业的快速发展 吸尘器的产销量也大幅增加 在我国市场具有旺盛的 生命力 随着社会的进步和发展 人们的物质和精神生活质量的提高 迫切需要从繁重的清洁 工作中解脱出来由此诞生了一种家用服务型吸尘机器人 它将移动机器人技术和吸尘技术有 机地融合起来 实现家庭 宾馆 写字楼等室内环境的半自动或多功能清洁 因此具有广阔的 市场前景 目前在欧美日等发达国家 吸尘机器人开发较早 应用范围也较广 近两年来 已经开发出 多种面向市场的智能吸尘机器人 澳大利亚某公司研制出可自动行驶并打扫房间的 型机 器人这种全自动吸尘器表面光滑 体积很小 呈圆形 内置搜索雷达 可以搜索各种房间里的每 一处 不会碰撞家具或其它障碍物 微处理小电脑使它具备在拐至屋角处能探测方向 选择 前进路线的能力 只要将全自动吸尘器放在地面上 它便可自动开始工作 其搜索雷达会探 测出距离最近的墙壁 先顺着墙壁把地板四周的灰尘及异物吸尽 然后再不规则地来回移动于 房间的其它位置 并且能在接近障碍物之前迅速转向 该吸尘机器人由于在主机的周围 配备了障碍物传感器 因此可以在检测墙壁及障碍物的同时打扫地面 当打扫完可以 行驶的场所后 机器人就自动关闭电源 不管房间的外形及面积的大小 导航算法 引导机器人在任何房间的所有无遮掩区域四处运动来进行清洁工作 因为机器人导航沿房间 的周围 所以它要创建自己的空间参考图 机器人不需要任何编程 教它应该去哪里 该机 器人操作简单 仅有 个按钮 开始 结束以及暂停 人们只要简单地将它放置在需要清扫的 区域或房间中 按下开始按钮即可 1 1 3 全自动吸尘器的分类 1 按功能分类 按功能大致有以下种 干式 干湿两用式 地毯式及打蜡吸尘式 干式吸尘器就是上面介绍 的几种吸尘器 干湿两用式吸尘器具有与干式吸尘器相同的性能和用途 此外还能吸取肥皂 之类的液体或多水性泡沫污物 地毯式主要用于地毯的清洁 打蜡式吸力较差 主要以打蜡 为主 2 按形状大小分类 目前民用吸尘器主要分为以下几大类 1 卧式吸尘器 Canister 在亚欧市场较为常见的吸尘器类型 占整体市场的 80 以上 其特点是外形小巧 存放 方便 卧式吸尘器也分为 尘盒式吸尘器 和 尘袋式吸尘器 2 立式吸尘器 Upright 美洲市场较为常见 适用于大面积的地毯清洁 3 手持式吸尘器 Handy 体型小巧 携带及使用非常方便 主要用于车内的清洁 对键盘 电器等也有良好效果 缺点是功率较小 吸力不够强劲 4 桶式吸尘器 Pot 商用吸尘器 多为保洁公司 酒店 写字楼所使用 特点是容量大 能吸水 5 杆式吸尘器 Stick 近几年逐步增多 多为充电式 特点是体型小巧 使用方便 6 机器人吸尘器 Robot 高端吸尘器 可自动打扫和充电 但清洁效果有限 适合本来就很干净的家居环境 7 中央吸尘系统 高端吸尘器 它是将吸尘主机放置在主要生活区之外的场所 如 地下设备层 车 库 清理间等 将吸尘管道嵌至墙里 在墙面只留小而美观的吸尘插口 当需要清理时只需 将一根软管插入吸尘口 此时系统自动启动主机开关 全部大小灰尘 纸屑 烟头 有害微 生物 甚至客房中的烟味等不良气味 都经过严格密封的管道传送到中央收集站 任何人 任何时间都可以进行全部或局部清洁 确保了最清洁的室内环境 其清洁处理能力是一般吸 尘器的 5 倍 而软管长度可任意选配 该类系统在欧美国家已是必配系统 在国内已有部分 高档楼盘采用了此先进技术 1 1 4 全自动吸尘器的发展前景 近几年来 国内吸尘器市场发展迅速 每年的增幅都保持在 15 以上 在中国消费者对 家庭装修有了更高要求的同时 对保持家庭环境卫生的吸尘器也就渐渐重视起来 预计在未 来三年 国内吸尘器市场将大涨 到 2010 年至少要比现在翻一番 目前吸尘器之于中国人 就像上世纪 80 年代初洗衣机一样 当中国消费者明白它的功用时 机会就来了 吸尘器对 中国人来说曾经是奢侈品 但现在这种情况发生了变化 吸尘器正在中国家庭迅速普及 在 吸尘器逐步走进中国消费者视野的同时 拥有时尚外观 能够提升生活档次的吸尘器也在 攀比 中得到了发展空间 尽管目前国内外在吸尘机器人研究开发方面已取得一定的成果 但成本过高和许多关键 技术问题急待解决 未来的吸尘机器人将向自主式和人工智能化发展 因此必须结合现有的基于自适应控制 预测控制 模糊逻辑 神经网络等移动机器人运动规划和控制技术 研究对环境障碍物具有 安全可靠的防碰撞功能的智能运动规划与控制器及高效的传感器融合算法 是在现实环境中 实现具有良好的自适应性和鲁棒性行为的机器人的关键 电源技术是吸尘机器人研究工作的核心问题之一 除了为机器人运动 吸尘及控制电路 提供能量外 