隨著社會的進步和發展，人們的學習、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。而智能化正是這一目標的集中體現。

 

　　本文介紹的智能吸塵器初步實現了無人情況下的自主工作方式，很大程度地提高了產品的自動化水平。

 

　　１總體原理

 

　　該智能吸塵器利用了超聲波測距的原理，通過向前進方向發射超聲波脈沖，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對超聲發射和接收的選通控制，并在處理返回脈沖信號的基礎上加以判斷，選定相應的控制策略；通過驅動器驅動兩步進電機，帶動驅動輪，從而實現避障功能。與此同時，由其自身攜帶的小型吸塵部件，對經過的地面進行必要的吸塵清掃。

 

　　２功能實能

 

　　整個吸塵器原理上可以分為五個主要部分（如圖1）：傳感器部分、控制器部分、驅動部分、吸塵部分和電源部分。各部分的原理及具體功能實現如下：

 

　　２．１傳感器部分

 

　　２．１．１超聲波測距原理

 

　　超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質中以恒定速率傳播的特性，而在不同媒質的界面處，會產生反射現象。利用這一特性，就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其具體的計算公式如下：

 

　　s＝v×t／2

 

　　其中，s為障礙物與吸塵器之間的距離；t為發射到接收經歷的時間；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波動，因此，在實際的應用中可以用以下公式來加以補償，其中T表示空氣的絕對溫度，m/s為速度單位。

 

　　在智能吸塵器中，避障功能的實現正是利用了這一超聲波測距的原理。它的傳感器部分由三對（每對包括一個發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（如圖1）的作用下，40kHz的振蕩信號被加在超聲發射探頭的兩端，從而產生超聲信號向外發射；該信號遇到障礙物時，產生反射波，當這一反射波被接收探頭接收后，根據前述測距的原理，就可以精確地判斷障礙物的遠近；同時，根據信號的幅值大小，也可以初步確定障礙物的大小。

 

　　２．１．２探測范圍的確定

 

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

 

　　２．１．３防止干擾

 

　　由于三對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，在設計中引進了循環掃描的方式。既循環地對每組探頭施加發射和接收，當一組工作時，

 

　　其余兩組停止。循環周期由路選信號來控制，只有15ms（即在15ms的時間里完成一次對三組探頭的掃描），因而在實際應用中很可靠。

 

　　２．２控制部分

 

　　控制部分的核心是MC51單片機，它主要完成三個部分的任務：

 

　　·向傳感器部分（三路）分別送路選信號：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，就可以完成三路信號的順序掃描以及對發射和接收的計時功能。

 

　　·作為控制器的核心，它要根據接收的信號（左、中、右三路）的幅值，以及從發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。在此基礎上，根據事先設定的規則，選定相應的避障措施（前進、左轉、右轉、后退、調頭）。

 

　　·最后，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，以具體實現避障。

 

　　２．３驅動部分

 

　　驅動部分是由兩個四相步進電機以及相應的驅動機構組成的。步進電機帶動兩驅動輪（后輪），從而推動吸塵器運動。前輪不再采用傳統的雙輪結構，而采用了應用非常廣泛的平面軸承，這既減小了結構復雜度，又提高了轉彎的靈活性（如圖３）。通過改變作用于步進電機的脈沖信號的頻率，可以對步進電機實現較高精度的調速。同時在對兩電機分別施加相同或不同脈沖信號時，通過差速方式，可以方便的實現吸塵器前進、左轉、右轉、后退、調頭等功能。這一設計的最大優點是吸塵器能夠在任意半徑下，以任意速度實現轉彎，甚至當兩后輪相互反向運動時，實現零轉彎半徑（即繞軸中點原地施轉）。同時轉彎的速度可通過改變單片機的程序來調節。

 

　　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，而步進電機為避免低速爬行，其轉速又不能太低，為此，在電機軸與輪軸之間采用了一級齒輪傳動，設計傳動比為３．７。設電機的轉速為ｎ（轉／秒），驅動輪的半徑為ｒ(米)，則驅動輪的前進速度為：

 

　　式中，ｖｋ,ｋ＝１,２，代表左右驅動輪的線速度；ｉ——齒輪傳動比。通過調節ｎ的大小和正反，可以實現ｖｋ的連續變化，從而實現任意半徑的轉彎。電機轉向與吸塵器的運動方式的關系如表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）。這樣不但可實現無人控制，而且工作時較靈活。一次充電可以連續工作幾個小時。

 

　　３部分電路說明

 

　　３．１超聲信號發生

 

　　40kHz的超聲波信號是由555芯片構成的多諧振蕩電路產生的（如圖4）。由R1、R11、R12和C1構成外圍的充放電電路；當參數漂移時，通過調節R12的阻值，可微調信號的中心頻率。

 

　　３．２步進電機驅動

 

　　由控制器輸出的驅動脈沖信號經7404反向后，驅動功率三極管從而帶動步進電機。圖5列出了一相的驅動電路。由于有兩個步進電機，每一電機按四相八拍制工作，因而共有八組驅動電路。

 

　　３．３控制器

 

　　控制器是由MC51單片機構成的。與前述控制器所完成的三相主要任務相對應的硬件結構分別介紹如下：路選信號由單片機的P1口輸出，占用了P1.0～P1.6共6腳。它們直接控制6個模擬開關；

 

　　步進電機的驅動信號由P2口輸出，P2.0～P2.3控制步進電機A，P2.4～P2.7控制步進電機B；超聲返回信號經放大、濾波、檢波后，引入單片機的中斷口，激勵相應的中斷處理程序。

 

　　４系統性能及特點

 

　　從以上介紹可以看出，新一代的智能吸塵器通過將MC51單片微機與自身相結合，極大地提高了產品的可塑性，適應于高層次的開發與應用。它在完成超聲避障的基礎上，初步實現了無人干預下的自主工作方式，同時由于特殊的驅動結構的設計，實現零半徑的轉彎，因而具有智能化、高效性、輕便、靈巧等特點，是較新的發展方向。