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传感器应用
——智能清洁机器人设计
成员及分工:
指导老师：徐晓冬
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智能清洁机器人设计
测控技术与仪器（2）班 CK Star 摘要：
智能清洁机器人是内置智能芯片，能自动识别判断家庭环境，计算行走路径，自动清扫地面上的灰尘，自动清理毛发和碎物，低电压自动返回充电。
智能清洁机器人具有智能计算机系统、自动螺旋导航系统和传感器感应头。可以对房间做出测量，自动清洁房间的每个角落、记录您的理想设置，避让墙壁、楼梯等障碍物，即使您把放到桌子上面它也不会掉下来。随机配备的虚拟墙发射器可有效地阻止它进入您不想让它进入的地方。适用范围：家庭，办公室，电脑房，可以有效清扫各种木地板、水泥地板、瓷砖地板以及短毛地毯。
采用全新智能控制系统，自动清扫，自动回充，智能分析，路径规划，智能防撞，以及遥控的功能，最终实现卫生清洁、空气净化加湿的效果。
关键词：传感器 清洁机器人 智能控制 单片机系统
目录
一、背景及意义........................................................................................3
二、国内外研究现状................................................................................3
三、总体功能...........................................................................................4
四、工作主流程图....................................................................................5
五、各模块设计........................................................................................61、传感部分........................................................................................6 1)超声波传感器............................................................................6 2)红外测距传感器........................................................................7 3)接触式传感器............................................................................7 4)红外光电传感器........................................................................72、控制部分........................................................................................83、驱动部分........................................................................................84、全方位移动机构............................................................................95、吸尘及处理部分............................................................................96、垃圾收集过程流程图..................................................................117、电源部分......................................................................................11
六、性能参数...........................................................................................12
七、结论与展望......................................................................................13 参考文献......................................................................................14
一、背景及意义
随着人们生活水平的提高，健康、舒适的家居环境越来越被更多的人所关注。买房、装修成为人们茶余饭后谈论的热点话题，但装修后又脏又累的卫生清扫工作，成为困扰家庭主妇的又一大难题。对不少家庭而言，清洁机器人已成为清洁家庭的必备小家电。此次，从网上和市场两方面着手进行调研，既了解工作原理，也了解到了它的市场行情。“绿色、健康”的设计产品的市场化脚步在逐渐取代旧产品。针对现代人的生活习惯及周围环境进行调研（网络、市场），符合市场经济的增长和社会的发展趋势，智能化的产品将是健康绿色生活的主导，才能更符合当代社会的需求，从而将“绿色、健康”的含义真正的实现。研究智能清洁机器人的缺陷及不足，从而将其完善，主要针对消费者做出进一步的改进和创新，将改进的重点放在轻巧便用，智能化，带有乐趣性上面。将本次设计定位为改进型创新绿色环保设计。