还需优化自动充电方案 保证机器人能及时进行充电 能够自动完成对指定环境 的吸尘任务 第二章 全自动吸尘器控制部分设计 2 1 单片机的由来 单片机诞生于 20 世纪 70 年代 象 Fairchild 公司研制的 F8 单片微型计算机 所 谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 Center Processing Unit 也即常 称的 CPU 和数据存储器 RAM 程序存储器 ROM 及其他 I O 通信口集成在一块芯片上 构成一个最小的计算机系统 而现代的单片机则加上了中断单元 定时单元及 A D 转换 等更复杂 更完善的电路 使得单片机的功能越来越强大 应用更广泛 1976 年 INTEL 公司推出了 MCS 48 单片机 这个时期的单片机才是真正的 8 位单片 微型计算机 并推向市场 它以体积小 功能全 价格低赢得了广泛的应用 为单片机 的发展奠定了基础 成为单片机发展史上重要的里程碑 在 MCS 48 的带领下 其后 各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机 象 Zilog 公司的 Z8 系列 到了 80 年代初 单片机已发展到了高性能阶段 象 INTEL 公司 的 MCS 51 系列 Motorola 公司的 6801 和 6802 系列 Rokwell 公司的 6501 及 6502 系 列等等 此外 日本的著名电气公司 NEC 和 HITACHI 都相继开发了具有自己特色的专用单 片机 80 年代 世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机 约有几十个系列 300 多个品种 此时的单片机均属于真正的单片化 大多集成了 CPU RAM ROM 数目 繁多的 I O 接口 多种中断系统 甚至还有一些带 A D 转换器的单片机 功能越来越强 大 RAM 和 ROM 的容量也越来越大 寻址空间甚至可达 64kB 可以说 单片机发展到了 一个新的平台 2 2 单片机硬件结构和开发过程 2 2 1 单片机的引脚功能 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管 脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以被定义为 数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址 接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TT L 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并因此作为输 入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部 程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特 殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于外部下拉为 低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 I O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外 部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁 存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面图中的两个三角形表示的就是 输入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬 件自动完成的不需要我们操心 1 然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的 图如果不对端口置 1 端口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q 为 1 加到场效应管栅极的 信号为 1 该场效应管就导通对地呈现低阻抗 此时即使引脚上输入的信号为 1 也会因端口的 低阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1 操作则可以使场效应 