隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們的學(xué)習(xí)、工作越來越繁忙，于是怎樣更大程度地將人們從煩瑣的日常事物中解脫出來，就成了新一代家電所追求的目標(biāo)。而智能化正是這一目標(biāo)的集中體現(xiàn)。本文介紹的智能吸塵器初步實(shí)現(xiàn)了無人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。

１ 總體原理

該智能吸塵器利用了超聲波測(cè)距的原理，通過向前進(jìn)方向發(fā)射超聲波脈沖，并接收相應(yīng)的返回聲波脈沖，對(duì)障礙物進(jìn)行判斷；通過以單片機(jī)為核心的控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲發(fā)射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號(hào)的基礎(chǔ)上加以判斷，選定相應(yīng)的控制策略；通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)兩步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。與此同時(shí)，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對(duì)經(jīng)過的地面進(jìn)行必要的吸塵清掃。

２ 功能實(shí)能

整個(gè)吸塵器原理上可以分為五個(gè)主要部分（如圖1）：傳感器部分、控制器部分、驅(qū)動(dòng)部分、吸塵部分和電源部分。各部分的原理及具體功能實(shí)現(xiàn)如下：

２．１ 傳感器部分

２．１．１ 超聲波測(cè)距原理

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(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可 以根據(jù)測(cè)量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測(cè)量距離的作用。其具體的計(jì)算公式如下：

s＝v×t／2

其中，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(shí)間；v為聲波在空氣中傳播的速度。由于ｖ的值受溫度的影響會(huì)波動(dòng)，因此，在實(shí)際的應(yīng)用中可以用以下公式來加以補(bǔ)償，其中T表示空氣的絕對(duì)溫度，m/s為速度單位。

在智能吸塵器中，避障功能的實(shí)現(xiàn)正是利用了這一超聲波測(cè)距的原理。它的傳感器部分由三對(duì)（每對(duì)包括一個(gè)發(fā)射探頭和一個(gè)接收探頭）共六個(gè)超聲波傳感頭組成。由單獨(dú)的振蕩電路產(chǎn)生頻率固定為40kHz，幅值為5V的超聲波信號(hào)。在控制器送來的路選信號(hào)（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號(hào)被加在超聲發(fā)射探頭的兩端，從而產(chǎn)生超聲信號(hào)向外發(fā)射；該信號(hào)遇到障礙物時(shí)，產(chǎn)生反射波，當(dāng)這一反射波被接收探頭接收后，根據(jù)前述測(cè)距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠(yuǎn)近；同時(shí)，根據(jù)信號(hào)的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

２．１．２ 探測(cè)范圍的確定

由于每一個(gè)超聲波探頭都有一定的指向性（即發(fā)射或接受的空間范圍），所以在測(cè)量時(shí)必然存在盲區(qū)（如圖2）。因此，三對(duì)傳感器必然以一定的尺寸分布在吸塵器的前端，從而使傳感器測(cè)量的范圍包含整個(gè)吸塵器所必須經(jīng)過的空間，同時(shí)又避免探測(cè)死角（既使盲區(qū)落在須測(cè)量的范圍之外）。

２．１．３ 防止干擾

由于三對(duì)超聲波傳感探頭之間的安裝距離比較近，因而存在相互干擾的問題。為了解決這一問題，在設(shè)計(jì)中引進(jìn)了循環(huán)掃描的方式。既循環(huán)地對(duì)每組探頭施加發(fā)射和接收，當(dāng)一組工作時(shí)，其余兩組停止。循環(huán)周期由路選信號(hào)來控制，只有15ms（即在15ms的時(shí)間里完成一次對(duì)三組探頭的掃描），因而在實(shí)際應(yīng)用中很可靠。

２．２ 控制部分

控制部分的核心是MC51單片機(jī)，它主要完成三個(gè)部分的任務(wù)：

· 向傳感器部分（三路）分別送路選信號(hào)：當(dāng)路選信號(hào)是高電頻時(shí)，該路導(dǎo)通；反之，就截止。這樣，通過路選信號(hào)，就可以完成三路信號(hào)的順序掃描以及對(duì)發(fā)射和接收的計(jì)時(shí)功能。
· 作為控制器的核心，它要根據(jù)接收的信號(hào)（左、中、右三路）的幅值，以及從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔，計(jì)算并判斷障礙物的相對(duì)位置，大致大小。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則，選定相應(yīng)的避障措施（前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭）。