二、国内外研究现状
近几年，我国家用清洁机器人市场需求量呈逐年上升的趋势。清洁机器人的发展很快，主要发展方向为外观、功能与操作性能等三方面。
外观：现代清洁机器人有越做越小的趋势，而与清洁机器人的集尘袋，功率反而越来越大，一些比较先进的清洁机器人也已近发展到无尘袋的设计，更加有利于日常清洁与保养，大大节省使用者的家务负担。
功能：现代清洁机器人的功能性能越来越强大，一些高端的清洁机器人已近开始具有干湿两用、过热保护、尘满提醒等非常实用的功能。可以想象，这些功能在今后几年中也会慢慢变成清洁机器人的标准配置。
操作性能：不同于相对老旧的清洁机器，现代清洁机器人已经具有更高的操作性能了，不但主机变得轻巧而易拖动，操作按键的位置设计也越来越人性化，方便使用者的操作。另外，现代清洁机器人的工作噪音也得到了较好的控制，老旧产品的噪音源特点也已经被大大弱化。
三、总体功能
该智能清洁机器人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；通过驱动两个步进电机，带动360°全向轮移动机构动作，从而实现前进、后退、转弯等避障功能。以及红外线传感器的应用使它具备避免坠落及自动充电功能，与此同时，由其自身携带的小型吸尘及滚刷部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫；由水过滤清洁装置和HEAP高效过滤网清洁过滤所吸入的空气。
采用全新智能控制系统，可以实现自动清扫，自动回充，智能分析，路径规划，智能防撞，以及遥控的功能。
四、工作主流程图及模型图
图1.工作主流程图
图2.三维模型图
五、各模块设计
1、传感部分：相当于人的五官，起到对外界的感知作用。1)超声波传感器[1]
超声波是一种一定频率范围的声波它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用其具体的计算公式如下：
s＝v×t／2 注：s：为障碍物与吸尘器之间的距离；
t：为发射到接收经历的时间； v：为声波在空气中传播的速度
在智能清洁机器人中，避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理它的传感器部分由三对（每对包括一个发射探头和一个接收探头）共六个超声波传感头组成由单独的振荡电路产生频率固定为40kHz，幅值为5V的超声波信号在控制器送来的路选信号的作用下，40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端，从而产生超声信号向外发射；该信号遇到障碍物时，产生反射波，当这一反射波被接收器接收后，根据前述测距的原理，就可以精确地判断障碍物的远近；同时，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小
超声波传感器采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感
器检测到被测物，经单片机系统处理判断前方物体的大小、远近及大体属性。
2)红外测距传感器[1]
红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，即可利用红外线的返回信号来识别周围环境的变化。3)接触式传感器[1]
接触式厚度传感器，通常采用电感式位移传感器、电容式位移传感器、电位器式位移传感器、霍耳式位移传感器等（见位移传感器）进行接触式厚度测量。为了连续测量移动着的物体的厚度，常在位移传感器的可动端头上安装滚动触头，以减少磨损。接触式厚度传感器可测量物体高度,空间大小。全能清洁机器人可利用这一点探测障碍物的高度,进一步做出判断发挥它的功能.4)红外光电传感器[1]
把浑浊度传感器的外壳固定在被测箱体内，采用一定波长的红外发光二极管作为检测光源，穿透被测溶液，检测其透射光强来检测溶液浑浊度的程度。红外发光二极管发射的红外光穿透被测溶液的介质，被接收端的光电三极管接受，产生光电流。由于溶液含有的介质、灰尘的颗粒大小、密度不同，光电三极管的光电流近似为线性变化。
经滤波后输出，即得到与浑浊度相关的检测信号。
2、控制部分：相当于人的大脑，起到连接对肢体的支配。单片机[2]执行控制程序中指令。CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
1）向传感器部分分别发送路选信号：当路选信号是高电频时，该路导通；反之，就截止这样，通过路选信号，就可以完成各路信号的顺序扫描以及对发射和接收的计时功能
2）作为控制器的核心，它要根据接收的各路信号的幅值，以及从发射到接收的时间间隔，计算并判断障碍物的相对位置，大致大小在此基础上，根据事先设定的规则，选定相应的避障措施（前进、左转、右转、后退、调头）
3）在确定了避障措施后，要向步进电机的控制器输出相应的控制脉冲，驱动步进电机，带动全向轮移动机构以具体实现避障
图4.CPU芯片
3、驱动部分：相当于人的肢体，被控制起到协调作业。
1）步进电机[3]，用于清洁器的全向轮驱动，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。2）串励电机[3]，单相串励电动机属于单相交流异步电动机，是交直流两用的，所以又称为交直流两用串励电动机。由于它转速高、体积小、启动转矩大、转速可调，电机主要由定子转子及支架三部分组。
3）普通电机[3]，用于扫地刷和起尘刷的微型直流齿轮减速电机12V正反转可调速电动机慢速小马达。4.全方位移动机构：