管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作时还必须附加一个准 备动作所以这类 I O 口被称为准双向口 89C51 的 P0 P1 P2 P3 口作为输入时都是准双向口接 下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了 P1 口外 P0P2P3 口 都还有其他的功能 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉 冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然 而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可 在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该 引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周期两 次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是 否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平 时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 3 超声波传感器的原理及性能 人们能听到声音是由于物体振动产生的 它的频率在 20HZ 20KHZ 范围内 超过 20KHZ 称为超声波 低于 20HZ 的称为次声波 常用的超声波频率为几十 KHZ 几十 MHZ 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 有两种形式 横向振荡 横波 及纵和振荡 纵波 多功能吸尘器对墙壁等障碍的判断主要是通过超声波传感器来完成的 超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播的距离较远 因而超声波经常用于距离的测量 如测距仪和物 位测量仪等都可以通过超声波来实现 利用超声波检测往往比较迅速 方便 计算简单 易 于做到实时控制 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求 因此在移动机器人的研制上 也得到了广泛的应用 1 超声波发生器 为了研究和利用超声波 人们已经设计和制成了许多超声波发生器 总体上讲 超声波 发生器可以分为两大类 一类是用电气方式产生超声波 一类是用机械方式产生超声波 电 气方式包括压电型 磁致伸缩型和电动型等 它们所产生的超声波的频率 功率和声波特性 各不相同 因而用途也各有不相同的地方 目前较为常用的是压电式超声波发生器 2 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际是利用压电晶体的谐振来工作的 超声波发生器内部结构如图 2 3 所示 它有两个压电晶片和一个共振板 当它的两极外加脉冲信号 其频率等于压电晶 片的固有振荡频率时 压电晶片将会发生共振 并带动共振板振动 便产生超声波 反之 如果两电极间未外加电压 当共振板接收到超声波时 将压迫压电晶片作振动 将机械能转 换为电信号 这时它就成了超声波接收装置 多功能吸尘器选用了压电陶瓷式超声波传感器 在超声波信号发射侧使用 T40 16 在 信号接受侧使用 R40 16 发射信号侧由 40HZ 的通信电路 控制 ON OFF 及驱动电路组成 接收信号侧由放大 比较和积分电路组成 图 2 4 是超声波传感器的电路 超声波传感器 为了容易反射声波 对测定物体成直角安装 图 2 3 超声波传感器结构 图 图 2 4 超声波传感器电路图 传感器的调整通过可变电阻变化震荡频率 所以使其发射器的谐振点一致 通过可变电 阻还可以改变比较电压 由此来调整敏感度 超声波传感器是利用传感器头部的压振陶瓷的振动 产生高频的人耳听不见的声波来进 行感应的 如果这声波碰到了某个物体 传感器就能接收到返回波 传感器通过声波的波长 和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定物体的距离 比较具有代表性的 一个传 感器可以通过按钮的设定来拥有近距离和远距离两种设定 无论物体在那一种界限里 传感 器都可以检测到 例如 超声波传感器可以安装在一个装液体的池子上 或者是一个装小球 的箱子上 