· 最后，在確定了避障措施后，要向步進(jìn)電機(jī)的控制器輸出相應(yīng)的控制脈沖，以具體實(shí)現(xiàn)避障。

２．３ 驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)部分是由兩個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)兩驅(qū)動(dòng)輪（后輪），從而推動(dòng)吸塵器運(yùn)動(dòng)。前輪不再采用傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)，而采用了應(yīng)用非常廣泛的平面軸承，這既減小了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，又提高了轉(zhuǎn)彎的靈活性（如圖３）。通過改變作用于步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)的頻率，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。同時(shí)在對(duì)兩電機(jī)分別施加相同或不同脈沖信號(hào)時(shí)，通過差速方式，可以方便的實(shí)現(xiàn)吸塵器前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退、調(diào)頭等功能。這一設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，甚至當(dāng)兩后輪相互反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑（即繞軸中點(diǎn)原地施轉(zhuǎn)）。同時(shí)轉(zhuǎn)彎的速度可通過改變單片機(jī)的程序來調(diào)節(jié)。

由于智能吸塵器是邊行走邊工作的，所以要求速度很低，一般要求5m／min左右，而步進(jìn)電機(jī)為避免低速爬行，其轉(zhuǎn)速又不能太低，為此，在電機(jī)軸與輪軸之間采用了一級(jí)齒輪傳動(dòng)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比為３．７。設(shè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為ｎ（轉(zhuǎn)／秒），驅(qū)動(dòng)輪的半徑為ｒ（米），則驅(qū)動(dòng)輪的前進(jìn)速度為：

式中，ｖｋ，ｋ＝１，２，代表左右驅(qū)動(dòng)輪的線速度；ｉ——齒輪傳動(dòng)比。通過調(diào)節(jié)ｎ的大小和正反，可以實(shí)現(xiàn)ｖｋ的連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)任意半徑的轉(zhuǎn)彎。電機(jī)轉(zhuǎn)向與吸塵器的運(yùn)動(dòng)方式的關(guān)系如表１。

２．４ 吸塵器部分

吸塵功能是由封閉在殼體中的小型吸塵器完成的。包括氣泵、吸室、吸道和吸嘴。在吸塵器爬行的過程中，通過底盤上開的吸嘴將掃過的地面上的灰塵吸入吸室。

２．５ 電源部分

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蓄電池（3A／20hour）。這樣不但可實(shí)現(xiàn)無人控制，而且工作時(shí)較靈活。一次充電可以連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)。

３ 部分電路說明

３．１ 超聲信號(hào)發(fā)生

40kHz的超聲波信號(hào)是由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路產(chǎn)生的（如圖4）。由R1、R11、R12和C1構(gòu)成外圍的充放電電路；當(dāng)參數(shù)漂移時(shí)，通過調(diào)節(jié)R12的阻值，可微調(diào)信號(hào)的中心頻率。

３．２ 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

由控制器輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)經(jīng)7404反向后，驅(qū)動(dòng)功率三極管從而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。圖5列出了一相的驅(qū)動(dòng)電路。由于有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每一電機(jī)按四相八拍制工作，因而共有八組驅(qū)動(dòng)電路。

３．３ 控制器

控制器是由MC51單片機(jī)構(gòu)成的。與前述 控制器所完成的三相主要任務(wù)相對(duì)應(yīng)的硬件結(jié)構(gòu)分別介紹如下：路選信號(hào)由單片機(jī)的P1口輸出，占用了P1.0～P1.6共6腳。它們直接控制6個(gè)模擬開關(guān)；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由P2口輸出，P2.0～P2.3控制步進(jìn)電機(jī)A，P2.4～P2.7控制步進(jìn)電機(jī)B；超聲返回信號(hào)經(jīng)放大、濾波、檢波后，引入單片機(jī)的中斷口，激勵(lì)相應(yīng)的中斷處理程序。

４ 系統(tǒng)性能及特點(diǎn)

從以上介紹可以看出，新一代的智能吸塵器通過將MC51單片微機(jī)與自身相結(jié)合，極大地提高了產(chǎn)品的可塑性，適應(yīng)于高層次的開發(fā)與應(yīng)用。它在完成超聲避障的基礎(chǔ)上，初步實(shí)現(xiàn)了無人干預(yù)下的自主工作方式，同時(shí)由于特殊的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零半徑的轉(zhuǎn)彎，因而具有智能化、高效性、輕便、靈巧等特點(diǎn)，是較新的發(fā)展方向。

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