基于麦克纳姆轮[4]的全方位移动平台由于能够实现前后、左右和自转3 个自由度的运动及其复合运动而受到越来越广泛的关注，本体无需做出任何转动便可实现任意方向的运动。因此采用了基于麦克纳姆轮的全方位移动平台的智能清洁器非常适合工作在空间狭窄有限、对机动性要求高的场合。与传统移动机构相比，全方位移动机构可以沿任意方向平动，其移动性能卓越。
图5：轮子左、移动平台、轮子右
5、吸尘及处理部分：在智能吸尘器里面嵌入真空吸尘器部分。
1）本清洁器在气体输出口采用HEAP过滤网[5]进行空气净化，它对于0.1微米和0.3微米的有效率达到99.7%，HEPA网的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过。它对直径为0.3微米（头发直径的1/200）以上的微粒去除效率可达到99.97%以上，是烟雾、灰尘以及细菌等污染物最有效的过滤媒介。采用熔喷涤纶无纺布材质的HEPA高效过滤网，特点:风阻小，容尘量大，过滤精度高，持久耐用。
图6.HEPA高效过滤网
2）水过滤系统[6]原理及垃圾收集装置：水过滤系统原理是用水洗涤含尘空气，在吸尘器专用的串励电机高转速下（20000r/min），大量抽压空气和水的惯性碰撞而形成的，利用形成的液膜、水滴和水泡来捕捉带有的粉尘和细小颗粒，也从而使细小的颗粒得到扩散，使增湿并产生粘附的颗粒利用自身的重量沉人水底，随液体循环排出。空气在水的掺和下得到净化。
3）进入水箱中的垃圾大部分会很快溶于水中，水箱箱体表面的红外传感器会将水箱中水的浑浊度检测并将数据传送给中央处理器，当水的浑浊度达到一定程度时，中央处理器会自动接通位于水箱底部微型泵，通过微型泵把溶有垃圾的水吸入垃圾收集箱里，直到红外线传感器检测浑浊度正常时，中央处理器控制微型泵停止工作从而完成排水过程。由于垃圾溶于水会使水箱中水位很快升高，水箱箱体表面的水位传感器能够实时检测水箱中的水位并把相关数据传送给中央处理器，当水位达到一定程度时，中央处理器也会控制打开收集箱底的微型泵，把水吸入垃圾收集箱，直到水位正常。
3）充电设备是采用装有红外线接收器的专用电源，当清洁器电量较低时，清洁器上的中央处理器会控制发出充电红外线，电源检测并接收信号，清洁器会自动前往电源处打开接口进行充电过程，直到充电完成。
6、垃圾收集过程流程图
图7.垃圾收集过程流程图
7、电源部分：
提供智能清洁机器人所需要的动力系统，也是至关重要的一部分，由于智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24.4V镍氢动力电池[7]，它具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点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
六、性能参数
P1：输入功率； P2：吸入功率； H：真空度； Q：风流量； Η：效率；
Psmax:最大吸入功率； ηmax:最大效率；
Qmax:最大风量； Hmax最大真空；
1、风流量：单位时间内通过吸尘器排出的空气体积，单位m3/min。
2、真空度：所谓的真空度是指一个空间内气体分子数的密度比标准状态下(一个大气压101325Pa)少。
3、吸入功率：是反映吸尘器的综合性能的一个参数。吸尘器的吸入功率是以真空度、风流量来体现的，一般来说，真空度高、风流量大输出功率就会比较高。
4、η效率：吸尘器的效率=（吸尘器的输出功率P2÷吸尘器的输入功率P1）×100% 当然，P1和P2都是在变化的，效率n也应该是曲线的顶点，即
最大值。吸尘器效率一般在28%-32%，这是因为吸尘器使用中空气流通有很大的阻力，降低了风量。
七、结论与展望
虽然当前的吸尘器是物美价廉，能给人们枯燥乏味的家庭清洁的琐碎工作提供了诸多方便，可是一些缺点仍旧困扰着人们，比如较大的噪声依然让多数的家庭使用者望而却步。在现有的服务机器人领域里，智能清洁机器人可以说是一种新型产品，帮助人们在无需照看的情况下省时省力的完成房间的洗尘清扫作业。所以，只要智能清洁机器人的生产成本兼顾日用家电的大批量、低价格的特点，智能清洁机器人将会用诱人的市场前景。
目前国内外的清洁机器人的研究与开发工作都取得了一些成绩，但是仍旧有许多问题需要解决或改善，主要涉及到下面几个方面：
1、价格过高
2、智能化与自主化程度低
3、吸尘技术不够理想
4、自动充电与电源技术有待改进
伴随着智能清洁机器人的关键技术与性价比的不断提高，完全有条件基于现有的硬件和软件技术，在不久的将来，生产出价格便宜的全自动清洁机器人，使千家万户都能够使用到，从而使这种高新技术产业带来客观的市场和经济效益。
智能清洁机器人开启了不用人工打扫，死角可以不用花大力气去清除的时代，人类的不用亲自动手就可以将房间打扫的干干净净，可
谓是对于机器，“懒汉时代”又迈进了一大步。参考文献：
[1]《传感器原理与应用》姜香菊 著，机械工业出版社出版，2015-3-1 [2]《单片机应用技术》查鸿山 著电子工业出版社出版，2015-2-1 [3]《步进电机应用技术》(日)坂本正文 著王自强 译科学出版社出版2010-5-1
[4]http://baike.baidu.com/link?url=nfq1iC_06v26a2rq02wYzoWmU83kwYmUK73517i_UbsKoJbSltFcP93qBR7XmsiMT_8rNMj74M1oPtVAdIoqh_ [5]http://baike.baidu.com/link?url=lnd-0skuDkGFIbsbofuESGZdFLPGaen9bg9huIZRN1A7GTfPS9fA_zchJRXAoMZUywK4EpORJbsIjAzA1LXL__ [6]http://baike.sogou.com/v63341579.htm [7]《镍氢电池》唐有根 主编,化学工业出版社出版2007-5-1版