向这个容器发出声波 通过接收到返回波的时间长短就能确定这个容器是满的 空的或者是部分满的 超声波传感器还有使用的是独立的发射器和接收器的型号 当检测缓慢移动的物体或 者在潮湿环境中应用时 这种对射示的超声波传感器就非常适用 在检测透明物体 液体 检测光滑 粗糙 有光泽的半透明材料等物体表面 以及检测不规则物体时 超声波传感器 都是首选 超声波传感器不适用的情况有 户外 极热的环境 有压力的容器内及有泡沫的 物体 2 4 红外线热释电传感器的原理及性能 热释电外线传感器是 20 世纪 80 年代发展起来的一种新型高敏度探测元件 它以非接触 形式检出人体辐射的红外线或人射外线的能量变化 井将其转换成电压信号输出 将这个电 压信号加以放大 便可以驱动各控制电路 如用于 电源开关控制 防盗防火报警 自劲监 泌等 热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所 亦适于对人体伤害极为严重的商压电 及 x 射线 射线自动报警等 热释电传感器利用热释电效应来检测受光面的温度升高值 得知光的辐射弧度 工作在 红外波段内 这种传感器在常温下工作稳定可靠 使用简单 时间响应能到微秒级 已得到 广泛使用 热释电红外线传感器的结构由地电极 压环 环形电极 PYDF 弹簧等部分组成 多功能吸尘器为了能够检测人的活动 减少人对吸尘器工作的影响 采用了 AM111 型传 感器 这种传感器使用热电元件 收集从人体 10um 附近发出的红外线反应 内部具有 2 个 红外线传感器 消除背景变化连接使用 为此 近人活动时反应 能够输出 AM111 传感器 内部装好了放大器当然在需要时还可以在外接运算放大器 如图 2 5 所示 用补加电阻就可以输出 其共有 3 个管角 分别为信号 VCC GND 在多功能吸尘器 中它以开关量的方式向单片机提供信号 图 2 5 热释电传感器电路图 2 5 整个控制系统的组成及工作原理 多功能吸尘器的整个控制系统 主要由传感器部分 超声波传感器 红外线热释电传感 器 电子罗盘 微型机算计部分 单片机 8051 等部分组成 该多功能吸尘器利用了超声波测距的原理 如图 2 6 所示 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 利用电子罗盘进行方向的判断 通过驱动器驱动两步进电机 带动驱动轮 从而实 现避障 多功能吸尘器的红外线传感器能检测认得存在 在检测到人存在时会给单片机一个 电信号 单片机控制吸尘器停止前进并同时控制发声器发出声音 让人能够离开 功能多功 能吸尘器实际上是一个行走机器人和吸尘器的组合体 吸尘器行走的同时 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 单片机作为控制源产生脉冲信号 驱动步进电机转动 同时检测超声波传感器与红外线 传感器的信号 数字罗盘的转角信号同样也输出给单片机 由单片机完成信号的处理过程 可以说多功能吸尘器的控制系统是以单片机为核心的 图 2 6 控制系统原理图 超声波传感器 接 收 端 发 射 端 红外 线热 释电 传感 器 单单 片片 机机 电源 发声器 驱动器左步进电机 驱动器右步进电机 吸尘部件 电子罗盘 红外 传感 器 第三章 全自动吸尘器结构的设计 3 1 全自动吸尘器外壳结构设计 吸尘器的外壳起着支撑吸尘器各零部件并将它们与外界隔离的作用 这样既能保护内部 结构 又能保证安全 由于多功能吸尘器需要在地面自动行走 因此他的结构要保证行走的平稳 可以采用卧 式吸尘器的结构来完成其机体的设计 由图 3 1 所示壳 后壳 上盖等部分组成 均为塑 料材料 前壳头部为吸入口 后壳内按装吸尘部件 里面主要安装电动机 风机及一些功能 性机构 两侧可以用来安装车轮 此外在后壳处有排风口 便于风机的工作 家用吸尘器的外壳不仅应具有足够的强度 还要有美观的造型 重量轻 外表颜色光泽 以及成本低廉 外客的造型设计必须适应内部的结构需要 外壳一般用金属材料冲制 或采用工程塑料 金属材料有较高的强度 由于重量 绝缘 材料性能查 制造工艺复杂成本高 因此 除了老式的吸尘器及工业吸尘器外 现代家用吸 尘器很少采用 鉴于以上原因 多功能吸尘器的外壳采用工程塑料为主体 可通过注塑成型 除了电动 风机外 其它零件一般均可由工程塑料代替金属材料 这不仅适合于大量生产 易于降低成 本 而且重量可以减少到金属外壳的 1 3 1 4 绝缘性能也大为提高 还可以做成各种款 式 颜色色泽鲜明的式样 用于多功能吸尘器外壳的工程塑料主要是 PP 和 ABS 用于吸管 的材料可以是聚丙烯等 图 3 2 多功能吸尘器安装简图 多功能吸尘器的壳体由于考虑到后面要安装驱动电机这使得它的后壳结构与通常的卧室 吸尘器有所不同 如图 3 2 表示的在多功能吸尘器的后壳部位下面留有一定的驱动电机安 装空间 同时便于驱动轮的安装 有利于整体结构的布局 3 2 全自动能吸尘器吸尘部位结构设计 多功能吸尘器的吸尘部位 主要由吸嘴 吸管 储灰箱 电动风机等部位组成 从外 界吸进的灰尘和垃圾首先到达吸尘部 吸尘部的功能主要是使吸进的高速气流通过过滤网 滤出垃圾和灰尘 过滤网不仅仅能挡住较大颗粒的垃圾 而且能阻止细小的尘埃通过 性能 好的过滤网 排出的灰尘在直径 5 微米以下 此外 过滤网的透气性好 能长时间过滤而不 被堵塞 使电机得到充分的冷却 其基本结构如图 3 3 所示 灰尘通过吸尘器的吸嘴进入 到吸尘器吸管 而后经过过滤网的过滤 沉积在储灰箱里 气流由电动风机吸入口吸入 而 后排出 图 3 3 自动吸尘器吸尘部位结构简图 多功能尘器的风机采用车用吸尘器的风机结构 其重量轻 吸尘功率能满足家用的要求 其安装通过吸尘器机壳的定位孔固定 由橡胶密封圈进行密封 后面由风机固定板进行压紧 在机壳的后面留有一些排风口 便于风机的工作 电动风机高速旋转时会产生很大的震动 因此 风机固定板应该用一些能够减震的材料 向泡沫等 吸尘口应该与风机口对应一条线 有利于风机工作 从而更好的吸尘 风机有密封罩 有封闭的电机罩降噪效果好 因为电机产生的噪声会很容易穿透吸尘器 外壳 造成噪声污染 全密封的电机罩还能保证电机产生的热量不会影响到其他电器件 延 长整机的寿命 吸尘器的处灰箱一般为 2 3L 多功能吸尘器的储灰容量设计为 1 5L 其 完全能够满足家用地面的清洁 3 3 全自动吸尘器行走部位结构设计 3 3 1 全自动吸尘器主要参数计算 多功能吸尘器的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 用非常广泛的万向转轮这既减小了结构复杂度 又提高了转弯的灵活性 如图 3 4 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 3m min 左右 这 样能够保证多功能吸尘器行走平稳 而且有很高的效率 设计车轮的直径为 8cm 停 停 停 停 停停停停停 停停停停停 停 停 停 万向轮 停 停 停 停 图 0 4 转向结构图 则由公式 3 1 U C N 3 1 式中 C 车轮的周长 cm N 车轮的转速 r min N U C 12r min 1 多功能吸尘器的阻力计算 设计多功能吸尘器的质量在 3Kg 则 后车轮的的阻力矩由公式 3 2 T mg f r 3 2 f 滚动摩擦系数由 机械设计课程设计指导 表 11 7 取 0 05 K CM T 3 9 8 0 055 4 6 468N m 2 多功能吸尘器的前轮阻力矩 T0 mg f r 3 9 8 0 055 0 5 0 8N m 3 深沟球轴承的摩擦力臂 T1 mg f1 R f1 0 02k cm 由 机械设计课程设计指导 表 11 9 选取 T1 0 025n cm 根据供电电压为 12V 选取步进电极电机 根据 小功率电机手册 选择永磁式步进电机 其 具体参数如下 表 3 1 表格 3 1 步进电机的基本参数 型号相数额定电压 V 电流 A 保持转矩 mN cm 步近角 57BYG005412V0 4A254 97mN cm1 8 3 3 2 轴的结构设计 1 轴的结构设计 1 轴的径向尺寸的确定 轴的径向尺寸是在出算轴的直径基础上进行的 轴径的估算方法是按扭矩并降低许用扭 转切应力的方法进行的 计算由公式 3 3 d A mm 3 3 3 NP 式中 P 为轴所传地的功率 KW N 为转轴的转速 r min A 为轴的许用应力系数 其值可以查 机械设计 教材表 10 3 在这里选取轴的材料为 45 号钢 则 A 108 由步进电机的参数由公式 3 4 可知 P VI 3 4 0 4 12 4 8W 取转速 n 12r min 计算得 d 108 3 12 0048 0 7 96mm 轴的截面上有一个键槽 将直径增大 5 得 d 7 96 1 5 8 35mm 取标准值 d 10mm 即为轴直径最小直径 2 拟定轴上零件的装配方案 为了便于联轴器的连接以及车轮的安装 许用下述方按 如图 3 5 在轴的左侧需要连 接联轴器 以便于和步进电机的轴相互连接 在轴的右侧有键主要用来和车轮连接 在右侧 同时加工螺纹 使车轮能够沿轴向固定 在轴的中间留有轴间用来固定轴承 逐步选定轴的 直径为 D 10mm 轴间 D 12mm 则根据轴的直径来选择轴承和联轴器等 由于轴的直径较小现有 的标准联轴器很难满足设计的要求 因此需要单独设计联轴器 选用钢管加工满足要求的孔而 后加工两个径向螺纹孔 用螺钉将电机轴与转轴相连接 轴上面的平台可以通过磨削的方式实 现 滚动轴承的选取根据 轴承手册 选用深沟球轴承 轴承的型号 61800 其基本尺寸 B D d 5 19 10 图 0 5 轴的装配简图 通过中间的轴进行定位 选择轴承盖将轴承固定 并且密封 键的选取 根据 机械设计课 程设计指导 选定 选取 GB1096 79 键 4 6 3 3 3 轴的强度校核 1 按许用弯扭合成强度条件计算 通过轴的结构设计 轴的主要结构尺寸 轴上的零件位置以及外载荷和支反力的作用位 置均以确定 轴上的载荷已可以求得 因而 可以按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计 算 其计算步骤如下 1 做出轴的计算简图 轴所受的载荷从零件传来 计算时 将轴上的分布载荷简化为集中力 其作用点取为载 荷分布的中点 作用在轴上的扭矩 一般从传动轮毂宽度的中点算起 通常把轴作为链铰接 支座的梁 支持反力的作用点与轴承的类型和布局方式有关 如图 3 6 图 3 6 轴的计算简图 2 做出弯矩图 根据上述简图 分别按水平面和垂直面计算做出各力产生的弯矩 并按照计算结果分别 做出水平面上的弯矩 Mh 图和垂直面上的弯矩 Mv 图 然后由公式 3 5 进计算总弯矩 M 如图 3 7 F r F t 驱 动 器 TF a F r 左 步 进 电 机 M 3 5 MMvH 22 75N m 75 M 图 3 7 弯矩图 3 做出扭矩图 如图 3 8 T 9 55 p n 10 6 77N m 77 图 3 8 扭矩图 4 做出计算弯矩 根据已做出的总弯矩图和扭矩图计算弯矩 Mca 由公式 3 6 3 6 Mca 2 2 aT M 776 0 75 2 2 88 1 N m 式中 a 是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生的循环特性差异系数 扭剪应力按脉动循环 变换取 0 6a 5 校合轴的强度 已知轴的计算弯矩后 对危险截面作强度进行校核计算 按第三强度理论 计算弯曲应 力由公式 3 7 Mpa 3 7 1 2 2 W ca ca aT M W M 8 8Mpa 59MPa 式中 W 轴的抗弯截面系数 轴的许用弯曲应力 Mpa 45 调质处理经 取 59Mpa 1 经计算满足要求 设计轴符合调节 第四章 电源及驱动电路的设计 4 1 供电电源的设计 多功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 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 移动电源在多功能吸尘机器中的地位十分重要 可以说它是吸尘机器人的 生命源 移 动电源需同时为移动机构提供动力 为控制电路提供稳定的电压 为吸尘操作模块及传感观测 模块提供能源等 在这一领域 一般采用化学电池作为移动电源 如铅酸电池等 理想的电源 在放电过程中应该能够具备 保持恒定的电压 内阻小以便快速放电 可充电 成本低等特点 但实际上没有一种电池可同时具备上述优点 由于室内移动机器人要求具有体积小 自重轻 等特点 所以电源的体积重量也是一个重要的考虑因素 这就要求选择一种体积小 容量大 可重复使用性高的电池 尽可能增加吸尘机器人的不间断工作时间 除了为吸尘器运动 吸 尘及控制电路提供能量外 还需优化自动充电方案 保证机器人能及时进行充电 能够自动完 成对指定环境的吸尘任务 蓄电池安装时 AH 表示容量 在规定温度下 放电充电和通常 电源条件下 完全充电的电池所能输出的标准电量 如 1000MAH 表示电池在 1000MA 放电电 流的条件下 具有的连续工作 1 小时的能力 质量效率是衡量蓄电池能量密度的指标 表示 蓄电池单位质量的输出效率 质量效率的单位为 AH KG 机器人使用蓄电池虽然摔掉了电 缆却有增加了负载和 和体积 因此追求质量效率有实际意义 普通蓄电池的质量效率不高 在 30 36AH KG 新型蓄电池的质量效率在 60 100AH KG 多功能吸尘器选用 24V 10AH 的蓄电池 也可以选用蓄电池组进行系统供电 为了便于 蓄电池进行充电 将蓄电池的充电器和驱动电路集成一体 如图 4 1 是由整流二极管等组 成的蓄电池充电电路 CPU 用 5V 以及电机 12V 电源电路 多功能吸尘器需要两类电源 一类是供给数字 IC 单片机传感器的工作电源 为 5V 同时需要一类为电机驱动电源 根据电机的要求 电压 在 12V 电流在几 A 两类电源当然可以分别供电 但是往往不经济 并可能带来安装空间困 难 用一组电池时 5V 12V 电源可以从端子稳压器件变换后获得 图 4 2 稳压电源 图 4 2 中的输入电压 24V 电源经芯片 MPC2412HF 和 MPC2405HF 分别获得电压 12V 和 5V 的 两路电压输出 其中 5V 电压的供电最好选用 MPC24A05HF 而非 TA78005AP 区别在 前者最小输入电压是 6V 或者 7V 4 2 移动机器人自动充电技术 目前 移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电 但是一般只能 维持几个小时 一旦电能耗尽 必须采用人工干预的方式来给机器人充电 即当移动机器人 电力不足时 发出提示信号 由操作人员手动完成机器人与充电器之间的电器连接 然后实 施充电 完成后也是人工脱离连接电路 其特点是安全可靠 简单易行 但需要专人看管 浪费人力 而且这也使得机器人的自动化 智能化不完整 如果采用人工充电 那么机器人 就处于一种非连续的任务环 37 如图4 3所示 这阻碍了机器人的长期自治 图 4 1 蓄电池充电器电路图 运行关闭 任务 充 电 完完全全自自主主 人人工工干干预预 图 4 3 机器人非连续任务环 如果要实现真正意义上的长期自治 机器人必须能在所处的环境中实现自我支持 实现 连续任务环 如图4 4所示 机器人连续任务环被简单地定义为使机器人以自主充电的方式 来继续完成它所分配到的任务 一旦开始运行 机器人便进入连续任务环 即不再需要人的 帮助 在此系统中 启动和停止是由机器人自动完成的 总之 随着移动机器人的应用越来越广泛 人们对移动机器人能实现长期值守 延长自 治时间以及增加活动范围等功能的要求越来越高 故而其补充动力能源成为了一个亟待解决 的问题 由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高品质的机载蓄电池组 如何让 机器人在无人工干预环境下安全可靠 快速高效地自动实现充电是实现机器人长期自治的一 项关键技术 运行 停止 任务 充 电 启动 图 4 4 机器人连续任务环 当移动机器人需要补充电力时 会自动驶向指定充电区 车载充电连接器与地面充电系 统自动实现电连接并实施充电 充电完成后机器人自动脱离充电系统 驶向工作区或待命区 投入正常运行 其特点是整个充电过程全部实现自动化 智能化 无需专人看管 自动充电技术分析 由上两节的内容可以归纳出以下结论 机器人要实现自主充电 需要满足以下几个条件 1 机器人能检测到什么时候需要充电 一种方法是监测电源的电压或者限制机器人的 运行时间 另一种方法是精确测量使用的电能 通过对电源的监测 机器人能够预测何时需 要充电 2 机器人必须被放置在充电座足够近的地方 不同的导航方法例如视觉识别 循墙 循迹 光跟踪源 每种方法都有他们的局限性 如果没有环境地图 机器人离充电座太远将 无法找到充电座 3 机器人要能对充电座进行定位 目前的系统一般采用激光测距仪或视觉传感器来探 测充电座 它们一般是基于外观 如光流分析 或图象变形或特征提取或激光条形码来识别 4 机器人从当前位置移动到充电座需要导航行为 在可能面临障碍物的情况下 机器人如何从当前位置运动到充电座 机器人系统必须具 有导航 避障 路径规划能力 5 机器人和充电座之间必须能实现自动电器连接与脱离 一般情况下 在机器人上设 计一个公头连接器 在充电座上设计一个母头连接器 而且连接方式要便于电流通过 连接 系统的关键是 基于引导系统的精确性和可靠性 对对接误差需要具有一定的容忍度 当对 接出现偏差时也能够对接成功 目前已有的对接系统一般可以允许 5 以及 5cm 的对接 误差 6 充电器必须安放在机器人或者充电座上 通常把充电器设计成充电座的一部分 因 为这样可以减轻机器人的重量以及减小机器人的体积 同时也避免连接位置处于高电压状态 如果将充电器设置在机器人上 那么就必须使用标准的家用插头连接 以便能更好适应环境 7 机器人需要确定与充电座的物理连接是否成功 许多系统采用红外线接发装置来传 递机器人与充电座的物理连接是否成功的信息 也可以采用监测机器人侧连接端的电压来确 定电气连接是否成功 由于电气连接是建立在物理连接的基础上的 所以此检测系统是必须 的 否则对接系统将会误判 使得充电失败 8 一个真正健壮的自主充电系统必须具有容错以及纠